國Ⅵ法規下的炭罐設計

何彥彬 李長江

（長城汽車股份有限公司技術中心；河北省汽車工程技術研究中心）

汽車對環境的影響主要分為兩部分，一部分是其尾氣排放，此部分污染源由于其具有可視性，很早就進行了控制；另一部分為整車碳氫蒸發，由于其具備一定的隱蔽性，排放后經大氣稀釋，具有不可見、不可聞及不可視的特性，容易被忽視。雖然現在整車裝備有炭罐，但由于其容積及炭粉工作能力有限，當汽車停放超過24 h就存在燃油碳氫外溢的可能性，從而造成空氣污染。經統計，約20%的車輛停放超過24 h，因此國家出臺了更為嚴格的《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（下文簡稱為第六階段法規）。為應對環境惡化，滿足法規要求，該文總結了一些炭罐設計開發經驗，經過驗證可滿足相關要求。

1 活性炭罐的工作機理

汽車用活性炭罐工作的主要機理是利用炭罐總成內裝配的活性炭吸附油氣中的碳氫分子，從而凈化油氣，排出對大氣無污染的氣體。在發動機工作過程中，利用發動機產生的負壓，從炭罐總成通氣口處引入空氣沖洗炭罐內活性炭，使其吸附的碳氫分子分離，隨脫附空氣進入發動機參與燃燒，從而實現炭罐的再循環使用及節能環保作用。

1.1 活性炭吸附油氣的工作原理

汽車用活性炭的吸附是指將燃油蒸氣中的碳氫分子附著集中于活性炭的孔隙表面。其與吸收不同，吸收是讓氣體進入固體的內部原子結構中。而吸附作用僅發生于固體表面，主要來自倫敦色散力，也是另一種凡得瓦力的表現形式。這種力普遍存在于不具有永久性偶極矩的分子之間，它其實就是一種自然的吸引力，在碳氫分子與活性炭孔隙達到作用的距離后就會發生。該力的大小取決于其密切接觸的程度，接觸程度越高，則吸引力越大。

車用活性炭就是利用這種作用力將碳氫分子物理性地吸附住。由于車用活性炭采用特殊的物理及化學品處理工藝，使其具備非常大的表面積，而且在其炭粒中還包含了很多的小孔（毛細管），如圖1所示。

圖1 活性炭微觀截面圖

這些毛細管具備非常強大的吸附能力，所以燃油蒸氣在溢出燃油箱的過程中，與炭罐總成中的活性炭充分接觸，碳氫分子在經過活性炭的毛細管時，很容易被毛細管吸附住，從而起到了凈化作用，如圖2所示。值得說明的是，活性炭的毛細管存在不同的直徑，其具備的吸附能力也不盡相同。其基本可以概括為大孔、中孔和微孔3種。其中孔徑＞50 nm的大孔，由于其吸附能力很弱，僅能作為碳氫分子進入毛細管的大門；孔徑在2～50 nm的中孔，其吸附能力介于孔徑＜2 nm的微孔和大孔之間；微孔吸附能力最強。

圖2 燃油蒸氣中碳氫分子吸附示意圖

這種吸附的作用力和溫度無關，不受溫度影響。但在實際應用中，隨著溫度的升高，碳氫分子的活性也將隨之提升，被活性炭捕捉住的概率也就降低了。所以在布置炭罐總成時，為保證其可靠的吸附性，推薦布置于整車冷端。同時第六階段法規要求增加車載油氣回收（ORVR）系統，將整車加油過程中產生的燃油蒸氣導入炭罐總成做過濾凈化處理。為保證加油的順暢性，還需綜合考慮炭罐吸附效率和系統通暢性，因此推薦將炭罐總成布置于油箱附近，既可使炭罐處于溫度相對低的區域，又使其連通管路的長度變短，從而降低通氣阻力。

1.2 活性炭脫附油氣的工作原理

活性炭的脫附就是吸附的逆過程，是使已被吸附的碳氫分子從活性炭中脫離出來，并使活性炭得以再生的過程。

由于活性炭的吸附屬于物理吸附，具備可逆性，這樣就可以利用發動機工作產生的負壓，引導清潔空氣進入活性炭罐總成沖洗活性炭，當脫附空氣帶給碳氫的分離力大于其被吸附的力時，碳氫分子就會分離出來，如圖3所示，隨脫附氣體進入發動機參與燃燒。

圖3 燃油蒸氣中碳氫分子脫附示意圖

在此需指出的是，由于活性炭的微孔吸附碳氫分子的能力非常強，在脫附碳氫時，氣體的脫附力一般很難大于微孔的吸附力，導致部分碳氫分子將永久性地駐留在活性炭的微孔表面，無法還原參與下次的吸附工作，如圖3所示。故全新的炭罐總成往往首次工作能力較高，但不能代表其真正的工作能力，因此進行相關測試試驗時，務必采用老化后的炭罐總成。

2 單體炭罐的設計

2.1 工作能力的設計

2.1.1 炭罐炭粉的設計

炭罐的工作能力很大一部分依托于炭粉自身的工作能力，即選取的炭粉包含中孔的數量越多，其自身吸附碳氫分子的能力就越高。針對中國第六階段法規的某不同規格的柱狀炭粉工作能力，如表1所示。由于炭粉的吸附能力是一個物理現象，碳氫分子與活性炭毛細管接觸越充分，其吸附的量也就越大。但汽車使用炭罐總成基本分為加油和存放2種情況，其中加油產生的汽油蒸氣流速約為37 L/min[1]，此流速明顯高于油箱內燃油因晝夜溫度變化產生燃油蒸氣的流速。這時碳氫分子與炭罐毛細管的接觸充分量較低，活性炭的工作能力也就較低，故炭粉的工作能力需進行區別。

表1 不同炭粉的工作能力g/L

采用工作能力高的炭粉，可以顯著提升炭罐總成的工作性能，但相應地需要付出更高的成本。為得到較高的性價比，可以通過分層布置不同的炭粉，實現其性能和成本的平衡，如圖4所示。

圖4 不同炭粉組合后炭罐總成性能對比

2.1.2 炭罐長徑比及腔體計算

除炭粉選擇及分層布置外，炭罐的長徑比設計及腔體分割對整個炭罐總成的工作能力也有很強的影響。

制作3個相同容積、不同長徑比和不同腔體分割的炭罐，分別對其進行工作能力及裝車蒸發排放試驗測試，可以看出炭罐長徑比對其影響的程度，如表2所示[2]。

表2 3種炭罐的工作能力及裝車蒸發排放試驗結果表g

通過試驗得出：在滿足整車布置空間的前提下，炭罐可選用多腔U型或W型布置方式；在滿足通氣性的前提下，可通過加長燃油蒸氣經過活性炭的長度，使其與活性炭充分接觸從而提升工作效率。

推薦炭罐總成的長徑比設置為3.5，腔室容量設置成2∶1結構。通過以下公式，可以計算出矩形雙腔炭罐的長徑比（M）。

式中：L——炭罐兩腔高度之和，mm；

D——炭罐計算直徑，mm；

V1，V2——第1、第2腔體積，mm3；

D1，D2——第1、第2腔水力直徑，mm；

B1，B2——第1、第2腔長度，mm；

W1，W2——第1、第2腔寬度，mm。

2.1.3 炭罐容積的計算

依據第六階段法規的要求，炭罐的容積及尺寸設計基本參照燃油加注時炭粉的工作能力進行相關計算。其中影響炭罐容積的主要是活性炭體積，通過計算可以估算出活性炭的體積，從而給炭罐總成的設計提供支撐。其計算公式為：

活性炭體積＝加油時的燃油蒸發生成速率×燃油加注量/活性炭粉的工作能力×安全系數

目前加油時的燃油蒸發生成速率一般在1～1.5 g/L。從活性炭體積計算公式中可以看出，燃油蒸發生成速率對活性炭體積影響非常大。因燃油蒸發生成率與整個燃油加注系統相關，故在開發炭罐總成前，需先有針對性地進行燃油系統加注試驗，獲取準確的燃油蒸發生成率數據，且可以優化降低燃油蒸發生成率，主要手段是在油箱和加油管之間增加補氣循環管路，并根據加油試驗結果綜合加油順暢性調整循環管內徑。循環管內徑尺寸推薦在4～5 mm。

需注意的是，燃油加注量并非燃油箱總成的額定容積，而是要參照第六階段法規，采用燃油箱總成額定容積的85%±0.5 L[1]進行設定。安全系數經驗值推薦為118%。

2.2 炭罐通氣性要求

在進行炭罐設計時，需利用CFD進行通氣阻力仿真計算。由于活性炭和無紡布的內部結構表面符合多孔介質的基本特性，故可在模擬仿真時將活性炭區域和無紡布區域定義為多孔介質結構[3]。

因仿真不能考慮到活性炭顆粒之間的間隙、裝炭量等其他因素，會導致仿真數據實際存在一定偏差。完成產品分析優化后，務必需要進行前期樣件通氣性試驗測試，如圖5所示。因系統壓力要求不同，分配到各部件的限值要求也不盡相同，因此，最終試驗結果的判定需依照主機廠對此的要求執行。

圖5 炭罐總成通氣阻力測試圖

2.3 炭罐耐久可靠性要求

炭罐耐久性的基本要求可參照原國Ⅴ炭罐要求進行。

需注意的是，因整車增加16萬km耐久強制要求，基于耐久及蒸發滲透考慮，推薦炭罐殼體選用PA材料。同樣基于耐久要求，為保證整車壽命內燃油加注的順暢性，活性炭粉裝填必須密實，且在炭罐底部應設置因炭罐耐久振動后，炭粉進一步密實產生的空隙，防止因活性炭粉化造成工作能力下降，通氣阻力變大問題的發生。

3 整車對炭罐的設計要求

3.1 進入炭罐液體影響

汽車在行駛過程中，由于路面情況復雜，油箱內部燃油會產生各個方向上的運動。雖然各油箱供應商會努力減少油箱外泄的液態燃油量，但由于油箱目前通常采用懸浮式機械通氣閥門，其響應必然存在一定的時間，這段時間內就會存在液態燃油泄漏的可能性。因符合第六階段法規的車輛匹配的ORVR系統通氣管路同時接入油箱和炭罐，較國Ⅴ系統又增加了一條通路進入炭罐，導致其工作惡劣情況進一步加劇，故在設計炭罐時應設計為能通過油管阻止液體燃料進入炭罐，并阻止液體燃料與活性炭接觸，防止內部活性炭失效。

同時增加儲液機構后需要設置相應的液態燃油導出機構，以免液體燃油累積超過儲液器的最大容積而損傷炭罐。此導出機構可以設置成匹配虹吸管結構，如圖6所示，利用發動機脫附氣流，將積液器內燃油吸出并汽化，引入發動機進行燃燒。

圖6 炭罐儲液及液體導出機構

3.2 整車脫附量對炭罐設計的影響

第六階段法規的要求是對整車的要求，其中影響炭罐的，除去炭罐自身的工作能力外，還有一個非常重要的參數是汽車運行過程中對炭罐脫附量的影響。

因第六階段法規關于整車“蒸發污染物排放試驗（Ⅳ型試驗）”是參照美標要求制定的，故對美標車和國標車進行了比對測試。經測定，美標車在NEDC工況下，脫附空氣的總流量是國標車的10倍，脫附掉炭罐的質量也是國標車的6倍[4]。

目前國內各主機廠為達到節能降耗的要求，大多采用了小排量+增壓器發動機，這樣就造成了其發動機的脫附量較美標車要小很多。即使炭罐的工作能力滿足要求，但在標準的行駛循環下，如脫附量過小，將導致部分碳氫分子駐留到炭罐總成中無法脫附，致使最終的整車測試失敗。

目前針對炭罐本身應對小脫附量的車型基本方案有：采用不同形式的活性炭粉分層布置；在炭罐總成基礎上增加honeycom b炭棒；在炭罐總成通氣口部位增加加熱裝置，在脫附工況時，利用加熱裝置加熱進氣溫度，從而提升碳氫分子的活性，使其受到脫附氣體沖擊時更易脫離活性炭毛細管的吸引力。利用以上的措施來滿足炭罐對脫附量的要求，且當整車脫附量與炭罐體積比值小于150時，即需要預留以上方案設計。

4 結論

文章闡述了符合第六階段法規炭罐的一些設計要點，經過相關驗證，可以滿足初始燃油系統設計要求。但因燃油加注涉及燃油箱閥門設計、加油管設計、中間管路設計以及系統的綜合匹配，因此在完成炭罐的初始設計后，需進行樣件實際匹配試驗調整后才能夠最終定型。