CN102996291A - 箱内蒸发排放控制*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种箱内蒸发排放控制***，其包括与燃料箱内的热发生器物理接触的燃料蒸气吸附单元。所述热发生器可以是燃料泵，该燃料泵在吹扫循环中加热所述吸附单元，因此在吹扫循环中提高了捕获的燃料蒸气的解吸率。燃料蒸气吸附单元和/或附加的燃料蒸气吸附单元可位于箱容积内靠近燃料箱的进入开口，使得进入的燃料可以在再补给燃料事件期间冷却所述吸附单元，因此在再补给燃料事件期间提高了吸附单元的吸附效率。

Description

箱内蒸发排放控制***
相关申请
本申请要求享有于2011年9月12日提交的美国临时专利申请No.61/533,330和于2012年9月4日提交的美国非临时专利申请No.13/602,651的权益，所述申请的全部内容通过引用并入本申请。
技术领域
本发明总体上涉及蒸发排放控制***。
背景技术
由于车辆制造商寻求提高燃料效率并降低环境影响，对车辆及其燃料***的燃料蒸气的蒸发排放控制变得越来越重要。车辆燃料储存箱包括箱容积，在该箱容积中通常部分地填充有液体燃料，并且部分地填充有燃料蒸气和/或其它气体。在燃料箱补给的过程中燃料蒸气从箱容积移出。为了防止燃料蒸气进入大气，已经提出各种在箱补给事件期间捕获蒸气的***，例如加装在车辆内的车载燃料再补给蒸气回收(ORVR)***或加装在燃料分送设备内的蒸气回收***。ORVR***可通过如下方式运行：引导从燃料箱移出的气体经过吸附材料以捕获燃料蒸气并在车辆运行期间引导捕获的燃料蒸气流到车辆发动机的进气侧。这些类型的***会增加车辆的成本、重量和复杂性，且这些因素的中某些可能与ORVR***的益处相悖。
发明内容
根据一个实施例，蒸发排放控制***包括燃料箱、燃料蒸气吸附单元、和与燃料蒸气吸附单元在位于燃料箱内的热连通区域处物理接触的热发生器。
根据另一个实施例，用于蒸发排放控制***的燃料***模块包括燃料泵模块，该燃料泵模块具有外壳和位于外壳内的燃料泵。所述燃料***模块还包括燃料蒸气吸附单元，该燃料蒸气吸附单元位于所述外壳内且与所述燃料泵物理接触。
根据又一个实施例，控制燃料蒸发排放的方法包括如下步骤：在再补给燃料事件期间利用液体燃料冷却燃料箱内的燃料蒸气吸附单元；和在吹扫(purge)循环中利用燃料箱内生成的热量加热燃料蒸气吸附单元。
附图说明
下面将参照附图对各种实施例和最佳方式进行详细的说明，在附图中：
图1是根据一个实施例的包括蒸发排放控制***的车辆燃料箱的剖视图。
具体实施方式
下面描述的排放控制***的实施例可以设置为通过在燃料箱补给事件期间冷却燃料蒸气吸附材料并在吹扫循环期间加热燃料蒸气吸附材料来管理所述***内的热能传递，从而提高总体***效率。所述***在燃料箱补给事件期间利用燃料蒸气吸附材料捕获移出的燃料蒸气。所述吸附过程是放热的；即，当燃料蒸气被吸附材料吸附时放出热能。这提高了所述材料的温度，这会降低其吸附能力或效率。在车辆正常运行期间所发生的吹扫循环中，***释放捕获的燃料蒸气。在吹扫循环中，燃料从吸附材料中解吸出来。所述解吸过程是吸热的，因此冷却吸附材料并降低解吸效率。已经发明出了可帮助缓和这些效率问题的新元件、装置和方法。
更详细地参考附图，图1是根据一个实施例的蒸发排放控制***10的剖视图。***10适用于车辆、船舶、或其他移动的或静止的带有动力装置的设备，诸如使用液态存储燃料的燃烧发动机。汽油、酒精、或柴油发动机驱动的车辆或设备、混合动力车辆，或带有车载烃重整器的燃料电池供电车辆是蒸发排放控制***10的潜在应用的一些实例。***10可包括燃料箱12和燃料***模块14。
燃料箱12是存储液态燃料16的元件，所述液态燃料例如为诸如汽油的烃类燃料。箱12包括一个或多个至少部分地限定了存储容积20的壁18，存储容积20也被称为所述箱的内部。在本实施例中，箱12包括分别穿透箱壁形成的进入开口22和模块开口24。进入开口22是在填充或再补给燃料事件期间燃料通过其流入存储容积的开口，模块开口24是***10装配时燃料***模块14的至少一部分通过的开口。各开口22和24可位于沿着任一箱壁的任意位置。在所示的实施例中，进入开口22位于箱12底部附近并可靠近模块14的某些元件，模块开口24沿着箱12顶部布置。这种布置的一些优势将在下面更详细讨论。
燃料供给管26的一端，如图所示但不是必要地包括于***10中，所述一端流体连接到进入开口22和位于进入开口处或邻近进入开口或位于供给管26内的进口止回阀28。箱12可以利用已知技术以任何形状或尺寸形成，例如通过成形和焊接金属元件，或通过吹塑适宜的包括一层或多层材料的塑料材料。
所示的燃料***模块14包括热发生器30、第一燃料蒸气吸附单元32、第二燃料蒸气吸附单元34、盖或安装法兰36、液体-蒸气分离器38、新鲜空气阀门40、和各种流体导管42-50。通常，所示的模块14进行如下工作：通过在必要时(例如在再补给燃料事件期间)引导燃料蒸气经过吸附单元32、34以捕获来自存储容积20的燃料蒸气，然后在期望时将捕获的来自吸附单元的燃料蒸气引导到某个其他有用的位置，例如在发动机运行时引导到发动机进气侧。需指出，用于吸附单元32、34的称呼“第一”和“第二”是随机的，不一定表示沿着任一流动路径的位置顺序或次序，它们也不表示重要性、优选度、尺寸、容量、或***中其他吸附单元的存在。例如，至少在某些应用中，燃料***模块14仅包括一个燃料蒸气吸附单元。所述***的其他吸附单元也可被称为附加燃料蒸气吸附单元。
如图所示，***装配时，可将热发生器30和吸附单元32、34置于所述箱内。吸附单元32、34中的一个或两个可具有一个或多个与热发生器物理接触的部分。更具体地，热发生器30可包括至少一个与吸附单元32、34中的一个或两个的至少一个表面物理接触的表面。在所示的实例中，第一吸附单元32与热发生器30相邻，第二吸附单元34靠近箱12的进入开口22。这种和其他布置可以为***10内的热能提供有利的管理，将在下文更详细地描述。
热发生器30是局部地从某种其他形式的能量(如电能)产生热能的元件。在本实施例中，热发生器是燃料泵30，其是燃料泵模块52的一部分，其中所示的泵模块52还包括外壳54和一个或多个过滤器56。燃料泵30位于外壳54内并将液体燃料自其底部的进入侧吸入模块52，并加压液体燃料以经由导管48通过安装法兰36内的开口传递到某个其他的车辆元件，诸如燃料喷射***。燃料泵30是电力驱动的，其将电能转换成机械能和热能(例如，通过电动机)。机械能加压液体燃料，并且热能从泵模块传递或耗散到或通过某个其他元件。在本实施例中，至少某些热能传递到吸附单元32。其它类型的箱内热发生器可被包括在***10内，诸如电驱动电阻加热器，燃料泵驱动器，热敏电阻等。
燃料蒸气吸附单元32可包括外壳58和第一和第二通达口60和62。外壳58至少部分地填充有燃料蒸气吸附材料64，诸如颗粒碳和/或活性碳。每个通达口60、62与外壳58内部流体连通并被布置为使得燃料蒸气可以通过通达口之——在本实施例中是第一通达口60——进入外壳以被吸附材料吸附，并在燃料泵工作期间(即，在吹扫循环期间)通过该相同的通达口离开外壳。燃料蒸气和/或其他气体可以在通达口60和62之间的任一方向上沿着外壳58内的内部路径流动，所述内部路径寻求最大化流动气体和吸附材料64之间的表面接触。在本实施例中，通达口60通过图示的导管46连接到第二燃料蒸气吸附单元34，通达口62通过导管50经由阀门40和安装法兰36内的开口与大气连通。可替代地，通达口60可以直接连接到液体-蒸气分离器38或某个其它元件。设置吸附单元32使得气体在再补给燃料事件期间从第一通达口60流到第二通达口62，在吹扫循环期间以相反的方向从第二通达口62流到第一通达口60。
本实施例中，吸附单元外壳58整***于泵模块外壳54内。吸附单元外壳58至少部分地限定了同样位于泵模块外壳54内的热连通区域66，在该区域吸附单元32与燃料泵30物理接触。如图所示，吸附单元外壳在热连通区域可至少部分地围绕燃料泵30。在所示的实施例中，燃料泵30是大致圆柱形的，且由为大致环形或套筒状的外壳58围绕。布置燃料泵30和外壳58使得燃料泵30的外表面65与外壳58的内表面67紧密接触。在本例中，各表面65、67为大致圆柱形，但是可以是任何形状。在本例中，该表面接触的区域限定了燃料泵30和吸附单元32之间的热连通区域66。外壳58可以被构造为至少在热连通区域66比其他公知的燃料蒸气吸附单元更导热，以促进或最大化对离开燃料泵或其它热发生器30并进入吸附材料64的热能的传导，尤其是在吹扫循环中。例如，在热连通区域66，外壳58可包括壁厚相对较小的金属部分，或包括被制造成相对精确的尺寸的表面，以最大化与热发生器30的表面接触。到示的圆柱/套筒布置仅是说明性的，因为其它布置，例如那些寻求增大热连通区域66的总体表面积的布置，也是可能的。
第二燃料蒸气吸附单元34同样位于燃料箱12内，且可操作地与第一燃料蒸气吸附单元32连接。第二吸附单元34可与第一吸附单元32的操作相似，并可包括外壳68和第一和第二通达口70和72。外壳68可至少部分地填充有燃料蒸气吸附材料74，例如活性碳，但是该材料没有必要与吸附材料64相同。各个通达口70、72与外壳68的内部流体连通。燃料蒸气和/或其它气体可以在通达口70和72之间的任一方向沿着外壳68内的内部路径流动，所述内部路径寻求最大化流动气体和吸附材料74之间的表面接触。在本实施例中，通达口72与第一吸附单元32的第一通达口60相互流体连通，因此燃料蒸气可以从一个吸附单元流到另一个吸附单元。
在所示的实例中，第二燃料蒸气吸附单元34布置为燃料***模块14的一部分，使得当与燃料箱12一起装配时，车辆再补给燃料期间其定位在进入的液体燃料流内或附近。例如，如图所示，吸附单元34可定位成靠近燃料箱进入开口22，因此进入的燃料通过所述进入开口流入燃料箱12并被引向吸附单元34。可替代地或额外地，第一燃料蒸气吸附单元32可定位成靠近进入开口22以在补给事件期间便于冷却。燃料***模块14也可被构造和布置成使得当该模块装配到燃料箱时吸附单元32、34中的至少一个位于或邻近燃料箱12内部的底部。这可允许吸附单元在补给事件的早期浸入到液体燃料中，并在再补给燃料期间定位在液体燃料的自然冷却部分中。
外壳68可至少部分地由热传导材料构成，诸如金属材料，以促进或最大化吸附材料74和液体燃料16之间的热能传递。外壳68可具有其它促进热能传递的特征，例如相对较小的壁厚(例如，沿着最接近进入开口22的外壳顶部)或寻求增大或最大化其与箱内液体燃料和外壳68内的吸附材料74两者接触的总体表面积的形状。
在本实施例中，吸附单元34也包括吹扫口76。吸附单元34可以是多室碳罐，其构造和布置成使得燃料蒸气和/或其它气体可以相对于通达口72在任一方向并沿着外壳68内的内部路径流动，所述内部路径寻求最大化流动气体和吸附材料74之间的表面接触。在所示的实例中，通达口70通过导管42连接到液体-蒸气分离器38，通达口72通过导管46连接到第一吸附单元32。吹扫口76通过导管44经由安装法兰36中的开口最终连接到车辆发动机的进气侧或某个其它车辆元件。吸附单元34被设置成使得在再补给燃料事件期间气体从第一通达口70流动到第二通达口72，以及在吹扫循环期间从第二通达口72流动到吹扫口76。再补给燃料期间通达口70和吹扫循环期间吹扫口76之间的切换可通过多种公知的技术实现。例如，发动机操作期间发动机进气侧形成的真空可以直接地或间接地打开或关闭一个或多个阀门以允许蒸气流过导管44，并阻止流体流过导管42。或者液体-蒸气分离器38可包括或者可操作作为止回阀，因此在吹扫循环期间流体仅被允许从通达口72经由单元34流到吹扫口76。在一个替代的实施例中，省略第二蒸气吸附单元34，并且第一蒸气吸附单元32包括与以上结合单元34描述的吹扫口类似的吹扫口。在这样的实施例中，第一吸附单元32可定位成靠近进入开口22或以另外的方式位于进入的液体燃料流内或附近，使得其可以在补给事件期间由液体燃料冷却。
安装法兰36是用于模块开口24的封闭件。其还可作为连接其他元件(诸如分离器38、阀门40、所示的各种导管、或其他元件)的结构。在本实例中，燃料***模块14包括连接在一起的安装法兰36、第一和第二燃料蒸气吸附单元32，34和热发生器30，使得所述模块14的一部分延伸离开安装法兰36并延伸进入箱容积20。如图所示的法兰36包括各种形成于其中的开口和/或用于连接外部软管或其他导管以传递流体到***10或从***10传递流体的配件78。法兰36通过公知的方法连接到箱12，诸如机械紧固、粘接、焊接或其它连接技术。法兰36和开口24中的一个或两个可包括唇部或密封表面，使得当模块14装配到箱时，开口24封闭并对流体密封。
液体-蒸气分离器38在允许燃料进入蒸气吸附单元之前使液体与气体分离。如图所示，分离器38优选地位于或靠近箱12的顶部，在本实施例中其连接到法兰36。其运行以允许液体燃料流回存储的燃料的液体部分中，所述液体燃料例如是，当燃料箱近乎填满时的所存储的液体燃料16的上面部分，或与分离器38接触时凝结成液体的蒸气燃料。在本实施例中，其连接到第二吸附单元的通达口70，但是在其它实施例中，可以连接到第一吸附单元32。
新鲜空气阀门40是布置为阻止向大气流动的阀门，其将在***内形成可由压力传感器监测的压力差。这可用于测试对泄漏的***完整性。在一个实施例中，阀门40是由可以改变该阀门的位置的螺线管操作的。
导管42-50是在***元件之间运送燃料蒸气和/或其他气体的流体运送器。因此，它们中的一个或多个是可选的，因为一些元件可被设计为直接相互连接而无需使用独立的导管。这些导管(若被包括的话)优选由耐受***中的特定燃料的化学成分的材料构成。某些导管(若适用的话)可由相对刚性的材料构成，诸如金属材料或非弹性体或半刚性塑料材料。例如，在导管被用于限定***内的尺寸或距离的情况下，导管可这样构造。例如，导管42-46中的一个或多个可由这样的材料构成以保证第二吸附单元34与法兰36恰当地间隔开以在安装单元34时有效地将其定位在箱12的底部附近。
图1所示的实施例中的***10的各种元件可如下文所述那样在燃料补给事件和吹扫循环的背景下一起有利地操作。对于给定车辆，当填充有液体燃料16的箱12的容积20的部分变得足够小，使得车辆操作者决定重新填充燃料箱时，通常发生燃料填充或燃料再补给事件。这通常但不总是意味着呈含有燃料蒸气的气体的形式的容积20的部分与是液体燃料的部分相比相对较大。填充液体燃料液位以上的容积20的空间的蒸气通常是燃料蒸气和车辆运行中进入燃料箱的空气的混合物。燃料填充事件的持续时间相对较短，通常仅持续几分钟。当开始再补给燃料时，随着液体燃料进入箱容积20，箱内的气体混合物压力升高。通过允许气体流出容积20流向大气来释放所述压力。一个或多个燃料吸附单元沿着通往大气的路径布置以将燃料蒸气从气体混合物中除去以在该混合物被排放到大气中时最小化或消除燃料蒸气在混合物中的量。
在所示实施例的燃料填充事件期间，来自箱容积20的气体流经分离器38，并且任何液体返回到其下方的存储液体燃料16中。流体流继续流过导管42进入第二蒸气吸附单元34，在这里吸附材料74放热地吸附来自气体混合物的烃或其他类型的燃料。该流继续通过导管46进入在某些实施例中也可称作烃洗刷器(hydrocarbon scrubber)的第一吸附单元32以去除任何从其流经的混合物中残留的燃料蒸气。燃料泵30此时不操作，因为通常车辆发动机在再补给燃料时是关闭的。最后，剩余气体，通常为不含燃料的空气，通过法兰36内的开口排放到大气。利用图1所示的吸附单元34定位成靠近燃料进入开口22的布置，吸附单元34由进入的燃料冷却。例如，从地下存储燃料箱进入的燃料通常温度为59°F。不冷却的话，某些吸附单元可达到高达180°F甚至更高的温度。随着温度升高，吸附材料74的吸附能力下降，即给定量的吸附材料表面积在较高温度时无法吸附其在较低温度时所能吸附的量的燃料蒸气。因此，通过在特定的有用时间保持吸附材料冷却，所述的和所示的布置提高了给定量的吸附材料所能吸附的燃料蒸气(例如，烃)的量，所述特定的有用时间是在燃料填充事件期间，即吸附材料起作用以吸附来自箱容积的蒸气时。第一吸附单元32也可由进入的液体燃料冷却，这也可提高其吸附效率。
吹扫循环的持续时间长于燃料再补给事件，通常在车辆运行时进了——即，当发动机运行时。吹扫循环期间，使吹扫空气从新鲜空气阀门40流到第一蒸气吸附单元32。空气流是通过对空气源加压或在流动路径相对端产生真空引起的。当然，可以使用空气以外的吹扫气体。吹扫循环期间，燃料泵30在其从燃料箱向发动机泵送燃料时产生热量，因此向吸附材料64加温并降低其吸附能力，从而提高了解吸率。存储于吸附单元32中的燃料蒸气自材料64解吸出来，并被允许与吹扫空气一起作为混合物流经导管46流向第二吸附单元34。进入吸附单元34的气体混合物相对于进入吸附单元32的空气会是已被加温的，因此帮助从单元34的吸附材料74中解吸燃料蒸气。因此，吸附单元32和34在吹扫循环期间都可由热发生器30直接地或间接地加热。然后，含燃料的气体流出吸附单元34，并经由导管44从***中吹扫出去。其可被引导到车辆发动机进气侧用于燃烧，或者被车辆再利用或再回收。
***10的所述的实施例和其他实施例都能在吹扫循环期间加热蒸气吸附单元以及在填充事件期间冷却蒸气吸附单元。加热和冷却的蒸气吸附单元可以是同一单元或独立的单元。因此，可以描述一种控制燃料蒸发排放的方法，其包括在燃料再补给事件期间使用液体燃料冷却燃料箱中的燃料蒸气吸附单元，在吹扫循环期间使用燃料箱内产生的热量加热燃料蒸气吸附单元。加热步骤可包括使用燃料泵产生的热量加热燃料蒸气吸附单元。该方法可进一步包括在再补给燃料事件期间使用液体燃料冷却独立的燃料蒸气吸附单元和/或在吹扫循环期间加热独立的燃料吸附单元。如果该***包括多于一个的燃料蒸气吸附单元，该方法可包括在加热步骤期间将含有燃料蒸气的气体引导进入并通过附加的燃料蒸气吸附单元。例如，在图1的实例中，加热步骤可在燃料泵操作期间进行。捕获的燃料从第一吸附单元32的吸附材料中解吸出来并被引导进入并通过第二吸附单元34。
所述***可使用通常被浪费掉或否则变为无用的热能源和热沉，以提高***性能。例如，燃料泵通常产生多余的热量，这些多余的热量耗散到大气中，或在箱内燃料泵模块的情况下耗散到液体燃料容积中。某些燃料泵将提供的电能的高达约70％或更多的部分转换成热能。通过将燃料泵30用作***10的热发生器，通过实现更有效率的在更短时间内解吸更大的吸附材料表面积的吹扫循环，所述***的性能得到提高。同时，从燃料泵到液体燃料容积的废热传递被保持在最低水平，因此降低了箱内燃料的过度蒸发和吸附单元吸附能力的不必要使用。
同样，进入典型的燃料箱的冷燃料通常由于吸收来自外部环境或来自相邻的或附近的车辆元件的热能，而随着时间的推移温度升高。相反，上述***的实施例使用冷燃料作为热沉以在再补给燃料的有用时间将热量带离一个或多个吸附单元。这样的***通过使用现有的加热源和冷却源可提供比其他已知的蒸发排放控制***更高的性能。该提高的性能可以允许使用质量更轻、成本更低、和采用材料更少的更小***元件，因此进一步提高了车辆的总体运行效率。虽然一个或多个上述***元件可以位于燃料箱的外部，但在元件位于燃料箱内部的情况下将模块14的元件包含到单个组件中可使得装配变得容易和材料处理变得容易。此外，将所述***元件和元件间的连接部定位于箱容积内相比于具有外部元件的***也可降低总体车辆燃料蒸气排放。
虽然此处公开的本发明的形式组成了目前优选的实施例，但许多其它形式也是可能的。此处并不意在提及所有可能的本发明的等同形式或衍生物。需要理解的是，此处使用的术语仅为说明性的，而不是限制性的，在不背离本发明的精神或范围的情况下可以进行各种修改。

Claims (12)

1.一种蒸发排放控制***，包括：
燃料箱；
燃料蒸气吸附单元；和
热发生器，其在位于燃料箱内的热连通区域处与燃料蒸气吸附单元物理接触。
2.根据权利要求1所述的蒸发排放控制***，其中热发生器为燃料泵。
3.根据权利要求1所述的蒸发排放控制***，进一步包括：
燃料泵模块，其具有外壳和位于所述外壳内的燃料泵，其中热连通区域位于外壳内。
4.根据权利要求3所述的蒸发排放控制***，其中燃料泵是热发生器，且燃料蒸气吸附单元位于模块的外壳内。
5.根据权利要求1所述的蒸发排放控制***，其中燃料蒸气吸附单元在热连通区域处至少部分地围绕热发生器。
6.根据权利要求1所述的蒸发排放控制***，进一步包括附加的燃料蒸气吸附单元，该附加的燃料蒸气吸附单元位于燃料箱内并与其它的燃料蒸气吸附单元可操作地连接。
7.根据权利要求5所述的蒸发排放控制***，其中燃料蒸气吸附单元中的至少一个定位成靠近燃料箱的箱进口，使得进入的燃料通过箱进口流入燃料箱，并被引向燃料蒸气吸附单元。
8.根据权利要求1所述的蒸发排放控制***，进一步包括：
燃料***模块，其包括连接到一起的安装法兰、燃料蒸气吸附单元、和热发生器，其中所述模块的一部分延伸远离安装法兰并延伸进入箱容积。
9.一种控制燃料蒸发排放的方法，包括如下步骤：
在再补给燃料事件期间利用液体燃料冷却燃料箱内的燃料蒸气吸附单元；和
在吹扫循环中利用燃料箱内生成的热量加热燃料蒸气吸附单元。
10.根据权利要求9所述的方法，其中加热步骤包括利用燃料泵产生的热量加热燃料蒸气吸附单元。
11.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：
在再补给燃料事件期间利用液体燃料冷却独立的燃料蒸气吸附单元。
12.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：
在加热步骤期间，将含有燃料蒸气的气体引导进入并通过附加的燃料蒸气吸附单元。
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