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车载油气回收系统压力控制研究 0 当前汽油车燃油排放的研究现状和存在的问题 随着汽油车产量的增加，汽油车排放污染物逐年增加。1971年后,由于采用闭环控制电喷汽油机和三效催化转化器技术,轿车尾气排放降低90%以上,因此,燃油蒸发污染物占总体污染排放量比例增加,汽油车燃油蒸发排放主要有运转排放、热浸排放、昼间排放和加油排放。而活性炭罐燃油蒸发污染物控制装置只能控制昼间排放和热浸排放,轿车加油排放因为一次性排放量大成为日益突出的问题。减少轿车加油排放的办法就是采用车载油气回收系统(ORVR),这种系统有机械式和液封式两大类型,分别是通过在加油管内设置密封组合件或者加油管内形成特殊结构在加油时泵入的汽油流动形成液封,阻止油气通过敞开的加油管口进入大气中,排出油箱的油气流向活性碳罐并被活性炭吸附净化后排入大气。 到目前为止国外在加油排放方面的理论研究,是对汽油化学成分与加油试验的回归分析等,所建立的加油排放数学模型是在未受控制即只安装活性炭罐条件下得到的,同时这些模型都有一定的适用范围,并且仅考虑了油箱平均温度、泵入燃油平均温度和雷德蒸气压几个因素对轿车加油排放的影响,没有考虑采用ORVR系统后的轿车加油排放。而国内汽油车燃油蒸发污染物的排放控制的研究重点在热浸和昼间排放方面,对加油排放方面的研究仅限于车载油气回收系统的结构,在理论研究上尚未深入探讨。本文运用传质原理,分析安装不同类型ORVR系统的轿车加油排放特性,探究加油排放规律,并建立模型,可为ORVR系统的开发与应用提供理论基础。 1 汽车汽油加油系统和系统 采用ORVR系统后,加油管入口被液封或者密封组件密封,并且活性碳罐中的活性炭物理结构是具有多孔的固体,具有很小微观孔隙。有些采用ORVR系统的油箱,通气管路中还安装压力控制阀,只有在油气压力大于压力控制阀的开启压力时,油箱内的油气才能排入活性炭罐,故采用ORVR系统的轿车加油排放与只安装碳罐时不一样。 图1是一种安装液封式ORVR系统,通气管路中设压力控制阀的汽车油箱加油示意图(对于安装机械式ORVR系统,除加油管及其入口用密封组合件完全密封外,其余结构与液封式ORVR系统基本相同)。图1中:z表示油面上升和汽油蒸气扩散的方向;y表示油箱的纵向;H是油箱高度;h是加油前油面初始高度。加油时,泵入的燃油在加油管勺状的下端形成液封,阻止油气向大气直接排放。当油面上升,气体空间的油气受到压缩,只有当压力增大到一定值时,压力控制阀才开启,油气进入活性炭罐。为了分析轿车加油排放,对加油过程简化假设如下。 (1)油箱内汽油蒸气A与空气B的混合物为理想气体。 (2)油气沿z向扩散,加油时间短,因此,油箱内汽油蒸气的蒸发扩散传质和扩散方向与无穷大时一致。 2 油面相对于气体空间的物质的量浓度a 安装车载油气回收系统时,油箱内汽油蒸气A在空气B中的扩散系数DAB为 DAB=D(ΤΤ0)1.75(Ρ0Ρ)(1)DAB=D(TT0)1.75(P0P)(1) 式中:T、P分别为油箱平均温度与油气的压力;D为在已知加油前初始温度与压力(T0、P0)下的汽油在空气中的扩散系数。 设F是油箱平均水平截面积;xAS、xA0分别是汽油蒸气A在加油前油气界面S和气体空间的摩尔分数;cAS、cA0分别是油气界面和气体空间汽油蒸气的物质的量浓度;c0是气体空间的油气的物质的量浓度;u0为油面上升速度;φ为摩尔平均速度。若加油过程,xA是气体空间汽油蒸气A的摩尔分数分布;MAS是从油面S蒸发的汽油蒸气A的物质的量;NA是油箱内汽油相对静止坐标系的自然扩散传质摩尔通量;t为加油时间,则有 xA=(xAS-xA0)1-erf(η-φ)1+erf(φ)+xA0(2)xA=(xAS?xA0)1?erf(η?φ)1+erf(φ)+xA0(2) ΜAS=2FcAS-cA01-xA0exp(-φ2)1+erf(φ)√DABtπ(3)MAS=2FcAS?cA01?xA0exp(?φ2)1+erf(φ)DABtπ????√(3) ΝA=[(cAS-cA0)1-erf(η/√4DAB-φ)1+erf(φ)+cA0]u0+cAS-cA01-xA0√DABtπexp(-η/√4DABt-φ2)1+erf(φ)(4)NA=[(cAS?cA0)1?erf(η/4DAB√?φ)1+erf(φ)+cA0]u0+cAS?cA01?xA0DABtπ????√exp(?η/4DABt√?φ2)1+erf(φ)(4) η=z-h-u0t√4DABt(5)η=z?h?u0t4DABt√(5) xAS-xA01-xA0=√πφ[1+erfxAS?xA01?xA0=π√φ[1+erf(φ)]exp(φ2) (6) 2.1 箱加油管体积相对加油量的确定 设Vt为加油时间t时的加油量;λ为活性炭罐