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(*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(ECU)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，与燃油蒸气一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0.98kPa@10L/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≤1kPa@50L/min。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0.38kPa@50L/min。

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Ⅶ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;η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1100型炭粉为例。
1)Ⅳ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0.8g/L;炭粉工作能力的试验值G=55g/L，得出:V4=55×0.8×1.2×2/55=1.92L。
2)Ⅶ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1.4g/L，炭粉工作能力的试验值G=37g/L，得出:V7=55×1.5×1.2/37=2.68L。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%，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3.5～4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Ⅶ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，Ⅶ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℃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。