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文丘里管在炭罐脱附回路中的应用

2018年05月14日

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背景

pc幸运28目前燃油汽车污染除尾气污染外,燃油箱所产生的油蒸汽也会被排放到大气中(以HC为主),对人体健康造成较大危害。随着近年来中国汽车总保有量的迅速增长,国家对机动车辆排放的规定也愈加严格。国家环保局出台的”轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)”对蒸发污染物排放提出更高的要求。

为满足蒸发排放法规,势必要提高炭罐系统的吸附和脱附能力。目前比较普遍的脱附方法为:从炭罐阀连接一条回路至进气歧管内,利用歧管内的负压从炭罐抽取油气; 但是对于增压发动机而言,增压器工作时所产生的正压会阻止油气抽取,导致炭罐的冲洗量减小;为此,需要额外增加一条带文丘里管的回路,在增压器工作时文丘里管能够借助正压来对炭罐进行冲洗。

pc幸运28目前大多数整车厂对文丘里管的匹配采用选型的方法,即根据目前市场上已经存在的文丘里管,安装后在整车上进行测试,测量脱附量,从而确定选用哪一种文丘里管,这种方法相对简单,但最终结果取决于备选方案与最佳方案的接近程度,最终的方案并非对该发动机和车辆最优的方案。本文结合发动机工况和文丘里管的性能,对碳罐冲洗量的计算方法进行了研究,提出了文丘里回路的正向开发方法,即根据特定的发动机和车辆设计开发最合适的文丘里管参数,即满足冲洗要求,又尽量减少增压后气体的释放。

1.IV型(蒸发污染物排放试验)试验
1.1 国六蒸发污染物排放测试规程

如表1所示,国六对于蒸发污染物排放测试的规定中,将汽油车(含混合动力汽车以及汽油和NG,汽油和LOG两用燃料车)分为:整体控制系统、非整体控制系统、非整体仅控制加油排放炭罐系统三类,其中整体控制系统和非整体控制系统的测试方法相同,这两种控制系统都有脱附回路控制蒸发污染物,仅在控制回路形式上有所区别。

表1国六对IV型试验车辆的分类

pc幸运28其中,装备整体炭罐、非整体炭罐系统(NIRCO除外)汽车的测试规程(见图1),可以分为三个阶段:1)浸车阶段(炭罐满载);2)预处理阶段(冲洗脱附);3)排放试验。

图1装备整体炭罐、非整体炭罐系统(NIRCO除外)汽车的蒸发污染物排放测试规程

pc幸运28浸车阶段先使炭罐满载,然后通过高温行驶对炭罐脱附处理,最后,进行排放试验。从流程可知,如果要在试验上通过,就必须保证在预处理阶段炭罐脱附的油气越多越好。

1.2 国六和国五蒸发污染物排放试验对比

如表2所示,相比国五的限值要求(小于2.00g/test),国六在排放限值上有明显的加严,并且对不同类型车辆的限值也进行了细分(其中1760kg以上车型也要控制在1.20g/test以内);测试前,在炭罐预处理方法上,国五脱附为3个I型实验(NEDC循环),国六在脱附阶段采用WLTC循环+8分钟怠速工况,并要求记录每秒的脱附速率和总脱附量;此外,国六增加了蒸发排放耐久性要求:排放耐久性要求是160000公里。

从总体上看,国六的蒸发污染物排放要求无论是限值还是和脱附能力上都远高于国五,可以推测:如果要满足国六的要求,需在进行热浸试验前,在预处理阶段尽量从炭罐脱附更多的油气。

2. 炭罐冲洗回路介绍
2.1冲洗回路的基本原理

国五前常用的炭罐冲洗回路为:从炭罐阀接一条回路到节气门体后,利用歧管内的负压吸取油气,如图2.a所示,当进气岐管内压力Pm<环境压力Pa时,炭罐中的油气被吸至进气岐管中,达到清洗炭罐的目的。

pc幸运28对于增压发动机而言,如图2.b所示,当发动机怠速工作或歧管内产生负压时,进气岐管内压力Pm<环境压力Pa,与常规的低压冲洗回路一致,炭罐中的油气被吸至进气岐管中。该冲洗方式称为负压脱附, 由绿色箭头代表其冲洗路径;

如图2.c所示,增压器工作时,进气岐管压力Pm>环境压力Pa,油气无法从负压回路中流通,此时,增压后压力Pc>增压前压力Pt,文丘里管利用压前和压后的压差(Boost Pressure=Pc-Pt)将油气吸入
空滤出口。该冲洗方式称为正压脱附,由红色箭头表示其冲洗路径。

目前,自然吸气发动机通过低压脱附的冲洗量通常已经能够满足要求;但是对于增压发动机来讲,尤其是小排量发动机,受到增压器以及排量的限制,仅依靠低压脱附很难满足要求。国外高端车或经常爬坡的车辆大多采用增加一条回路来加大冲洗量,并结合文丘里管来增加高压脱附量。双管路加文丘里管是目前解决中小排量增压发动机碳罐冲洗问题的方法之一,那么,如何选择一个合适的文丘里管,既能增加高压冲洗量又不影响增压性能呢?下面进行更进一步介绍。

2.2文丘里管介绍
2.2.1文丘里管基本原理

pc幸运28文丘里效应是指当气体或者液体在文丘里管里面流动,在管道的最窄处,动态压力达到最大值,静态压力达到最小值,气体或液体的速度因为流通截面面积减小而上升。整个涌流都要在同一时间内经历管道缩小的过程,因为压力也在同一时间减小,进而产生压力差,这个压力差会在喉管处提供一个外来吸力。

pc幸运28在正压冲洗回路中,当文丘里管连接增压发动机的压前和压后时会产生吸力,借助这个吸力可以把炭罐中的油气吸进至空滤出口,达到冲洗炭罐的目的。

 

2.2.2文丘里管性能参数

通常,文丘里管的厂家会给出每种文丘里管的压差与吸气流量的关系曲线,如图4所示,但该数据通常只能作为评价文丘里管性能的参数,并不能代表真实的脱附量,对于整车厂或发动机系统匹配供应商来说,文丘里可以实现的吸气真空度才是更有价值的数据。

如图5,6所示,定义:文丘里管内吸气真空度为V;从节气门前抽走的空气流量为Q;以同一系列文丘里管为例,比较三种不同参数的文丘里管性能:

pc幸运281)从压强—吸取真空度曲线上看:管1的真空度大于管2和管3,这说明,如果将这三种文丘里管应用到同一发动机时,文丘里管1从从炭罐阀吸附的流量最大。

pc幸运282)从压强—损耗流量曲线上看:管2的损耗的流量最小,这说明,如果将这三种文丘里管应用到同一发动机时,文丘里管2在高压冲洗时从节气门前抽取的进气空气最少。

pc幸运28由以上两种曲线的趋势可知:在增加从炭罐吸入气体流量的同时,进气量损耗也相应增加。那么,在选择文丘里管时如何平衡这两个参数,需要结合发动机工况来做选择:当发动机高压冲洗量不足时,可以选择流量更大的文丘里管;当发动机高压冲洗量较多时,可以牺牲部分冲洗量,选择损耗小的文丘里管。因此只有“合适”的文丘里管,而不应该是“好”的文丘里管,因此根据特定车型进行“合适”的文丘里管开发才能达到最经济的效果。

3炭罐冲洗案例分析

在WLTC循环中,碳罐冲洗并非全程进行,必须注意以下条件:
1)发动机水温超过一定阈值(一般50度以上开启);
2)碳罐冲洗和自学习交替进行(一般自学习学习稳定后可以更多地进行碳罐冲洗);
3)发动机断油及断油后的清氧阶段需要屏蔽碳罐冲洗;
4)催化器或氧传感器诊断过程需要屏蔽碳罐冲洗;

是否进入冲洗是通过发动机ECU来驱动碳罐阀的开关来控制的,在负压冲洗阶段(怠速和负压非怠速工况),碳罐阀并非全开,通过占空比控制来调节碳罐阀的开启大小,从而保证发动机的燃烧稳定性。在正压冲洗阶段,碳罐阀通常是全开的,此时发动机通常在中高速大负荷,因此需要高流量脱附。

无论是正压冲洗还是负压冲洗,碳罐阀的流量特性是个关键因素,即碳罐阀两端压差所形成的流量,两端压差和流量具有函数关系,通常碳罐阀厂家会提供全开状态的压差和流量曲线,如图7。碳罐阀通常会有最大冲洗量上限,即使再提高压差,冲洗量也不会超过这个上限。

因此,无论是正压脱附还是负压脱附,在碳罐阀连接文丘里或进气歧管端的真空度是决定整个系统脱附量大小的关键,有了脱附真空度,可以根据碳罐阀的特性曲线和开度来计算出实际的脱附流量。

3.1 预处理循环中参数选取

以某一款1.5T发动机为例,图8.a是车辆在进行WLTC循环中,车速与增压前后压差的关系,文丘里管冲洗流量是以压强驱动,这里为了估算冲洗量,暂不考虑其他参数的影响,以循环中的压强分布为样
pc幸运28 本,按照范围统计压强在预处理行驶中出现的概率。

从分布概率上(图8.b),可以看出在低压区域的分布点比例最高,但此时驱动的压强较小,真空度低,且考虑单向阀开启压力的影响,可能此段对冲洗量的贡献并不高; 在中压段占比较高,考虑到其真空度比较大,预估对整个循环的冲洗量贡献可观; 在高压段,整体占比非常小,且受限于炭罐阀流量上限的影响,预估可能冲洗量有限。

3.2 正压冲洗条件筛选和冲洗量计算

在得到了压强分布概率之后,还应考虑碳罐阀打开的条件以及是否是正压冲洗。
对于是否是正压冲洗,需要考虑以下因素:1)炭罐阀必须满足开启条件;2.非怠速; 3. 文丘里管两端处于正压状态(且大于单向阀开启压力)。

pc幸运28下图9是正压冲洗条件的判断流程:

3.3 冲洗量预估与文丘里管的选择

结合预处理行驶中的碳罐冲洗条件,正压冲洗条件,并结合碳罐阀(假设碳罐阀最大流量为100L/min,流量稳定点为200hPa)以及文丘里管本身的特性曲线,可以估算出这款发动机选用不同参数的文丘
里管(见2.2.2)在预处理中的总冲洗量:

1)负压冲洗量预估:a,8分钟怠速冲洗量根据这辆试验车上的测试数据,估算大约为104L(假设怠速时碳罐阀开度为20%,其中6min可用于碳罐冲洗)。b,负压回路非怠速冲洗量估算大约为120L(假设扣除水温较低,前氧闭环自学习,诊断,断油,高压回路冲洗等时间后)。怠速冲洗和低压回路非怠速冲洗通常是比较好估测的,可以根据经验估算,但需要考虑碳罐阀的流量曲线、开度等因素。为了更加准确,也可以在不安装文丘里管的情况下,跑一次WLTC循环测量低压回路的冲洗量。

2)正压冲洗量预估:根据图8.a的压差点图进行统计分析,如果要更加准确的计算结果,可以在某一压差下,查找文丘里管的压差—真空度曲线(见图5),找到该压差对应的真空度,再根据碳罐阀的流量特性,查找该真空度情况下的碳罐阀流量,从而得到这一工况下的脱附流量,理论上得到每一压差下的脱附流量,计算积分即可得到正压回路冲洗量。

3)结果分析:以2.2.2中的三种参数的文丘里管为例,1个WLTC循环+8分钟怠速循环中,正压冲洗回路的冲洗量,管1为74L冲洗量量最大,管2冲洗量最小为46L,管3为55L。

如表3所示,由于低压冲洗回路不变(即负压回路冲洗量相同),仅需比较三种参数文丘里管的正压冲洗量以及损耗的进气量即可。可以根据总冲洗量和进气损耗量的值选择合适的管路。例如:

a.假设预处理阶段冲洗量目标为250L ,如果选择管1冲洗量已满足要求,但相比于管2和管3损耗过大; 管2冲洗量仅高于允许值8%,比较危险;管3的冲洗量介于管1和管2之间,高于目标12%,且损耗进气量也比较小,管3为最合适的选择。

b.假设预处理阶段冲洗量目标为300L, 仅管1能满足要求,且略低于目标可以考虑,增大炭罐阀流量、选用真空度更高的管道或增大管径等方法。

pc幸运28c.假设预处理阶段冲洗量目标为200L,三个管道都能满足目标,可以考虑减少管径或者选用更低冲洗量的文丘里管等。

总结

1.由于炭罐阀开启策略受到开启温度,断油,自学习等因素的影响,正压冲洗回路的优先级较低,目前对于增压发动机冲洗量验证,通常是按照经验选择一款文丘里管在试验之后,验证冲洗量是否合格,如果不合格需要去调整炭罐阀开启的时间,温度等方法;这种类似于逆向的开发方式,可能会需要多次的试验调节;如果合格,也有可能文丘里管的冲洗量满足,但是消耗过多的进气空气,影响发动机性能。

2.不同的发动机在压力范围上的分布都会有所不同,针对不同的发动机数据来正向选择文丘里管有以下优势:

pc幸运28a.当第一次试验选择的文丘里管已接近目标时,可以通过计算更换一个抽气量更大的文丘里管来达到目标,不需要再调整炭罐控制:

b.当炭罐阀确定,文丘里管管道尺寸确定,同一款文丘里管冲洗量会有一个上限值,如果优化到极限值也无法达到冲洗目的,可以作为是否更换炭罐阀的参考依据;

pc幸运28c.在目标已经达标时,可以选择流量接近但抽取效率更高的设计来提高进气的稳定性。

篇外话

国六法规的实施,导致发动机周边一些塑料件需要考虑一些新的功能,或者新增一些零件来满足法规的要求,文丘里管属于新增零件,此产品并不具有非常复杂的结构,但也并非简单的选型,在设计中需要对流体动力学和发动机标定有深入的了解。

pc幸运28上海pc幸运28主要业务是动力总成周边功能新塑料件的开发,而且始终致力于新技术的升级和新产品的研发,这篇文章的主要目的是对文丘里管的开发方法以及相关联的发动机方面的基本知识进行阐述,希望对文丘里管及连带产品有需求和兴趣的朋友有所帮助,也欢迎来信或来电联系相关业务。

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