輕型汽車國六炭罐設計研究

GB18352.6－2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(*六階段)》強制性法規(以下簡稱國六法規)，要求自2020年7月1日起，所有銷售和注冊登記的輕型汽車應符合本標準要求。其中，加強了燃油蒸發排放限值的要求，同時增加了加油過程中污染物排放限值的要求。炭罐作為燃油蒸發排放污染物控制系統的關鍵零部件之一，它的性能對整車燃油蒸發排放的符合性起到了決定性作用。
本文通過炭罐容積的設計、炭粉的選擇、炭罐的結構布置等方面簡述國六炭罐設計的要點，使燃油蒸發排放和加油排放得到有效控制，從而滿足國六排放標準的要求。
1 炭罐的工作原理
炭罐內部裝有對燃油蒸氣吸附和脫附能力很強的活性炭，通過吸附口與油箱連接，用于收集油箱內部燃油蒸發產生的燃油蒸氣;通過脫附口與發動機相連，將吸附的燃油蒸氣脫附至發動機內部進行燃燒;通過通氣口與大氣相通，給發動機提供新鮮空氣的同時實現炭罐的脫附。炭罐功能簡圖如圖1所示。

圖1炭罐功能簡圖
當車輛靜止，發動機不運轉時，油箱內汽油揮發產生燃油蒸氣經重力閥和燃油蒸發管，通過炭罐的吸附口進入炭罐，被炭罐內部活性炭吸附并儲存;車輛加油時，汽油揮發的速度較快，將產生較多的燃油蒸氣，油箱內部壓力急速升高，在壓差的作用下，油箱內部的燃油蒸氣進入炭罐，被吸附并存儲起來。當發動機運轉時，通過電子控制單元(ECU)來控制炭罐電磁閥的通斷。發動機達到一定轉速時，炭罐電磁閥開啟，發動機的進氣系統內部產生負壓，新鮮空氣從炭罐通氣口進入炭罐，與燃油蒸氣一起從炭罐脫附口進入進氣管，后進入發動機氣缸內燃燒。
2 炭粉的選擇
由于前面第五階段的燃油蒸發排放限值要求相對于第六階段較低，目前，國五車型所選用的炭粉多為顆粒碳，吸附能力和脫附能力較低，而且通氣阻力較大，一般要求為0.98kPa@10L/min。為了適應國六排放標準的要求，需提高炭罐的吸附和脫附能力，同時降低炭罐內部的通氣阻力，一般要求≤1kPa@50L/min。而傳統的顆粒碳很難滿足此要求，因此需要選用工作能力更強、通氣阻力更小、強度更高的柱狀炭。如表1所示，表中3種型號炭粉的通氣阻力都為0.38kPa@50L/min。

表1炭粉工作能力
炭粉的選擇，對炭罐容積的大小有著直接的影響。選用工作能力較強的炭粉，炭罐容積相對較小，便于布置，但是成本較高;選用工作能力較低的炭粉，則反之。同時，吸附能力較強的炭粉，其脫附能力相對較差。根據炭粉廠家的試驗研究，不同的炭粉型號組合，其炭罐的HC排放量如圖2所示。

圖2炭罐排放水平
3 額定容積的設計
對于炭罐，國六排放標準中需進行Ⅳ型和Ⅶ型試驗。兩種試驗條件下，燃油蒸發速率、炭粉的工作能力是不同的，因此，所需的炭罐容積也不同。下面對兩種試驗條件下的炭罐容積分別進行計算，分別為V4和V7，終炭罐容積取計算值較大者。
依據油箱的額定容積、燃油蒸發速率以及炭粉的工作能力，可以得出炭罐額定容積V的估算公式:

式中:Vt為油箱的額定容積;η為燃油蒸發率;S為安全系數，一般取1.2;G為炭粉工作能力(通過試驗得到)。以55L油箱、選用1100型炭粉為例。
1)Ⅳ型試驗。該試驗中換氣時間為2天，燃油蒸發量應按2天計算;我國目前Ⅳ型試驗條件下的燃油蒸發率約為0.8g/L;炭粉工作能力的試驗值G=55g/L，得出:V4=55×0.8×1.2×2/55=1.92L。
2)Ⅶ型試驗。加油過程較短，不考慮晝夜換氣的影響。一般加油過程中燃油蒸發率約為1.4g/L，炭粉工作能力的試驗值G=37g/L，得出:V7=55×1.5×1.2/37=2.68L。所以，所需炭罐額定容積至少應為2.7L。
4 結構及布置設計
4.1結構設計
炭罐合理的結構設計可有效提高炭罐的工作能力。炭罐內部一般為單腔、雙腔或者三腔結構。單腔結構簡單，但是工作能力較低;雙腔或者三腔長徑比大，結構比較復雜，活性炭容積相同的情況下，工作能力提高20%～40%，因此國六炭罐可采用雙腔或者三腔結構(如圖3所示)。另外，較大的長徑比有利于燃油蒸氣的充分吸附，但是，隨著長徑比的增加，炭罐內部的阻力也增大，工作能力也會隨之下降，因此，需要合理設計炭罐長徑比，一般3.5～4的長徑比為佳。

圖3三腔結構炭罐示意圖
為更好地吸脫附燃油蒸氣，炭罐吸附口和通氣口的內徑應大于14.5mm，以減小通氣阻力，便于炭罐的吸附和脫附，同時，接口內部的結構應避免形成渦流或者氣阻區域。
另外，整車加油過程中、車輛行駛過程中的動態泄漏，以及炭罐吸附管中燃油蒸氣的凝結，都有可能導致油液進入炭罐，導致炭罐功能失效。因此，炭罐在設計時需考慮在內部增加積液腔結構，避免油液直接接觸炭粉導致炭罐功能失效。根據經驗，積液腔容積的大小，一般至少是積液量的10倍。積液量需結合動態泄漏及炭罐吸附管的內部體積綜合計算，如積液量較多，通過炭罐本身的結構無法滿足積液腔容積的需求，可通過外接積液腔的方式來有效降低炭罐被淹的風險。由于汽油本身的易揮發性，積液揮發后仍可被炭罐吸附，輸送給發動機用于燃燒。
4.2布置設計
好的炭罐結構設計，還需要配合合理的布置方式以使其性能達到佳。一般國六炭罐好布置在比較高的位置，可以有效降低炭罐積液的風險，或減少炭罐的積液量，保證其工作的穩定性。在國六法規Ⅳ型和Ⅶ型試驗過程中，會外接一個炭罐來測定整車炭罐吸附的臨界點(炭罐吸附飽和，有2g的HC化合物從炭罐通氣口逸出的時刻)，同時，Ⅶ型試驗過程中還有斷開、重新連接炭罐的過程，因此，炭罐的布置位置盡量便于拆裝，以保證整車排放試驗的順利進行，避免因炭罐拆裝不便、拆裝時間過長而導致的試驗結果的偏差。
另外，活性炭吸附HC化合物是一個放熱過程，脫附HC化合物是一個吸熱過程，隨著溫度的升高，炭粉的吸附能力會減弱，脫附能力則提高，因此炭罐所處的環境溫度對于炭罐的性能也有著重要的影響。
試驗研究表明，環境溫度在50℃以下，隨著溫度的升高，炭罐的性能差異不大;如果溫度高于50℃，炭罐的工作能力相比常溫下大約有10%的衰減，溫度繼續提高，炭罐的脫附能力變化不大，但吸附能力明顯衰減，其工作能力將有大幅度的衰減。因此炭罐的布置應盡量避開熱源，且通風散熱良好，確保其處于佳的工作環境。
5 結束語
作為燃油蒸發排放控制系統的關鍵零部件，炭罐的設計和布置對整車性能的達標與否起著關鍵性的作用。本文對炭罐的結構布置、炭粉的選擇以及額定容積設計計算等方面進行了介紹，可作為設計參考。