Θεωρητική και πειραματική διερεύνηση των εκπομπών αναθυμιάσεων υδρογονανθράκων από σύγχρονα βενζινοκίνητα οχήματα

Abstract

A physical model simulating canister adsorption and desorption processes on activated carbon was developed from experimental data obtained from repeated tests on a single carbon canister. The model is able to predict canister behaviour under different loading and purging conditions and is thus able to predict canister breakthrough emissions. The physical model can accurately simulate butane adsorption and desorption on activated carbon. An empirical model was then developed, using simpler expressions for describing adsorption and desorption. Based on the empirical model a full evaporative emissions test procedure was simulated, enabling the calculation of evaporative emissions from canister-equipped vehicles. The fair agreement between measured and modelled emissions verifies that the empirical model may be used for the estimation of evaporative emissions from modern gasoline vehicles. For the calibration of the model extensive testing was conducted on one vehicle and for the final validation a smaller number of targeted tests were performed on other vehicles. These tests covered a wide range of parameters having an effect on evaporative emissions, namely fuel volatility, ambient temperature, canister and fuel tank sizes, fuel system materials. The source of evaporative emissions depends largely on the canister condition. A well purged canister, e.g. after extensive driving on the road, results in effective adsorption of vapour generated in the fuel tank. Evaporative emissions in this case may be attributed to fuel permeation and/or leakage rather than the canister. When the canister is close to saturation, breakthrough emissions dominate the total evaporative emissions. The empirical model is applied for the development of a methodology for the calculation of evaporative emissions from a fleet of vehicles. The development of emission factors for various vehicle categories taking into account a large number of activity data facilitates emissions inventorying.

Ένα φυσικό μοντέλο το οποίο προσομοιώνει τις διαδικασίες προσρόφησης και εκρόφησης στον ενεργό άνθρακα κανίστρου αναπτύχθηκε από πειραματικά δεδομένα που προέκυψαν από επαναλαμβανόμενες μετρήσεις σε ένα κάνιστρο. Το μοντέλο αυτό είναι σε θέση να προβλέπει τη συμπεριφορά του κανίστρου κάτω από διαφορετικές συνθήκες φόρτισης και εκφόρτισης και με τον τρόπο αυτό να προβλέπει κάτω από ποιές συνθήκες εμφανίζονται εκπομπές λόγω κορεσμού. Το φυσικό μοντέλο επιτυγχάνει τη θεωρητική προσομοίωση της προσρόφησης και εκρόφησης του βουτανίου σε ενεργό άνθρακα με πολύ καλή ακρίβεια. Στη συνέχεια αναπτύχθηκε ένα εμπειρικό μοντέλο το οποίο χρησιμοποιεί απλούστερες σχέσεις για την περιγραφή της προσρόφησης και εκρόφησης. Με βάση το εμπειρικό μοντέλο έγινε προσομοίωση μιας πλήρους διαδικασίας μέτρησης εκπομπών αναθυμιάσεων οχήματος η οποία επιτρέπει τον υπολογισμό των εκπομπών αναθυμιάσεων από οχήματα εφοδιασμένα με κάνιστρο ενεργού άνθρακα. Η ικανοποιητική συμφωνία μεταξύ μετρημένων και μοντελοποιημένων εκπομπών αποδεικνύει ότι το εμπειρικό μοντέλο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση των εκπομπών αναθυμιάσεων από σύγχρονα βενζινοκίνητα οχήματα. Για τη βαθμονόμηση του μοντέλου πραγματοποιήθηκαν εκτεταμένες μετρήσεις σε ένα όχημα και για την τελική επαλήθευση μικρότερος αριθμός στοχευμένων μετρήσεων σε άλλα οχήματα. Οι μετρήσεις αυτές κάλυψαν ένα μεγάλο εύρος των παραμέτρων που επιδρούν στις εκπομπές αναθυμιάσεων όπως η πτητικότητα του καυσίμου, η εξωτερική θερμοκρασία, το μέγεθος του κανίστρου και της δεξαμενής καυσίμου, τα υλικά του συστήματος καυσίμου. Η πηγή των εκπομπών αναθυμιάσεων εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την κατάσταση του κανίστρου ενεργού άνθρακα. Ένα καλά καθαρισμένο κάνιστρο, π.χ. μετά από περίοδο εκτεταμένης οδήγησης στο δρόμο, συνεπάγεται αποτελεσματική προσρόφηση των αναθυμιάσεων που δημιουργούνται στη δεξαμενή καυσίμου. Οι εκπομπές αναθυμιάσεων σε αυτήν την περίπτωση οφείλονται στον διαποτισμό ή/και διαρροή καυσίμου παρά σε εκπομπές λόγω του κανίστρου. Όταν το κάνιστρο τείνει στον κορεσμό, οι εκπομπές του κυριαρχούν στις συνολικές εκπομπές αναθυμιάσεων. Το εμπειρικό μοντέλο εφαρμόζεται για την ανάπτυξη κατάλληλης μεθοδολογίας για τον υπολογισμό εκπομπών από στόλο οχημάτων. Η ανάπτυξη συντελεστών εκπομπής για διάφορες κατηγορίες οχημάτων και ο συνυπολογισμός ενός μεγάλου αριθμού στοιχείων δραστηριότητας του στόλου επιτρέπει την απογραφή εκπομπών σε οποιαδήποτε χωρική και χρονική ανάλυση.