轻型汽车国六炭罐设计研究.docx
轻型汽车国六炭罐设计研究GB18352.6-2016轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）强制性法规（以下简称国六法规），要求自2020年7月1日起，所有销售和注册登记的轻型汽车应符合本标准要求。其中，加强了燃油蒸发排放限值的要求，同时增加了加油过程中污染物排放限值的要求。炭罐作为燃油蒸发排放污染物控制系统的关键零部件之一，它的性能对整车燃油蒸发排放的符合性起到了决定性作用。本文通过炭罐容积的设计、炭粉的选择、炭罐的结构布置等方面简述国六炭罐设计的要点，使燃油蒸发排放和加油排放得到有效控制，从而满足国六排放标准的要求。1炭罐的工作原理炭罐内部装有对燃油蒸气吸附和脱附能力很强的活性炭，通过吸附口与油箱连接，用于收集油箱内部燃油蒸发产生的燃油蒸气;通过脱附口与发动机相连，将吸附的燃油蒸气脱附至发动机内部进行燃烧;通过通气口与大气相通，给发动机提供新鲜空气的同时实现炭罐的脱附。炭罐功能简图如图1所示。图1炭罐功能简图当车辆静止，发动机不运转时，油箱内汽油挥发产生燃油蒸气经重力阀和燃油蒸发管，通过炭罐的吸附口进入炭罐，被炭罐内部活性炭吸附并储存;车辆加油时，汽油挥发的速度较快，将产生较多的燃油蒸气，油箱内部压力急速升高，在压差的作用下，油箱内部的燃油蒸气进入炭罐，被吸附并存储起来。当发动机运转时，通过电子控制单元（EeU）来控制炭罐电磁阀的通断。发动机达到一定转速时，炭罐电磁阀开启，发动机的进气系统内部产生负压，新鲜空气从炭罐通气口进入炭罐，与燃油蒸气起从炭罐脱附口进入进气管，后进入发动机气缸内燃烧。2炭粉的选择由于前面第五阶段的燃油蒸发排放限值要求相对于第六阶段较低，目前，国五车型所选用的炭粉多为颗粒碳，吸附能力和脱附能力较低，而且通气阻力较大，一般要求为0.98kPa10L/min。为了适应国六排放标准的要求，需提高炭罐的吸附和脱附能力，同时降低炭罐内部的通气阻力，一般要求lkPa®50Lmino而传统的颗粒碳很难满足此要求，因此需要选用工作能力更强、通气阻力更小、强度更高的柱状炭。如表1所示，表中3种型号炭粉的通气阻力都为0.38kPa50L/mino表1炭粉工作能力炭粉的选择，对炭罐容积的大小有着直接的影响。选用工作能力较强的炭粉，炭罐容积相对较小，便于布置，但是成本较高;选用工作能力较低的炭粉,则反之。同时，吸附能力较强的炭粉，其脱附能力相对较差。根据炭粉厂家的试验研究，不同的炭粉型号组合，其炭罐的HC排放量如图2所示。图2炭罐排放水平3额定容积的设计对于炭罐，国六排放标准中需进行IV型和Vn型试验。两种试验条件下，燃油蒸发速率、炭粉的工作能力是不同的，因此，所需的炭罐容积也不同。下面对两种试验条件下的炭罐容积分别进行计算，分别为V4和V7,终炭罐容积取计算值较大者。依据油箱的额定容积、燃油蒸发速率以及炭粉的工作能力，可以得出炭罐额定容积V的估算公式：式中:Vt为油箱的额定容积；n为燃油蒸发率;S为安全系数，一般取1.2;G为炭粉工作能力（通过试验得到）。以55L油箱、选用IlOo型炭粉为例。DIV型试验。该试验中换气时间为2天，燃油蒸发量应按2天计算;我国目前IV型试验条件下的燃油蒸发率约为0.8gL;炭粉工作能力的试验值G=55gL,得出:V4=55×0.8×1.2×2/55=1.92L。2）V11型试验。加油过程较短，不考虑昼夜换气的影响。一般加油过程中燃油蒸发率约为1.4gL,炭粉工作能力的试验值G=37gL,得出：V7=55XL5XL237=2.68L0所以，所需炭罐额定容积至少应为2.7L。4结构及布置设计4.1结构设计炭罐合理的结构设计可有效提高炭罐的工作能力。炭罐内部一般为单腔、双腔或者三腔结构。单腔结构简单，但是工作能力较低;双腔或者三腔长径比大，结构比较复杂，活性炭容积相同的情况下，工作能力提高20%40乐因此国六炭罐可采用双腔或者三腔结构（如图3所示）。另外，较大的长径比有利于燃油蒸气的充分吸附，但是，随着长径比的增加，炭罐内部的阻力也增大，工作能力也会随之下降，因此，需要合理设计炭罐长径比，一般3.54的长径比为佳。图3三腔结构炭罐示意图为更好地吸脱附燃油蒸气，炭罐吸附口和通气口的内径应大于14.5mm,以减小通气阻力，便于炭罐的吸附和脱附，同时，接口内部的结构应避免形成涡流或者气阻区域。另外，整车加油过程中、车辆行驶过程中的动态泄漏，以及炭罐吸附管中燃油蒸气的凝结，都有可能导致油液进入炭罐，导致炭罐功能失效。因此，炭罐在设计时需考虑在内部增加积液腔结构，避免油液直接接触炭粉导致炭罐功能失效。根据经验，积液腔容积的大小，一般至少是积液量的10倍。积液量需结合动态泄漏及炭罐吸附管的内部体积综合计算，如积液量较多，通过炭罐本身的结构无法满足积液腔容积的需求，可通过外接积液腔的方式来有效降低炭罐被淹的风险。由于汽油本身的易挥发性，积液挥发后仍可被炭罐吸附，输送给发动机用于燃烧。4.2布置设计好的炭罐结构设计，还需要配合合理的布置方式以使其性能达到佳。一般国六炭罐好布置在比较高的位置，可以有效降低炭罐积液的风险，或减少炭罐的积液量，保证其工作的稳定性。在国六法规IV型和Vn型试验过程中，会外接一个炭罐来测定整车炭罐吸附的临界点（炭罐吸附饱和，有2g的HC化合物从炭罐通气口逸出的时刻），同时，VIl型试验过程中还有断开、重新连接炭罐的过程，因此，炭罐的布置位置尽量便于拆装，以保证整车排放试验的顺利进行，避免因炭罐拆装不便、拆装时间过长而导致的试验结果的偏差。另外，活性炭吸附HC化合物是一个放热过程，脱附HC化合物是一个吸热过程，随着温度的升高，炭粉的吸附能力会减弱，脱附能力则提高，因此炭罐所处的环境温度对于炭罐的性能也有着重要的影响。试验研究表明，环境温度在50°C以下，随着温度的升高，炭罐的性能差异不大;如果温度高于50,炭罐的工作能力相比常温下大约有10%的衰减，温度继续提高，炭罐的脱附能力变化不大，但吸附能力明显衰减，其工作能力将有大幅度的衰减。因此炭罐的布置应尽量避开热源，且通风散热良好，确保其处于佳的工作环境。5结束语作为燃油蒸发排放控制系统的关键零部件，炭罐的设计和布置对整车性能的达标与否起着关键性的作用。本文对炭罐的结构布置、炭粉的选择以及额定容积设计计算等方面进行了介绍，可作为设计参考。
