CN101468599A - 改进的具有新型吸附剂的蒸发排放控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及改进的具有新型吸附剂的蒸发排放控制系统，其中本发明的一个实施例包括车辆中的吸附炭罐和设在吸附炭罐中的具有近似线性的等温线的吸附剂。

Description

改进的具有新型吸附剂的蒸发排放控制系统
技术领域
本发明总体上涉及的领域包括用于混合动力车辆和非混合动力车辆蒸发排放控制的方法和系统，更具体地，涉及用于减少和防止来自这种车辆的油箱的蒸汽排放的方法和系统。
背景技术
汽油典型地包括从高挥发性的丁烷(C4)到低挥发性的碳氢化合物(C8-C10)在内的多种碳氢化合物的混合物。当在装填油箱过程中因蒸汽转移或环境温度较高引起油箱中的蒸汽压力变大时，燃料蒸汽会通过油箱中的开口流出。为了防止燃料蒸汽损耗在大气中，油箱上的开口朝向含有诸如活性碳颗粒或微粒这样的吸附材料的炭罐(公知为蒸发炭罐或吸附炭罐)内。蒸发炭罐是用于对由车辆燃料系统中携带的燃料所产生的燃料蒸汽的排放进行控制的系统的一部分。这些蒸发排放控制系统(“EVAP”系统)被用作燃料系统的附属系统。
当油箱已被装满时，燃料蒸汽积聚在炭罐中。这种燃料蒸汽是空气与汽油蒸汽(在本说明书中也指其主要成分，碳氢化合物蒸汽)的混合物。最初的输入可能出现炭罐的入口端，但是经过一段时间之后，燃料蒸汽逐渐地分布在整个吸附材料层上。当燃料蒸汽进入炭罐的入口时，碳氢化合物蒸汽被吸附在活性碳颗粒上，而空气则逃逸到大气中。炭罐的尺寸和活性碳吸附剂的容积被选定成能容纳预期要产生的汽油蒸汽量。
在发动机启动之后，控制系统利用发动机的进气真空抽入空气让其通过吸附剂以使燃料脱附出来。车辆发动机与EVAP系统之间的清洗阀打开，空气被抽入通过炭罐。空气将储存在吸附材料中的燃料蒸汽除去。脱附的燃料蒸汽被导入发动机的进气系统中，作为将消耗在正常燃烧过程中的二次空气/燃料混合物。
在同时具有内燃(IC)发动机和电动机的混合动力车辆中，在车辆运行期间，将近有一半时间IC发动机是关闭的。由于净化过程仅发生在IC发动机运行期间(此时脱附的蒸汽能消耗在发动机的燃烧过程中)，因此在混合动力车辆中，新鲜空气净化吸附剂炭罐的时间不到总时间的一半。但是混合动力车辆所产生的蒸发的燃料蒸汽量几乎与具有IC发动机的常规车辆所产生的量相同。因此，混合动力车辆的低净化率不足以将吸附的燃料清除出吸附炭罐。
发明内容
本发明的一个实施例包括车辆内的吸附炭罐和设在吸附炭罐中的吸附剂，所述吸附剂具有近似线性的等温线。
通过阅读在下文中给出的示例性实施例的详细描述，本发明的其它示例性实施例将变得显而易见。应理解：该详细描述和特定实例在说明本发明的示例性实施例的同时，期望被理解成仅仅是出于说明性目的的，而不希望被理解成是对本发明的范围的限制。
附图说明
通过下面的详细说明和附图，将能更彻底地理解本发明的示例性实施例。
图1示出了根据本发明的一个实施例的用于车辆的蒸发控制系统；
图2示出了根据本发明的一个实施例的用于车辆的蒸发控制系统；
图3示出了根据本发明的一个实施例的用于车辆的蒸发控制系统；
图4示出了活性碳和具有近似线性或线性等温线的吸附剂的等温线；
图5示出了活性碳和具有近似线性或线性等温线的吸附剂的清除碳氢化合物的能力；
图6示出了活性碳和具有近似线性或线性等温线的吸附剂的碳氢化合物的存储能力；
图7是包含根据本发明的一个实施例的蒸发控制系统的车辆的视图。
具体实施方式
对实施例的下列描述实质上仅仅是示例性的，并不希望以任何方式对本发明及其应用或使用造成限制。
根据本发明的一个实施例，吸附炭罐被设在车辆中。蒸发的燃料蒸汽(主要发生在白天和加油的时候)被储存在吸附炭罐中，在吸附炭罐中，吸附剂从燃料蒸汽中捕获碳氢化合物。用空气将蒸发的燃料蒸汽清除出吸附炭罐，蒸发的燃料蒸汽随后消耗在发动机的燃烧过程中。具有近似线性的等温线的吸附剂被设在吸附炭罐中。在本文中，术语“近似线性的等温线”指：在给定温度下(例如在图4中为25℃)，对于在0-0.5个大气压之间变化的审前压力，给定容积的吸附材料中吸附的蒸汽量相对于直线的偏移量不超过40％。例如在白天，典型的车辆中产生的燃料蒸汽可以大约为30g/天；在加油时，每次装满所产生的燃料蒸汽可以约为80g；而对于行进过程中的损耗，每个行程所产生的燃料蒸汽可以约为10g。
现在参见图1，示出了根据本发明的一个实施例的蒸发控制系统10，其用于包括IC发动机12和电动机(未示出)的混合动力车辆。混合动力车辆结合使用以汽油为燃料的IC发动机和电动机以提供燃料经济性得到提高的混合动力系。频繁的开/关发动机的操作导致混合动力车辆具有小得多的炭罐净化空气体积。由于IC发动机将近有一半时间不工作，因此在车辆运行期间，新鲜空气净化炭罐的时间不到总时间的一半。在一个实施例中，IC发动机由控制器14控制。控制器14可以是单独的控制器，或者可以形成为发动机控制模块(ECM)、动力系控制模块(PCM)或其它车辆控制器的一部分。在不同的实施例中，IC发动机12可以燃烧汽油、乙醇或其它的挥发性碳氢化合物类燃料。
当IC发动机12启动时，控制器14可以接收来自一个或多个发动机传感器、传动控制设备、和/或排放控制设备的信号。从发动机12到控制器14的线16示意性地描绘了传感器信号的流动。在IC发动机12的运行期间，通过燃料泵(未示出)将汽油从油箱18经由燃料管道(未示出)输送到燃料轨道(未示出)。燃料喷射器(未示出)将汽油喷射到IC发动机12的汽缸中或喷射到供应汽缸组的端口。燃料喷射器的正时和操作以及燃料的喷射量由控制器14控制。
油箱18典型地为仅有第一通风管20的封闭式容器。油箱18通常是由吹塑的高密度聚乙烯制成，其配有一个或多个不容汽油渗透的内层。油箱18与加油管22相连。气帽24封闭加油管22的充气端26。加油管22的输出端28位于油箱18的内部。单向阀30防止汽油32溅出加油管22。用34指示汽油的上表面。浮子式燃料水平指示器36向控制器14提供燃料水平信号38。在不同的实施例中，压力传感器40和温度传感器42可选择地向控制器14提供压力和温度信号44和46。
油箱18包括从油箱18上的密封件48延伸到炭罐50的第一通风管20。油箱18内的浮阀52防止液态汽油进入蒸汽的第一通风管20。燃料蒸汽的压力随着汽油温度的升高而升高。蒸汽在压力作用下流过第一通风管20到达炭罐50的蒸汽入口。蒸汽进入炭罐的蒸汽入口54，流过保持构件(未示出)，然后扩散到炭罐50中。炭罐50容纳有吸附材料56，所述吸附材料56具有近似线性或线性的等温线。吸附材料56可以是弱吸附材料，可以具有较高的饱和容量(例如大于20g/100CC)，具有较大的孔隙体积(例如大于600立方厘米(cc)/升，而活性碳的孔隙体积仅为400cc/升)，可以具有略为有利的等温线(例如近似线性等温线，而活性碳的等温线为高度非线性的)，且可以具有较低的相互作用能(例如不到碳的相互作用能的一半)。
炭罐50可以由任何一种合适的材料制成，例如模制而成的热塑性聚合物，诸如尼龙。在一个实施例中，炭罐50可以具有由垂直内墙64和水平内墙92限定出的独立的吸附材料56的腔室。壁64和92可以是多孔的以允许蒸汽通过。蒸汽可以通过所有的吸附材料56的腔室，而空气通过炭罐50顶部上的第一通风口68离开。在清除吸附材料56所吸附的燃料蒸汽的过程中，第一通风口68还用作经过保持构件(未示出)的空气流的入口。在炭罐50的顶部上形成有净化出口70，净化空气和清除出的燃料蒸汽流可通过该出口离开炭罐50。
可以将第二通风管72和电磁通风阀74连接到通风口68。如图所示那样，通风阀74通常是打开的，但是在电磁线圈76得到激励时，电磁线圈76移动塞子78将第二通风口80盖住。控制器14通过信号引线79来激励电磁线圈76。通常，关闭通风阀74仅仅是为了进行诊断。当空气/燃料混合物离开油箱18、经过第一通风管20和炭罐蒸汽入口54进入炭罐50时，燃料蒸汽将被吸附在炭罐中的吸附材料56上。当通风阀74处于打开状态且吸附材料56对蒸汽的吸附已经达到饱和时，蒸汽将在第一通风出口68处伴随空气一起离开炭罐，随后流过第二通风管72和打开的电磁阀74。
净化出口70通过净化管82，经过电磁清洗阀84与IC发动机12相连。清洗阀84包括电磁线圈86和选择地封闭第三通风口90的塞子88。当IC发动机12正在运转且能够接纳从炭罐50中抽来的饱含燃料的空气流时，控制器14通过信号引线91对清洗阀84进行操作。当发动机正在运行时，控制器14打开清洗阀84以允许经过通风阀74抽入空气。空气流过第二通风管72，然后进入通风口68。在炭罐50中，空气变得饱含脱附出的燃料蒸汽，并离开净化出口70。饱含燃料的空气通过净化管82和清洗阀84被抽入发动机12中。
现在参考图2，在另一个实施例中，可选的容纳有碳材料98的涤气器95被耦联到第一通风口68。碳材料98可以是例如活性碳纤维材料或整块的碳。涤气器可以由任何合适的材料制成，例如模制的热塑聚合物，诸如尼龙或聚碳酸酯。离开炭罐50的空气可以流过该涤气器。碳材料98吸收包含在空气中的排放物。涤气器95在远离炭罐50的另一端处通过第三通风口96连接到第二通风管72和电磁通风阀74。
在图2所示的实施例中，当空气/燃料混合物离开油箱18、经过第一通风管20和炭罐蒸汽入口54流入炭罐50时，蒸汽中的碳氢化合物被炭罐50中的吸附材料56吸附。诸如丁烷和戊烷这样的分子量较低的碳氢化合物因为具有较小的尺寸和较强的挥发性，可能会作为流失的排放物而损失掉。流过第一通风口68的空气和流失的排放物流过涤气炭罐95，其中流失的排放物在涤气炭罐中被碳材料98吸附。
在本发明的包括可选的涤气器95的一个实施例中，在混合动力车辆的IC发动机12正在运行的同时，抽入净化空气让其通过涤气器95以将脱附的蒸汽抽入发动机12中用于燃烧。在净化过程中，控制器14打开清洗阀84以允许经过通风阀74抽入空气。空气流过第二通风管72、涤气器95、第一通风口68和炭罐50。换句话说，抽入空气让其通过碳材料98和吸附材料56。空气变得饱含脱附的碳氢化合物，然后经净化出口70离开。饱含燃料的空气经过净化管路82和清洗阀84被抽入IC发动机12中。
现在参考图3，在另一个实施例中，被动式净化系统提供一种用于控制排放的简单、廉价的方法。在发动机没有工作时，例如在车辆被停放时，车辆油箱温度降低，油箱18内的压力降低。油箱压力的降低是因气相热收缩和油箱内的燃料的蒸汽压力下降引起的。油箱压力的下降导致一些空气从炭罐50流入油箱，这引起炭罐的反向清洗。反向清洗出的碳氢化合物会在油箱内凝聚。炭罐的反向清洗量可能取决于炭罐中的蒸汽量、油箱的蒸汽空间容积、油箱的雷德蒸汽压(RVP)以及油箱温度的下降量。当环境温度上升时，油箱18可能会将燃料蒸汽排出，这些燃料蒸汽随后被存储在炭罐50中。
被动净化可以实现对部分排放物的控制，例如约50％的排放物。由于在使用同样数量的净化空气的情况下增加了反向清洗出的蒸汽数量，因此吸附材料56可以提高被动净化的效率。这种被动式炭罐净化可以被用在例如割草机的发动机和不具有任何蒸汽排放控制系统的非道路用娱乐车辆中。
由于使用吸附材料56可以使炭罐的尺寸减少50％以上并使净化空气流的需要量减少75％以上，因此，吸附材料56可以使蒸汽排放控制系统得到改善。吸附剂的吸附/脱附和加载/净化特性可以用它的等温线来描述。吸附材料56具有近似线性或线性等温线。
现在参考图4，给出了常用吸附剂(活性碳)和吸附材料56的等温线。由于吸附材料56具有近似线性或线性的等温线，因此，在恒定的温度下，随着吸附燃料蒸汽的局部压力变大，吸附材料所能吸附的燃料蒸汽量也变大。吸附材料56可以例如采用从Engelhard公司(Iselin，NewJersey)购买的Sorbead H。Sorbead H是一种成形为坚硬的球形珠子的铝矽酸盐凝胶。Sorbead H包括97％重量的SiO2和3％重量的Al2O3。Sorbead H的表面积为750m2/g；孔隙体积为0.5cm3/g；包装后的容积密度为441b/ft3；抗压强度>200N；损耗率<0.05％重量。符合吸附材料56的特性的吸附剂还可以从其他公司(诸如AirProducts)购买到。
吸附材料56可以具有下列性质中的一部分或全部：高孔隙体积；对于碳氢化合物具有较低的相互作用能；高饱和容量；弱吸附性；以及近似线性或线性的等温线，这种等温线略为有利些。由于这些性质，吸附材料56易于净化，并产生非常少的残余物(heel)或不产生残余物，这些残余物是留在吸附剂上并需要使用大量净化空气来清除的残留的碳氢化合物。净化空气体积的减少可以改善例如混合动力车辆中的发动机的空气/燃料的控制问题，在混合动力车辆中，发动机的开-关操作导致它要在净化减弱的状态下运行。
数学模型被用来预测具有吸附材料56的炭罐在车辆蒸发排放控制方面的性能。现在参见图4，比较了活性碳和吸附材料56对碳氢化合物的存储能力。现在参见图5，比较了活性碳和吸附材料56的清除碳氢化合物的能力。活性碳上形成了残余物，但是使用吸附材料56会积累很少的残余物或者无残余物积累。因此，就吸附材料56而言，典型的车辆蒸发系统所需要的吸附剂炭罐的体积非常小，例如为800cc，而活性碳需要的炭罐体积为1850cc。例如，对于15加仑的油箱而言，在炭罐中有800cc的Sorbead H可足够吸附来自油箱的排放物。在图6中，通过加载含有50％空气的丁烷直至漏出2g丁烷，比较了相同两种吸附炭罐的吸附特性或蒸汽储存特征。两种吸附剂都吸附了大约相等数量的蒸汽。然而，如图5所示，具有吸附材料56的吸附剂炭罐的非常迅速，且清除100g丁烷使用了不到4立方英尺的空气。具有活性碳的吸附剂炭罐的净化比较缓慢，且清除100g丁烷需要超过15立方英尺的净化空气。
现在参见图7，在一个实施例中，蒸发排放控制系统被用在车辆100中。蒸发排放控制系统包括通过第一通风管20与炭罐56相连的油箱18，炭罐56通过净化管82和第二通风管72与IC发动机12相连。在一个实施例中，车辆100为混合动力车辆。在另一个实施例中，车辆100为准零尾气排放汽车(PZEV)。在又一个实施例中，车辆100为常规的汽油车。
本发明实施例的上述描述实质上仅为示例性的，因此，不应认为它们的变型脱离了本发明的精神和范围。

Claims (18)

1.一种用于车辆的蒸发排放控制系统，包括：
用于储存挥发性燃料的油箱；
具有进气系统的发动机；
至少一个包含有吸附材料的炭罐，其中吸附材料具有近似线性的等温线；
炭罐上的蒸汽入口，其与油箱耦联；
炭罐上的净化出口，其与进气系统耦联；
炭罐上的通风孔；
其中，吸附材料在发动机不工作时吸附燃料蒸汽，在发动机工作时脱附燃料蒸汽。
2.如权利要求1所述的用于车辆的蒸发排放控制系统，其中：
吸附材料基本上由含97％重量的SiO2和3％重量的Al2O3的铝矽酸盐凝胶构成。
3.如权利要求1所述的用于车辆的蒸发排放控制系统，其中：
发动机与混合动力系形成一体。
4.如权利要求1所述的用于车辆的蒸发排放控制系统，其中：
炭罐具有约800cc至约1200cc的容积。
5.如权利要求1所述的用于车辆的蒸发排放控制系统，还包括：
与通风孔耦联的涤气器。
6.如权利要求1所述的用于车辆的蒸发排放控制系统，其中：
吸附材料的表面积至少为750m2/g。
7.如权利要求1所述的用于车辆的蒸发排放控制系统，其中：
吸附材料的孔隙体积至少为0.5cm3/g.
8.如权利要求1所述的用于车辆的蒸发排放控制系统，其中：
吸附材料的损耗率小于0.05％重量。
9.一种用于减少车辆蒸发排放控制系统对净化空气流的需要量的方法，包括：
将挥发性燃料储存在油箱中；
提供至少一个含有吸附材料的炭罐，其中吸附材料具有近似线性的等温线；
将炭罐的蒸汽入口与油箱耦联；
将炭罐的净化出口与车辆发动机的进气系统耦联；
在发动机不工作时，用吸附材料吸附燃料蒸汽；以及
在发动机工作时，使吸附材料上的燃料蒸汽脱附。
10.如权利要求9所述的用于减少车辆蒸发排放控制系统对净化空气流的需要量的方法，还包括：
将涤气器耦联到炭罐的通风孔；以及使蒸汽排放控制系统朝向涤气器排气。
11.如权利要求9所述的用于减少车辆蒸发排放控制系统对净化空气流的需要量的方法，其中：
炭罐具有约800cc至约1200cc的容积。
12.如权利要求9所述的用于减少车辆蒸发排放控制系统对净化空气流的需要量的方法，其中：
吸附材料基本上由含97％重量的SiO2和3％重量的Al2O3的铝矽酸盐凝胶构成。
13.如权利要求9所述的用于减少车辆蒸发排放控制系统对净化空气流的需要量的方法，其中：
发动机与混合动力系形成一体。
14.一种包括有内燃发动机和电动机的混合动力车辆，该混合动力车辆还包括：
用于储存挥发性燃料的油箱；
具有进气系统的发动机；
至少一个含有吸附材料的炭罐，其中吸附材料具有近似线性的等温线；
与油箱耦联的蒸汽入口；
与进气系统耦联的净化出口；
炭罐上的通风孔；
其中，吸附材料在发动机不工作时吸附燃料蒸汽，在发动机工作时脱附燃料蒸汽。
15.如权利要求14所述的混合动力车辆，其中：
吸附材料基本上由含97％重量的SiO2和3％重量的Al2O3的铝矽酸盐凝胶构成。
16.如权利要求14所述的混合动力车辆，其中：
炭罐具有约800cc至约1200cc的容积。
17.如权利要求14所述的混合动力车辆，还包括：
与通风孔耦联的涤气器。
18.一种用于对车辆中的蒸汽排放进行控制的方法，包括：
将挥发性燃料储存在油箱中；
提供至少一个含有吸附材料的炭罐，其中吸附材料具有近似线性的等温线；
将炭罐的蒸汽入口与油箱耦联；
将蒸汽清除出炭罐使之返回到油箱中，其中在油箱温度下降时，油箱将空气抽离炭罐；以及
在油箱温度上升时，将蒸汽排出油箱使之进入炭罐。
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