輕型汽車國(guó)六炭罐設(shè)計(jì)研究

范 標(biāo)， 穆海寧， 馬國(guó)祥， 陳 強(qiáng)， 王 鑫， 邢天龍

(1.安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司 技術(shù)中心， 合肥 230601; 2．德安福(天津)汽車技術(shù)有限公司， 天津 061000)

GB 18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》[1]強(qiáng)制性法規(guī)(以下簡(jiǎn)稱國(guó)六法規(guī))，要求自2020年7月1日起，所有銷售和注冊(cè)登記的輕型汽車應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)要求。其中,加強(qiáng)了燃油蒸發(fā)排放限值的要求，同時(shí)增加了加油過(guò)程中污染物排放限值的要求。炭罐作為燃油蒸發(fā)排放污染物控制系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件之一，它的性能對(duì)整車燃油蒸發(fā)排放的符合性起到了決定性作用[1]。

本文通過(guò)炭罐容積的設(shè)計(jì)、炭粉的選擇、炭罐的結(jié)構(gòu)布置等方面簡(jiǎn)述國(guó)六炭罐設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，使燃油蒸發(fā)排放和加油排放得到有效控制，從而滿足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1 炭罐的工作原理

炭罐內(nèi)部裝有對(duì)燃油蒸氣吸附和脫附能力很強(qiáng)的活性炭，通過(guò)吸附口與油箱連接，用于收集油箱內(nèi)部燃油蒸發(fā)產(chǎn)生的燃油蒸氣；通過(guò)脫附口與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，將吸附的燃油蒸氣脫附至發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部進(jìn)行燃燒；通過(guò)通氣口與大氣相通，給發(fā)動(dòng)機(jī)提供新鮮空氣的同時(shí)實(shí)現(xiàn)炭罐的脫附[2]。炭罐功能簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 炭罐功能簡(jiǎn)圖

當(dāng)車輛靜止，發(fā)動(dòng)機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，油箱內(nèi)汽油揮發(fā)產(chǎn)生燃油蒸氣經(jīng)重力閥和燃油蒸發(fā)管，通過(guò)炭罐的吸附口進(jìn)入炭罐，被炭罐內(nèi)部活性炭吸附并儲(chǔ)存；車輛加油時(shí)，汽油揮發(fā)的速度較快，將產(chǎn)生較多的燃油蒸氣，油箱內(nèi)部壓力急速升高，在壓差的作用下，油箱內(nèi)部的燃油蒸氣進(jìn)入炭罐，被吸附并存儲(chǔ)起來(lái)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)電子控制單元(ECU)來(lái)控制炭罐電磁閥的通斷。發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)，炭罐電磁閥開啟，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，新鮮空氣從炭罐通氣口進(jìn)入炭罐，與燃油蒸氣一起從炭罐脫附口進(jìn)入進(jìn)氣管，最后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)燃燒。

2 炭粉的選擇

由于前面第五階段的燃油蒸發(fā)排放限值要求相對(duì)于第六階段較低，目前，國(guó)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0.98 kPa@10 L/min[3]。為了適應(yīng)國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，需提高炭罐的吸附和脫附能力，同時(shí)降低炭罐內(nèi)部的通氣阻力，一般要求≤1 kPa@50 L/min。而傳統(tǒng)的顆粒碳很難滿足此要求，因此需要選用工作能力更強(qiáng)、通氣阻力更小、強(qiáng)度更高的柱狀炭。如表1所示，表中3種型號(hào)炭粉的通氣阻力都為0.38 kPa@50 L/min。

表1 炭粉工作能力

炭粉的選擇，對(duì)炭罐容積的大小有著直接的影響。選用工作能力較強(qiáng)的炭粉，炭罐容積相對(duì)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(shí)，吸附能力較強(qiáng)的炭粉，其脫附能力相對(duì)較差。根據(jù)炭粉廠家的試驗(yàn)研究，不同的炭粉型號(hào)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(shè)計(jì)

對(duì)于炭罐，國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)中需進(jìn)行Ⅳ型和Ⅶ型試驗(yàn)。兩種試驗(yàn)條件下，燃油蒸發(fā)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(duì)兩種試驗(yàn)條件下的炭罐容積分別進(jìn)行計(jì)算，分別為V4和V7，最終炭罐容積取計(jì)算值較大者。

依據(jù)油箱的額定容積、燃油蒸發(fā)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：

V=Vt·η·S/G

式中：Vt為油箱的額定容積；η為燃油蒸發(fā)率；S為安全系數(shù)，一般取1.2；G為炭粉工作能力(通過(guò)試驗(yàn)得到)。

以55 L油箱、選用1100型炭粉為例。

1) Ⅳ型試驗(yàn)。該試驗(yàn)中換氣時(shí)間為2天，燃油蒸發(fā)量應(yīng)按2天計(jì)算；我國(guó)目前Ⅳ型試驗(yàn)條件下的燃油蒸發(fā)率約為0.8 g/L；炭粉工作能力的試驗(yàn)值G=55 g/L，得出：V4=55×0.8×1.2×2/55=1.92 L。

2) Ⅶ型試驗(yàn)。加油過(guò)程較短，不考慮晝夜換氣的影響。一般加油過(guò)程中燃油蒸發(fā)率約為1.4 g/L[4]，炭粉工作能力的試驗(yàn)值G=37 g/L，得出：V7=55×1.5×1.2/37=2.68 L。

所以，所需炭罐額定容積至少應(yīng)為2.7 L。

4 結(jié)構(gòu)及布置設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

炭罐合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可有效提高炭罐的工作能力。炭罐內(nèi)部一般為單腔、雙腔或者三腔結(jié)構(gòu)。單腔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是工作能力較低；雙腔或者三腔長(zhǎng)徑比大，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，活性炭容積相同的情況下，工作能力提高20%～40%[5]，因此國(guó)六炭罐可采用雙腔或者三腔結(jié)構(gòu)(如圖3所示)。另外，較大的長(zhǎng)徑比有利于燃油蒸氣的充分吸附，但是，隨著長(zhǎng)徑比的增加，炭罐內(nèi)部的阻力也增大，工作能力也會(huì)隨之下降，因此，需要合理設(shè)計(jì)炭罐長(zhǎng)徑比，一般3.5～4的長(zhǎng)徑比為最佳[6-8]。

圖3 三腔結(jié)構(gòu)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(nèi)徑應(yīng)大于14.5 mm[9]，以減小通氣阻力，便于炭罐的吸附和脫附，同時(shí)，接口內(nèi)部的結(jié)構(gòu)應(yīng)避免形成渦流或者氣阻區(qū)域。

另外，整車加油過(guò)程中、車輛行駛過(guò)程中的動(dòng)態(tài)泄漏，以及炭罐吸附管中燃油蒸氣的凝結(jié)，都有可能導(dǎo)致油液進(jìn)入炭罐，導(dǎo)致炭罐功能失效。因此，炭罐在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮在內(nèi)部增加積液腔結(jié)構(gòu)，避免油液直接接觸炭粉導(dǎo)致炭罐功能失效。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，積液腔容積的大小，一般至少是積液量的10倍。積液量需結(jié)合動(dòng)態(tài)泄漏及炭罐吸附管的內(nèi)部體積綜合計(jì)算，如積液量較多，通過(guò)炭罐本身的結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足積液腔容積的需求，可通過(guò)外接積液腔的方式來(lái)有效降低炭罐被淹的風(fēng)險(xiǎn)。由于汽油本身的易揮發(fā)性，積液揮發(fā)后仍可被炭罐吸附，輸送給發(fā)動(dòng)機(jī)用于燃燒。

4.2 布置設(shè)計(jì)

好的炭罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還需要配合合理的布置方式以使其性能達(dá)到最佳。一般國(guó)六炭罐最好布置在比較高的位置，可以有效降低炭罐積液的風(fēng)險(xiǎn)，或減少炭罐的積液量，保證其工作的穩(wěn)定性。在國(guó)六法規(guī)Ⅳ型和Ⅶ型試驗(yàn)過(guò)程中，會(huì)外接一個(gè)炭罐來(lái)測(cè)定整車炭罐吸附的臨界點(diǎn)(炭罐吸附飽和，有2 g的HC化合物從炭罐通氣口逸出的時(shí)刻)，同時(shí)，Ⅶ型試驗(yàn)過(guò)程中還有斷開、重新連接炭罐的過(guò)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(yàn)的順利進(jìn)行，避免因炭罐拆裝不便、拆裝時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致的試驗(yàn)結(jié)果的偏差。

另外，活性炭吸附HC化合物是一個(gè)放熱過(guò)程，脫附HC化合物是一個(gè)吸熱過(guò)程，隨著溫度的升高，炭粉的吸附能力會(huì)減弱，脫附能力則提高，因此炭罐所處的環(huán)境溫度對(duì)于炭罐的性能也有著重要的影響。試驗(yàn)研究表明，環(huán)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(xù)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[7]。因此炭罐的布置應(yīng)盡量避開熱源，且通風(fēng)散熱良好，確保其處于最佳的工作環(huán)境。

5 結(jié)束語(yǔ)

作為燃油蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，炭罐的設(shè)計(jì)和布置對(duì)整車性能的達(dá)標(biāo)與否起著關(guān)鍵性的作用。本文對(duì)炭罐的結(jié)構(gòu)布置、炭粉的選擇以及額定容積設(shè)計(jì)計(jì)算等方面進(jìn)行了介紹，可作為設(shè)計(jì)參考。

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