摩托車蒸發(fā)試驗-密閉室整體變溫法研究

（天津內(nèi)燃機(jī)研究所 天津 300072）

引言

摩托車國IV 標(biāo)準(zhǔn)GB14622-2016[1]和GB18176-2016[2]中規(guī)定了IV 型蒸發(fā)試驗采用的方法為晝間換氣損失試驗+熱浸損失試驗。其中晝間換氣損失試驗油箱加熱的試驗方法存在一些問題。

1）破壞樣車。晝間換氣損失試驗需要對樣車油箱打孔，以安裝溫度傳感器控制油箱內(nèi)燃油和蒸氣溫度。

2）傳感器密封。傳感器安裝如果密封不嚴(yán)會對蒸發(fā)試驗結(jié)果造成很大影響。

3）燃油和蒸氣溫度傳感器安裝位置。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，燃油和蒸氣溫度傳感器需要分別位于燃油和蒸氣的幾何中心點，并至少離開油箱表面2.54 cm。但由于部分油箱形狀不規(guī)則，油箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不便于觀察，安裝傳感器時大多依靠操作人員經(jīng)驗，有可能造成傳感器安裝不符合標(biāo)準(zhǔn)。

4）加熱片安裝依靠操作人員經(jīng)驗，有可能造成油箱加熱不均勻，加熱片安裝過少，導(dǎo)致油箱溫度升高速率不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求等問題。

鑒于以上存在的問題，使用密閉室整體變溫（VT-SHED）的試驗方法可以有效地避免此類問題。

密閉室整體變溫的試驗方法是通過改變密閉室整體環(huán)境溫度對油箱溫度進(jìn)行影響，更加符合摩托車在實際使用過程中的情況。

1 試驗樣品

本試驗使用了兩個油箱進(jìn)行試驗，分別為塑料油箱和金屬油箱，以比對不同材料油箱的試驗效果。油箱容積為5 L，形狀均為近似規(guī)則的長方體，試驗時不連接炭罐，油箱所有接口均使用密封膠進(jìn)行密封，經(jīng)測試后無泄漏。

2 試驗方法

2.1 1 h 晝間換氣損失

1）在試驗開始前，通風(fēng)并清洗密閉室?guī)追昼?，直至得到一個穩(wěn)定的環(huán)境背景值，在此期間密閉室內(nèi)的混合風(fēng)扇也應(yīng)開動。

2）臨近試驗前，進(jìn)行碳?xì)浠衔锓治鰞x的零點和量距點標(biāo)定。

3）油箱注入溫度在283.2 K 至287.2 K（10 ℃至14 ℃）范圍內(nèi)的試驗用燃油至油箱標(biāo)稱容積的50%±2.5%。

4）將油箱放入密閉室內(nèi)，將燃油箱傳感器與加熱裝置連接。立即開始記錄燃油溫度和密閉室內(nèi)的溫度

5）最初試驗的蒸氣溫度不得高于299.2K（26.0 ℃），在此狀況下試驗時，可以不必加熱蒸氣。當(dāng)燃油溫度公式曲線升高至比蒸氣溫度低5.5 ℃時，應(yīng)進(jìn)行剩余的蒸氣加熱程序。

6）當(dāng)燃油溫度達(dá)到14.0 ℃時，立即蓋上油箱蓋，此時若未關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)應(yīng)予以關(guān)閉，關(guān)閉并密封密閉室。

7）當(dāng)燃油溫度達(dá)到15.5 ℃± 1 ℃時，應(yīng)立即記錄密閉室內(nèi)初始時刻（t=0 min）密閉室中的最終碳?xì)浠衔餄舛燃礊闇y量濃度（CHC,i）。記錄測量時間或用時，同時記錄初始的溫度Ti和壓力Pi。

8）在60±2 min 的時間內(nèi)開始20±0.5 ℃的線性加熱。加熱過程中的燃油和燃油蒸氣溫度應(yīng)符合公式的計算結(jié)果且保持在±1.7 ℃以內(nèi)。

9）FID 碳?xì)浠衔锓治鰞x應(yīng)于試驗結(jié)束之前立即進(jìn)行零點和量距點標(biāo)定。

10）記錄密閉室內(nèi)終了時刻密閉室中的最終碳?xì)浠衔餄舛燃礊闇y量濃度（CHC，f）。記錄測量時間或用時，同時記錄最終的溫度Tf和壓力Pf。

11）打開密閉室的門，試驗結(jié)束。

2.2 VT-SHED 晝間換氣損失

1）在試驗開始前，通風(fēng)并清洗密閉室?guī)追昼?，直至得到一個穩(wěn)定的環(huán)境背景值，在此期間密閉室內(nèi)的混合風(fēng)扇也應(yīng)開動。

2）臨近試驗前，進(jìn)行碳?xì)浠衔锓治鰞x的零點和量距點標(biāo)定。

3）油箱注入溫度在283.2 K 至287.2 K（10 ℃至14 ℃）范圍內(nèi)的試驗用燃油至油箱標(biāo)稱容積的50%±2.5%，將油箱放入密閉室內(nèi)。

4）關(guān)閉并密封密閉室門。記錄密閉室內(nèi)初始時刻（t=0 h）密閉室中的最終碳?xì)浠衔餄舛燃礊闇y量濃度（CHC，i）。記錄測量時間或用時，同時記錄初始的溫度Ti和壓力Pi。

5）密閉室溫度按照溫度變化表進(jìn)行變溫，試驗周期為24 h。

6）FID 碳?xì)浠衔锓治鰞x應(yīng)于試驗結(jié)束之前立即進(jìn)行零點和量距點標(biāo)定。

7）記錄密閉室內(nèi)終了時刻（t=24 h）密閉室中的最終碳?xì)浠衔餄舛燃礊闇y量濃度（CHC，f）。記錄測量時間或用時，同時記錄最終的溫度Tf和壓力Pf。

8）打開密閉室的門，試驗結(jié)束。

為了比對不同最高試驗溫度對試驗結(jié)果的影響，本文采用了兩種溫度變化曲線，分別為20 ℃～35 ℃～20℃（參照EU 2017/1151）[3]和20 ℃～38 ℃～20 ℃（參照GTR No.19）[4]，具體的溫度變化分別如表1 和表2 所示。

表1 20 ℃～35 ℃～20 ℃密閉室溫度變化表

表2 20 ℃～38 ℃～20 ℃密閉室溫度變化表

3 試驗結(jié)果及分析

試驗結(jié)果如表3 所示，1 h 晝間換氣損失的加熱曲線按照外露式油箱進(jìn)行試驗。圖1 為金屬油箱和塑料油箱1 h 燃油升溫曲線。圖2 為金屬油箱和塑料油箱1 h 晝間蒸發(fā)試驗曲線。

表3 試驗數(shù)據(jù)匯總

圖1 金屬油箱和塑料油箱1 h 燃油升溫曲線

圖2 金屬油箱和塑料油箱1 h 晝間蒸發(fā)試驗曲線

塑料油箱和金屬油箱外形基本相同，都是近似規(guī)則的長方體，兩者所使用的加熱毯以及加熱毯的位置也完全一致，從圖1 的燃油升溫曲線可以看出，燃油的加熱效果相差不大。

從圖2 試驗曲線來看塑料油箱為0.155 g，金屬油箱為0.073 g，2 次試驗結(jié)果相差一倍。在燃油升溫曲線完全一致，且油箱密封良好的情況下，可以認(rèn)為問題來自于油箱材料，塑料油箱的滲透應(yīng)該是造成結(jié)果差異較大的主要原因。

圖3 為24 h VT-SHED 試驗數(shù)據(jù)曲線。VT-SHED的試驗共進(jìn)行了2 次，20 ℃～35 ℃～20 ℃的VT-SHED試驗結(jié)果為0.172 g，20 ℃～38 ℃～20 ℃的VT-SHED 試驗結(jié)果為0.414 g。

圖3 24 h VT-SHED 試驗數(shù)據(jù)曲線

20 ℃～35 ℃～20 ℃的HC 曲線上升比較平穩(wěn)，在達(dá)到35 ℃最高溫時，HC 的排放量并沒有明顯的變化，依然是平穩(wěn)上升。而20 ℃～38 ℃～20 ℃的HC 曲線在SHED 溫度達(dá)到38 ℃前后的區(qū)間內(nèi)，HC 排放量有一個加速上升的過程。可見加熱溫度的提升對排放結(jié)果有較大的影響。溫度提高加速了氣體的揮發(fā)，促進(jìn)油箱滲透，導(dǎo)致排放結(jié)果升高。

本次VT-SHED 試驗還對油箱內(nèi)燃油溫度的變化進(jìn)行了檢測，通過數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，2 次試驗的燃油溫度曲線均無法與SHED 溫度曲線一致，且最高燃油溫度要比SHED 溫度低2～3℃。

塑料油箱導(dǎo)熱性能會影響到燃油溫度，塑料油箱的材質(zhì)較差和壁厚等參數(shù)均會影響燃油溫度。使用壁厚比較薄或者材質(zhì)較差的塑料油箱，試驗時其油箱內(nèi)燃油溫度會較高，進(jìn)而蒸發(fā)排放結(jié)果更加惡劣。

圖4 HC 增加值和SHED 溫度關(guān)系圖

HC 每小時增加值和SHED 溫度關(guān)系。在6～20 h的區(qū)間內(nèi)，20 ℃～38 ℃～20 ℃的HC 增加值要明顯高于20 ℃～35 ℃～20 ℃，SHED 試驗溫度對于HC 增加值的影響非常明顯。

4 結(jié)論

1）在1 h 晝間蒸發(fā)試驗中，塑料油箱比金屬油箱的蒸發(fā)排放量要高，其主要來源于油箱滲透排放。

2）VT-SHED 試驗中，密閉室的整體溫度對試驗結(jié)果有影響，從單次試驗來看，影響幅度較大。最高溫度提高到38 ℃，使得蒸發(fā)排放量提高了1 倍以上。

3）VT-SHED 試驗中，燃油溫度曲線無法與密閉室溫度曲線一致，這與燃油箱的材質(zhì)與壁厚等參數(shù)有關(guān)，較厚的油箱可以有效地阻擋熱傳遞，減少燃油升溫幅度，可以降低試驗中燃油的滲透量。同時油箱采用低滲透率的材質(zhì)也可以有效降低滲透量。

4）總體來說，使用24 h VT-SHED 方法進(jìn)行試驗要比1 h 晝間試驗方法對于車輛油箱和油管的要求更加嚴(yán)格。對于整車試驗，長時間的升溫過程會使油箱和油管產(chǎn)生更多的滲透排放量，如果使用了較差的材質(zhì)和較薄壁厚的油箱和油管，則排放量會更大。除此之外，采用大容量的炭罐也可以有效降低HC排放量。所以，如果選擇24 h VT-SHED 試驗，會增加企業(yè)的成本。