專利名稱:改進的具有新型吸附劑的蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明總體上涉及的領(lǐng)域包括用于混合動力車輛和非混合動力車 輛蒸發(fā)排放控制的方法和系統(tǒng),更具體地,涉及用于減少和防止來自 這種車輛的油箱的蒸汽排放的方法和系統(tǒng).
背景技術(shù):
汽油典型地包括從高揮發(fā)性的丁烷(c,)到低揮發(fā)性的碳氫化合物
(C8-Clfl)在內(nèi)的多種碳氫化合物的混合物,當(dāng)在裝填油箱過程中因蒸
汽轉(zhuǎn)移或環(huán)境溫度較高引起油箱中的蒸汽壓力變大時,燃料蒸汽會通 過油箱中的開口流出.為了防止燃料蒸汽損耗在大氣中,油箱上的開 口朝向含有諸如活性碳顆?;蛭⒘_@樣的吸附材料的炭罐(公知為蒸
發(fā)炭罐或吸附炭罐)內(nèi)。蒸發(fā)炭罐是用于對由車輛燃料系統(tǒng)中攜帶的 燃料所產(chǎn)生的燃料蒸汽的排放進行控制的系統(tǒng)的一部分.這些蒸發(fā)排
放控制系統(tǒng)("BVAP"系統(tǒng))被用作燃料系統(tǒng)的附屬系統(tǒng).
當(dāng)油箱已被裝滿時,燃料蒸汽積聚在炭罐中.這種燃料蒸汽是空 氣與汽油蒸汽(在本說明書中也指其主要成分,碳氫化合物蒸汽)的 混合物。最初的輸入可能出現(xiàn)炭罐的入口端,但是經(jīng)過一段時間之后, 燃料蒸汽逐漸地分布在整個吸附材料層上.當(dāng)燃料蒸汽進入炭罐的入 口時,碳氫化合物蒸汽被吸附在活性碳顆粒上,而空氣則逃逸到大氣 中.炭罐的尺寸和活性碳吸附劑的容積被選定成能容納預(yù)期要產(chǎn)生的 汽油蒸汽量。
在發(fā)動機啟動之后,控制系統(tǒng)利用發(fā)動機的進氣真空抽入空氣讓 其通過吸附劑以使燃料脫附出來。車輛發(fā)動機與EVAP系統(tǒng)之間的清洗 閥打開,空氣被抽入通過炭罐.空氣將儲存在吸附材料中的燃料蒸汽 除去.脫附的燃料蒸汽被導(dǎo)入發(fā)動機的進氣系統(tǒng)中,作為將消耗在正 常燃燒過程中的二次空氣/燃料混合物。
在同時具有內(nèi)燃UC)發(fā)動機和電動機的混合動力車輛中,在車 輛運行期間,將近有一半時間IC發(fā)動機是關(guān)閉的.由于凈化過程僅發(fā) 生在IC發(fā)動機運行期間(此時脫附的蒸汽能消耗在發(fā)動機的燃燒過程中),因此在混合動力車輛中,新鮮空氣凈化吸附劑炭罐的時間不到 總時間的一半。但是混合動力車輛所產(chǎn)生的蒸發(fā)的燃料蒸汽量幾乎與
具有ic發(fā)動機的常規(guī)車輛所產(chǎn)生的量相同.因此,混合動力車輛的低
凈化率不足以將吸附的燃料清除出吸附炭罐.
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個實施例包括車輛內(nèi)的吸附炭罐和設(shè)在吸附炭罐中的 吸附劑,所述吸附劑具有近似線性的等溫線。
通過閱讀在下文中給出的示例性實施例的詳細描述,本發(fā)明的其
它示例性實施例將變得顯而易見.應(yīng)理解該詳細描述和特定實例在 說明本發(fā)明的示例性實施例的同時,期望被理解成僅僅是出于說明性 目的的,而不希望被理解成是對本發(fā)明的范圍的限制.
通過下面的詳細說明和附圖,將能更徹底地理解本發(fā)明的示例性 實施例.
圖l示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于車輛的蒸發(fā)控制系統(tǒng); 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于車輛的蒸發(fā)控制系統(tǒng); 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于牟輛的蒸發(fā)控制系統(tǒng); 圖4示出了活性碳和具有近似線性或線性等溫線的吸附劑的等溫
線;
圖5示出了活性碳和具有近似線性或線性等溫線的吸附劑的清除 碳氬化合物的能力;
圖6示出了活性碳和具有近似線性或線性等溫線的吸附刑的碳氫 化合物的存儲能力;
圖7是包含根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的蒸發(fā)控制系統(tǒng)的車輛的視圖.
具體實施例方式
對實施例的下列描述實質(zhì)上僅僅是示例性的,并不希望以任何方 式對本發(fā)明及其應(yīng)用或使用造成限制.
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例,吸附炭罐被設(shè)在車輛中.蒸發(fā)的燃料蒸汽(主要發(fā)生在白天和加油的時候)被儲存在吸附炭罐中,在吸附 炭罐中,吸附刑從燃料蒸汽中捕獲碳氫化合物.用空氣將蒸發(fā)的燃料 蒸汽清除出吸附炭罐,蒸發(fā)的燃料蒸汽隨后消耗在發(fā)動機的燃燒過程 中.具有近似線性的等溫線的吸附劑被設(shè)在吸附炭罐中.在本文中,
術(shù)語"近似線性的等溫線"指在給定溫度下(例如在圖4中為25TC ), 對于在0-0. 5個大氣壓之間變化的審前壓力,給定容積的吸附材料中 吸附的蒸汽量相對于直線的偏移量不超過40%。例如在白天,典型的車 輛中產(chǎn)生的燃料蒸汽可以大約為30g/天;在加油時,每次裝滿所產(chǎn)生 的燃料蒸汽可以約為80g;而對于行進過程中的損耗,每個行程所產(chǎn)生 的燃料蒸汽可以約為10g。
現(xiàn)在參見圖1,示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的蒸發(fā)控制系統(tǒng) 10,其用于包括IC發(fā)動機12和電動機(未示出)的混合動力車輛。
經(jīng)濟性得到提高的混合動力系。^繁的開/關(guān)發(fā)動機的操作導(dǎo)致混;動 力車輛具有小得多的炭罐凈化空氣體積。由于IC發(fā)動機將近有一半時 間不工作,因此在車輛運行期間,新鮮空氣凈化炭罐的時間不到總時 間的一半。在一個實施例中,IC發(fā)動機由控制器14控制.控制器14 可以是單獨的控制器,或者可以形成為發(fā)動機控制模塊(ECM)、動力 系控制模塊(PCM)或其它車輛控制器的一部分,在不同的實施例中, IC發(fā)動機12可以燃燒汽油、乙醇或其它的揮發(fā)性碳氫化合物類燃料。
當(dāng)IC發(fā)動機12啟動時,控制器14可以接收來自一個或多個發(fā)動 機傳感器、傳動控制設(shè)備、和/或排放控制設(shè)備的信號。從發(fā)動機12 到控制器14的線16示意性地描繪了傳感器信號的流動.在IC發(fā)動機 12的運行期間,通過燃料泵(未示出)將汽油從油箱18經(jīng)由燃料管道 (未示出)輸送到燃料軌道(未示出).燃料噴射器(未示出)將汽 油噴射到IC發(fā)動機12的汽缸中或噴射到供應(yīng)汽缸組的端口.燃料噴 射器的正時和操作以及燃料的噴射量由控制器14控制.
油箱18典型地為僅有笫一通風(fēng)管20的封閉式容器.油箱18通常 是由吹塑的高密度聚乙烯制成,其配有一個或多個不容汽油滲透的內(nèi) 層.油箱18與加油管22相連.氣帽24封閉加油管22的充氣端26. 加油管22的輸出端28位于油箱18的內(nèi)部.單向閥30防止汽油32濺 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
7控制器14提供燃料水平信號38。在不同的實施例中,壓力傳感器40 和溫度傳感器42可選擇地向控制器14提供壓力和溫度信號44和46, 油箱18包括從油箱18上的密封件48延伸到炭罐50的笫一通風(fēng) 管20.油箱18內(nèi)的浮閥52防止液態(tài)汽油進入蒸汽的第一通風(fēng)管20.
燃料蒸汽的壓力隨著汽油溫度的升高而升高,蒸汽在壓力作用下流過 第一通風(fēng)管20到達炭罐50的蒸汽入口.蒸汽進入炭罐的蒸汽入口 54, 流過保持構(gòu)件(未示出),然后擴散到炭罐50中.炭罐50容納有吸 附材料56,所述吸附材料56具有近似線性或線性的等溫線.吸附材料 56可以是弱吸附材料,可以具有較高的飽和容量(例如大于 20g/100CC),具有較大的孔隙體積(例如大于600立方厘米(cc) / 升,而活性碳的孔隙體積僅為400cc/升),可以具有略為有利的等溫 線(例如近似線性等溫線,而活性碳的等溫線為高度非線性的),且 可以具有較低的相互作用能(例如不到碳的相互作用能的一半).
炭罐50可以由任何一種合適的材料制成,例如模制而成的熱塑性 聚合物,諸如尼龍.在一個實施例中,炭罐50可以具有由垂直內(nèi)墻64 和水平內(nèi)墻92限定出的獨立的吸附材料56的腔室.壁64和92可以 是多孔的以允許蒸汽通過.蒸汽可以通過所有的吸附材料56的腔室, 而空氣通過炭罐50頂部上的第一通風(fēng)口 68離開.在清除吸附材料56 所吸附的燃料蒸汽的過程中,笫一通風(fēng)口 68還用作經(jīng)過保持構(gòu)件(未 示出)的空氣流的入口.在炭罐50的頂部上形成有凈化出口 70,凈化 空氣和清除出的燃料蒸汽流可通過該出口離開炭罐50.
可以將第二通風(fēng)管72和電磁通風(fēng)閥74連接到通風(fēng)口 68.如圖所 示那樣,通風(fēng)閥74通常是打開的,但是在電磁線團76得到激勵時, 電磁線團76移動塞子78將第二通風(fēng)口 80蓋住.控制器14通過信號 引線79來激勵電磁線圍76,通常,關(guān)閉通風(fēng)閥74僅僅是為了進行診 斷.當(dāng)空氣/燃料混合物離開油箱18、經(jīng)過笫一通風(fēng)管20和炭罐蒸汽 入口 54進入炭罐50時,燃料蒸汽將被吸附在炭罐中的吸附材料56上. 當(dāng)通風(fēng)閥74處于打開狀態(tài)且吸附材料56對蒸汽的吸附已經(jīng)達到飽和 時,蒸汽將在笫一通風(fēng)出口 68處伴隨空氣一起離開炭罐,隨后流過笫 二通風(fēng)管72和打開的電磁閥74.
凈化出口 70通過凈化管82,經(jīng)過電磁清洗閥84與IC發(fā)動機l2 相連.清洗閥84包括電磁線圏86和選擇地封閉第三通風(fēng)口 90的塞子
888.當(dāng)IC發(fā)動機12正在運轉(zhuǎn)且能夠接納從炭罐50中抽來的飽含燃料 的空氣流時,控制器14通過信號引線91對清洗閥84進行操作.當(dāng)發(fā) 動機正在運行時,控制器14打開清洗閥84以允許經(jīng)過通風(fēng)閥74抽入 空氣.空氣流過第二通風(fēng)管72,然后進入通風(fēng)口 68.在炭罐50中, 空氣變得飽含脫附出的燃料蒸汽,并離開凈化出口70.飽含燃料的空 氣通過凈化管82和清洗閥84被抽入發(fā)動機12中。
現(xiàn)在參考圖2,在另一個實施例中,可選的容納有碳材料98的滌 氣器95被耦聯(lián)到第一通風(fēng)口 68。碳材料98可以是例如活性碳纖維材 料或整塊的碳.滌氣器可以由任何合適的材料制成,例如模制的熱塑 聚合物,諸如尼龍或聚碳酸酯。離開炭罐50的空氣可以流過該滌氣器. 碳材料98吸收包含在空氣中的排放物,滌氣器95在遠離炭罐50的另 一端處通過第三通風(fēng)口 96連接到第二通風(fēng)管72和電磁通風(fēng)閥74.
在圖2所示的實施例中,當(dāng)空氣/燃料混合物離開油箱18、經(jīng)過第 一通風(fēng)管20和炭罐蒸汽入口 54流入炭罐50時,蒸汽中的碳氫化合物 被炭罐50中的吸附材料56吸附。諸如丁烷和戊烷這樣的分子量較低 的碳氫化合物因為具有較小的尺寸和較強的揮發(fā)性,可能會作為流失 的排放物而損失掉.流過第一通風(fēng)口 68的空氣和流失的排放物流過滌 氣炭罐95,其中流失的排放物在滌氣炭罐中被碳材料98吸附。
在本發(fā)明的包括可選的滌氣器95的一個實施例中,在混合動力車 輛的IC發(fā)動機12正在運行的同時,抽入凈化空氣讓其通過滌氣器95 以將脫附的蒸汽抽入發(fā)動機12中用于燃燒.在凈化過程中,控制器14 打開清洗閥84以允許經(jīng)過通風(fēng)閥74抽入空氣,空氣流過笫二通風(fēng)管 72、滌氣器95、笫一通風(fēng)口 68和炭罐50.換句話說,抽入空氣讓其 通過碳材料98和吸附材料56.空氣變得飽含脫附的碳氫化合物,然后 經(jīng)凈化出口 70離開.飽含燃料的空氣經(jīng)過凈化管路82和清洗閥84被 抽入IC發(fā)動機12中.
現(xiàn)在參考圖3,在另一個實施例中,被動式凈化系統(tǒng)提供一種用于 控制排放的簡單、廉價的方法.在發(fā)動機沒有工作時,例如在車輛被 停放時,車輛油箱溫度降低,油箱18內(nèi)的壓力降低.油箱壓力的降低 是因氣相熱收縮和油箱內(nèi)的燃料的蒸汽壓力下降引起的.油箱壓力的 下降導(dǎo)致一些空氣從炭罐50流入油箱,這引起炭罐的反向清洗.反向 清洗出的碳氫化合物會在油箱內(nèi)凝聚.炭罐的反向清洗量可能取決于炭罐中的蒸汽量、油箱的蒸汽空間容積、油箱的雷德蒸汽壓(RVP)以 及油箱溫度的下降量.當(dāng)環(huán)境溫度上升時,油箱18可能會將燃料蒸汽 排出,這些燃料蒸汽隨后被存儲在炭罐50中.
被動凈化可以實現(xiàn)對部分排放物的控制,例如約50X的排放物.由 于在使用同樣數(shù)量的凈化空氣的情況下增加了反向清洗出的蒸汽數(shù) 量,因此吸附材料56可以提高被動凈化的效率.這種被動式炭罐凈化 可以被用在例如割草機的發(fā)動機和不具有任何蒸汽排放控制系統(tǒng)的非 道路用娛樂車輛中。
由于使用吸附材料56可以使炭罐的尺寸減少50X以上并使凈化空 氣流的需要量減少75X以上,因此,吸附材料56可以使蒸汽排放控制 系統(tǒng)得到改善.吸附劑的吸附/脫附和加栽/凈化特性可以用它的等溫 線來描述。吸附材料56具有近似線性或線性等溫線.
現(xiàn)在參考圖4,給出了常用吸附劑(活性碳)和吸附材料56的等 溫線.由于吸附材料56具有近似線性或線性的等溫線,因此,在恒定 的溫度下,隨著吸附燃料蒸汽的局部壓力變大,吸附材料所能吸附的 燃料蒸汽量也變大,吸附材料56可以例如采用從Engelhard公司 (Iselin, NewJersey)購買的Sorbead H。 Sorbead H是一種成形為 堅硬的球形珠子的鋁矽酸鹽凝膠。Sorbead H包括97X重量的Si(h和 3%重量的A1203。 Sorbead H的表面積為750mVg;孔隙體積為0. 5cm7g; 包裝后的容積密度為44 lb/ft3;抗壓強度"00N;損耗率<0. 05X重量. 符合吸附材料56的特性的吸附劑還可以從其他公司(諸如Air Products)購買到,
吸附材料56可以具有下列性質(zhì)中的一部分或全部高孔隙體積; 對于碳氫化合物具有較低的相互作用能;高飽和容量;弱吸附性;以 及近似線性或線性的等溫線,這種等溫線略為有利些.由于這些性質(zhì), 吸附材料56易于凈化,并產(chǎn)生非常少的殘余物(heel)或不產(chǎn)生殘余 物,這些殘余物是留在吸附劑上并需要使用大量凈化空氣來清除的殘 留的碳氫化合物.凈化空氣體積的減少可以改善例如混合動力車輛中 的發(fā)動機的空氣/燃料的控制問題,在混合動力車輛中,發(fā)動機的開-關(guān)採作導(dǎo)致它要在凈化減弱的狀態(tài)下運行.
數(shù)學(xué)模型被用來預(yù)測具有吸附材料56的炭罐在車輛蒸發(fā)排放控制 方面的性能.現(xiàn)在參見圖4,比較了活性碳和吸附材料56對碳氫化合物的存儲能力.現(xiàn)在參見圖5,比較了活性碳和吸附材料56的清除碳 氫化合物的能力.活性碳上形成了殘余物,但是使用吸附材料56會積 累很少的殘余物或者無殘余物積累.因此,就吸附材料56而言,典型 的車輛蒸發(fā)系統(tǒng)所需要的吸附刑炭罐的體積非常小,例如為800cc,而
活性碳需要的炭罐體積為1850cc,例如,對于15加侖的油箱而言,在 炭罐中有800cc的Sorbead H可足夠吸附來自油箱的排放物.在圖6 中,通過加栽含有50%空氣的丁烷直至漏出2g丁烷,比較了相同兩種 吸附炭罐的吸附特性或蒸汽儲存特征.兩種吸附劑都吸附了大約相等 數(shù)量的蒸汽.然而,如圖5所示,具有吸附材料56的吸附劑炭罐的非 常迅速,且清除100g丁烷使用了不到4立方英尺的空氣,具有活性碳 的吸附劑炭罐的凈化比較緩慢,且清除100g 丁烷需要超過15立方英 尺的凈化空氣.
現(xiàn)在參見圖7,在一個實施例中,蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)被用在車輛 100中.蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)包括通過笫一通風(fēng)管20與炭罐56相連的油 箱18,炭罐56通過凈化管82和笫二通風(fēng)管72與IC發(fā)動機12相連. 在一個實施例中,車輛IOO為混合動力車輛.在另一個實施例中,車 輛IOO為準(zhǔn)零尾氣排放汽車(PZEV).在又一個實施例中,車輛100 為常規(guī)的汽油車.
本發(fā)明實施例的上述描述實質(zhì)上僅為示例性的,因此,不應(yīng)認(rèn)為 它們的變型脫離了本發(fā)明的精神和范圍.
ii
權(quán)利要求
1. 一種用于車輛的蒸發(fā)排放控制系統(tǒng),包括用于儲存揮發(fā)性燃料的油箱;具有進氣系統(tǒng)的發(fā)動機;至少一個包含有吸附材料的炭罐,其中吸附材料具有近似線性的等溫線;炭罐上的蒸汽入口,其與油箱耦聯(lián);炭罐上的凈化出口,其與進氣系統(tǒng)耦聯(lián);炭罐上的通風(fēng)孔;其中,吸附材料在發(fā)動機不工作時吸附燃料蒸汽,在發(fā)動機工作時脫附燃料蒸汽。
2. 如權(quán)利要求l所述的用于車輛的蒸發(fā)排放控制系統(tǒng),其中 吸附材料基本上由含97%重量的Si02和3X重量的人1203的鋁矽酸鹽凝膠構(gòu)成。
3. 如權(quán)利要求l所述的用于車輛的蒸發(fā)排放控制系統(tǒng),其中 發(fā)動機與混合動力系形成一體.
4. 如權(quán)利要求l所述的用于車輛的蒸發(fā)排放控制系統(tǒng),其中 炭罐具有約800cc至約1200cc的容積.
5. 如權(quán)利要求l所述的用于車輛的蒸發(fā)排放控制系統(tǒng),還包括 與通風(fēng)孔耦聯(lián)的滌氣器。
6. 如權(quán)利要求1所述的用于車輛的蒸發(fā)排放控制系統(tǒng),其中 吸附材料的表面積至少為750mVg.
7. 如權(quán)利要求l所述的用于車輛的蒸發(fā)排放控制系統(tǒng),其中 吸附材料的孔隙體積至少為0. 5cm7g.
8. 如權(quán)利要求1所述的用于車輛的蒸發(fā)排放控制系統(tǒng),其中 吸附材料的損耗率小于0. 05%重量.
9. 一種用于減少車輛蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)對凈化空氣流的需要量的 方法,包括將揮發(fā)性燃料儲存在油箱中;提供至少一個含有吸附材料的炭罐,其中吸附材料具有近似線性的等溫線;將炭罐的蒸汽入口與油箱耦聯(lián);將炭罐的凈化出口與車輛發(fā)動機的進氣系統(tǒng)耦聯(lián); 在發(fā)動機不工作時,用吸附材料吸附燃料蒸汽;以及 在發(fā)動機工作時,使吸附材料上的燃料蒸汽脫附.
10. 如權(quán)利要求9所述的用于減少車輛蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)對凈化 空氣流的需要量的方法,還包括將滌氣器輛聯(lián)到炭罐的通風(fēng)孔;以及使蒸汽排放控制系統(tǒng)朝向滌 氣器排氣,
11. 如權(quán)利要求9所述的用于減少車輛蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)對凈化 空氣流的需要量的方法,其中炭雄具有約800cc至約1200cc的容積,
12. 如權(quán)利要求9所述的用于減少車輛蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)對凈化 空氣流的需要量的方法,其中吸附材料基本上由含97%重量的Si02和3%重量的Al力3的鋁矽酸鹽 凝膠構(gòu)成.
13. 如權(quán)利要求9所述的用于減少車輛蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)對凈化 空氣流的需要量的方法,其中發(fā)動機與混合動力系形成一體。
14. 一種包括有內(nèi)燃發(fā)動機和電動機的混合動力車輛,該混合動 力車輛還包括用于儲存揮發(fā)性燃料的油箱; 具有進氣系統(tǒng)的發(fā)動機;至少一個含有吸附材料的炭罐,其中吸附材料具有近似線性的等 溫線;與油箱耦聯(lián)的蒸汽入口; 與進氣系統(tǒng)耦聯(lián)的凈化出口 ; 炭罐上的通風(fēng)孔;其中,吸附材料在發(fā)動機不工作時艱附燃料蒸汽,在發(fā)動機工作 時脫附燃料蒸汽.
15. 如權(quán)利要求14所述的混合動力車輛,其中 吸附材料基本上由含97%重量的Si02和3X重量的人1203的鋁矽酸鹽凝膠構(gòu)成。
16. 如權(quán)利要求14所述的混合動力車輛,其中炭罐具有約800cc至約1200cc的容積。
17. 如權(quán)利要求14所述的混合動力車輛,還包括 與通風(fēng)孔耦聯(lián)的滌氣器.
18. —種用于對車輛中的蒸汽排放進行控制的方法,包括 將揮發(fā)性燃料儲存在油箱中;提供至少一個含有吸附材料的炭罐,其中吸附材料具有近似線性 的等溫線;將炭罐的蒸汽入口與油箱耦聯(lián);將蒸汽清除出炭罐使之返回到油箱中,其中在油箱溫度下降時, 油箱將空氣抽離炭罐;以及在油箱溫度上升時,將蒸汽排出油箱使之進入炭罐.
全文摘要
本發(fā)明涉及改進的具有新型吸附劑的蒸發(fā)排放控制系統(tǒng),其中本發(fā)明的一個實施例包括車輛中的吸附炭罐和設(shè)在吸附炭罐中的具有近似線性的等溫線的吸附劑。
文檔編號B60K15/03GK101468599SQ20081010961
公開日2009年7月1日 申請日期2008年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月8日
發(fā)明者S·R·雷迪 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司