namiТруды НАМИTrudy NAMI0135-3152ФГУП «НАМИ»RUBUJTnami-438Research ArticleДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЕENGINE DEVELOPMENTРазработка подходов к формированию алгоритмов управления процессами в закрытой системе улавливания топливных испарений автомобилей с комбинированными энергетическими установкамиDevelopment of approaches to form algorithms to control processes in a closed fuel vapor recovery system of vehicles with hybrid powertrainsТер-МкртичьянГ. Г.Ter-MkrtichyanG. G.

Тер-Мкртичьян Георг Георгович – д-р техн. наук, главный научный сотрудник, Центр «Энергоустановки»

г. Москва 125438

D.Sc. (Eng), chief researcher, Center “Power units”

Moscow 125438

georg@nami.ruСайкинА. М.SaykinA. M.

Сайкин Андрей Михайлович – д-р техн. наук, главный специалист, Центр интеллектуальных систем

г. Москва 125438

D.Sc. (Eng), chief specialist, Center for intelligent systems

Moscow 125438

ТеренченкоА. С.TerenchenkoA. S.

Теренченко Алексей Станиславович – канд. техн. наук, директор Центра «Энергоустановки»

г. Москва 125438

PhD (Eng), director of the Center “Power units”

Moscow 125438

МикеринН. А.MikerinN. A.

Микерин Никита Алексеевич – канд. техн. наук, начальник отдела топливных систем

г. Москва 125438

PhD (Eng), head of fuel systems department

Moscow 125438

ГлавизнинВ. В.GlavizninV. V.

Главизнин Владимир Владимирович – начальник управления систем энергоустановок

г. Москва 125438

head of the power unit systems department

Moscow 125438

ЦейтлинА. А.TseytlinA. A.

Цейтлин Алексей Александрович – ведущий инженер-конструктор отдела топливных систем

г. Москва 125438

leading design engineer of fuel systems department

Moscow 125438

АрабянМ. Е.ArabyanM. E.

Арабян Марина Ерджаниковна – ведущий инженер-исследователь отдела топливных систем

г. Москва 125438

lead research engineer of fuel systems department

Moscow 125438

ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»РоссияFederal State Unitary Enterprise “Central Scientific Research Automobile and Automotive Engines Institute” (FSUE “NAMI”)Russian Federation202629032026011628Copyright © Тер-Мкртичьян Г.Г., Сайкин А.М., Теренченко А.С., Микерин Н.А., Главизнин В.В., Цейтлин А.А., Арабян М.Е., 20262026Тер-Мкртичьян Г.Г., Сайкин А.М., Теренченко А.С., Микерин Н.А., Главизнин В.В., Цейтлин А.А., Арабян М.Е.Ter-Mkrtichyan G.G., Saykin A.M., Terenchenko A.S., Mikerin N.A., Glaviznin V.V., Tseytlin A.A., Arabyan M.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://nami.elpub.ru/jour/article/view/438

Введение (постановка задачи и актуальность). Кроме токсичных веществ, образующихся при сгорании топлива в двигателе внутреннего сгорания (ДВС), автомобиль генерирует значительное количество углеводородов в виде паров топлива, формирующихся в результате испарения из топливного бака и компонентов топливной системы. В настоящее время расширяется распространение комбинированных энергетических установок, в первую очередь в подключаемых гибридных автомобилях – PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle), серийное производство которых организовано большинством современных автопроизводителей. Принципиальным отличием PHEV от стандартного гибридного автомобиля является наличие аккумуляторной батареи повышенной ёмкости, что позволяет длительное время работать только на электроприводе с заглушенным ДВС; при этом продувка адсорбера не осуществляется. Поэтому актуальными являются изучение процессов генерации испарений и нахождение решений по их минимизации.

Цель исследования – разработать подходы к формированию оптимальной стратегии и алгоритмов пошаговой детерминации функционирования клапана изоляции топливного бака с определением оптимальных начала и количества шагов открытия.

Методология и методы

Методология и методы. В работе использовано сочетание аналитических методов классической термодинамики.

Результаты и научная новизна. Установлено, что переход от организации загрузки адсорбера с открытым паровым пространством к парообразованию в пространстве постоянного объёма позволяет значительно уменьшить количество углеводородов, поступающих в адсорбер. Показано, что для оптимизации процесса функционирования системы улавливания топливных испарений необходимо обеспечить достижение максимального давления смеси при возможно большей температуре. При этом будет отсрочена первая загрузка адсорбера и максимальное количество углеводородов будет накапливаться в баке в газовой фазе.

Практическая значимость

Практическая значимость. Полученные зависимости позволяют формировать оптимальные алгоритмы управления загрузкой адсорбера, варьируя в зависимости от свойств топлива и объёма парового пространства глубину сброса давления при последовательных шагах загрузки адсорбера и температурных интервалов между ними. Показано, что превентивный сброс давления топливновоздушной смеси с её деаэрацией, в результате которой из парового пространства удаляется часть массы воздуха, позволяет ощутимо (на четверть) расширить температурный диапазон функционирования без раскрытия парового пространства.

Introduction (problem statement and relevance). Besides the toxic substances generated during fuel combustion in an internal combustion engine (ICE), a vehicle generates a significant amount of hydrocarbons in the form of fuel vapors emerging as a result of evaporation from the fuel tank and fuel system components. At the moment, combined or hybrid powertrains are becoming more and more common and widespread, primarily in plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs), series production of which has been organized by the majority of modern automobile manufacturers. A fundamental difference between a PHEV and a conventional hybrid vehicle is availability of an increased capacity battery that allows long-time pure electric driving with the ICE off. At the same time, no canister purging is performed. Therefore, research into vapor generation processes and finding solutions to minimize them are relevant.

The purpose of the study is to develop approaches to forming of an optimum strategy and algorithms of step-by-step determination of fuel tank isolation valve (FTIV) functioning with definition of the optimum beginning and number of steps of opening.

Methodology and research methods. The study used a combination of analytical methods of classical thermodynamics.

Scientific novelty and results. It has been found that transition from loading the canister with an open vapor space to evaporation in a constant-volume space allows significant reduction in the amount of hydrocarbons delivered to the canister. It is shown that to optimize the functioning process of the fuel vapor recovery system it is necessary to provide achievement of the maximum pressure of the mixture at the highest possible temperature. Upon that, the initial loading of the canister will be delayed, and the maximum amount of hydrocarbons will be accumulated in the tank in the gas or vapor phase.

Practical significance. The dependences obtained allow forming optimum algorithms to control the canister loading by varying the pressure release depth depending on fuel properties and vapor space volume in successive steps of canister loading and temperature intervals between them. It is shown that preventive release of pressure of the fuel-air mixture with its deaeration, resulting in a part of air mass being removed from the vapor space, allows considerable extension (by a quarter) of the functioning temperature range without opening the vapor space.

система вентиляции топливного бакабензинадсорберPHEVпарциальное давлениеfuel tank ventilation systemgasolinecanisterPHEVpartial pressureReferencesIriyama Y., Kobayashi M., Matsubara T., Nishimura Y., Nomura R., Ishikawa T. Design of a fuel vapor containment system (FVS) to meet zero evaporative emissions requirements in a hybrid electric vehicle // SAE Transactions. – 2005. – V. 114. – P.1551–1558.Iriyama Y., Kobayashi M., Matsubara T., Nishimura Y., Nomura R., Ishikawa T. Design of a fuel vapor containment system (FVS) to meet zero evaporative emissions requirements in a hybrid electric vehicle. SAE Transactions, 2005, vol. 114, pp. 1551–1558.Dong X., Tschantz M., Fu J.S. Estimating evaporative vapor generation from automobiles based on parking activities // Environ. Pollut. – 2015. – No. 202. – P. 104–111.Dong X., Tschantz M., Fu J.S. Estimating evaporative vapor generation from automobiles based on parking activities. Environ. Pollut., 2015, no. 202, pp. 104–111.Malikopoulos A.A. Impact of component sizing in plug-in hybrid electric vehicles for energy resource and greenhouse emissions reduction // ASME J. Energy Resour. Technol. – 2013. – No. 135 (4). – P. 041201.Malikopoulos A.A. Impact of component sizing in plug-in hybrid electric vehicles for energy resource and greenhouse emissions reduction. ASME J. Energy Resour. Technol., 2013, no. 135 (4), pp. 041201.Williamson S.S. Energy management strategies for electric and plug-in hybrid electric vehicles. – New York: Springer Science, 2013.Williamson S.S. Energy management strategies for electric and plug-in hybrid electric vehicles. New York, Springer Science, 2013.Reddy S. Understanding and designing automotive evaporative emission control systems // SAE Technical Paper. – 2012. – No. 2012-01-1700. DOI: 10.4271/2012- 01-1700.Reddy S. Understanding and designing automotive evaporative emission control systems. SAE Technical Paper, 2012, no. 2012-01-1700. DOI: 10.4271/2012-01- 1700.Тер-Мкртичьян Г.Г. Менеджмент топливных испарений в автомобилях с бензиновыми двигателями: учебное пособие. – М.: ФГУП «НАМИ», 2022. – 190 с.Ter-Mkrtichyan G.G. [Fuel evaporative emission management in gasoline-powered vehicles: a tutorial]. Moscow, FSUE “NAMI” Publ., 2022. 190 p. (In Russian)Mellios G., Samaras Z. An empirical model for estimating evaporative hydrocarbon emissions from canister- equipped vehicles // Fuel. – 2007. – No. 86 (15). – P. 2254–2261.Mellios G., Samaras Z. An empirical model for estimating evaporative hydrocarbon emissions from canister-equipped vehicles. Fuel, 2007, no. 86 (15), pp. 2254–2261.Тер-Мкртичьян Г.Г., Микерин Н.А., Главизнин В.В., Цейтлин А.А. Термодинамическая модель и элементы теории процессов загрузки адсорбера в закрытой системе улавливания топливных испарений автомобилей с комбинированными энергетическими установками // Труды НАМИ. – 2024. – № 3 (298). – С. 33–46. DOI: 10.51187/0135-3152-2024-3-33-46. EDN: LKDYBD.Ter-Mkrtich’yan G.G., Mikerin N.A., Glaviznin V.V., Tseytlin A.A. [Thermodynamic model and elements of the theory of canister feed processes in the closed system of fuel vapour recovery of vehicles with hybrid power plants]. Trudy NAMI, 2024, no. 3 (298), pp. 33–46. DOI: 10.51187/0135-3152-2024-3-33-46. EDN: LKDYBD. (In Russian)Regmi S.O., Botte G.G. Modeling of the adsorption behavior of gasoline vapor on activated carbon for automotive emission control // Journal of Colloid and Interface Science. – 2011. – V. 363. – No. 2. – P. 469–475.Regmi S.O., Botte G.G. Modeling of the adsorption behavior of gasoline vapor on activated carbon for automotive emission control. Journal of Colloid and Interface Science, 2011, vol. 363, no. 2, pp. 469–475.Romagnuolo L., Frosina E., Francesco F. 0D Modeling of fuel tank for vapor generation / Fluids Engineering Division Summer Meeting. – Toronto: 2021, Aug. 10–12.Romagnuolo L., Frosina E., Francesco F. 0D Modeling of fuel tank for vapor generation. Fluids Engineering Division Summer Meeting, Toronto, Canada, 2021, Aug. 10–12.Тер-Мкртичьян Г.Г., Теренченко А.С., Главизнин В.В., Микерин Н.А., Шабанов С.А. Оптимизация параметров газовоздушного тракта системы улавливания топливных испарений // Труды НАМИ. – 2022. – № 2 (289). – С. 21–33. DOI: 10.51187/0135-3152-2022- 2-21-33. EDN: TYEFLM.Ter-Mkrtichyan G.G., Terenchenko A.S., Glaviznin V.V., Mikerin N.A., Shabanov S.A. [Optimization of the gas-air path system parameters for trapping automotive fuel vapors]. Trudy NAMI, 2022, no. 2 (289), pp. 21–33. DOI: 10.51187/0135-3152-2022-2-21-33. EDN: TYEFLM. (In Russian)Zhang X., Su Y., Wu H., Z.Z. Optimization of the activated carbon adsorption process for automotive fuel vapor emissions control // Journal of Cleaner Production. – 2018. – V. 197. – P. 828–838.Zhang X., Su Y., Wu H., Z.Z. Optimization of the activated carbon adsorption process for automotive fuel vapor emissions control. Journal of Cleaner Production, 2018, vol. 197, pp. 828–838.Liu H., Man H.Y., Tschantz M., Wu Y., He K.B., Hao J.M. VOC from vehicular evaporation emissions: status and control strategy // Environ. Sci. Technol. – 2015. – No. 49. – Р. 14424–14431.Liu H., Man H.Y., Tschantz M., Wu Y., He K.B., Hao J.M. VOC from vehicular evaporation emissions: status and control strategy. Environ. Sci. Technol., 2015, no. 49, pp. 14424–14431.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.