汽車國六碳罐全新開發流程

鄧海文，祝思敏，彭義增

(江鈴汽車股份有限公司,江西南昌 330000)

0 引言

碳罐是汽油車低壓燃油系統的主要零部件，也是蒸發控制系統(Evaporation Emission Control，EVAP)最關鍵的部件。國六標準法規要求：(1)汽車在加油過程中產生的油蒸汽只能通過碳罐收集；(2)兩晝夜中由于環境溫度變化導致燃油蒸汽排放≤640 mg(GB18352.6-2016規定燃油蒸汽排放≤700 mg-DF)(其中DF是劣化系數)[1]。與國五法規相比，燃油蒸發排放提高65%以上[2]。這相當于對低壓燃油系統提出更為嚴苛的要求，其中能滿足法規要求最關鍵的零件設計就是碳罐。目前，國內對碳罐的研究主要是通過開展相應的臺架試驗和國外經驗相結合來滿足汽車行業的要求，但是這種逆向開發耗時太長且不穩健。國家規定在2020年后市場上只能銷售國六汽車[2]，這對各汽車制造主機廠(Original Equipment Manufacturer，OEM)和相關零部件廠是一個巨大的挑戰，因此在這么短的時間內需要一套穩健的開發策略來幫助OEM開發國六碳罐，本文作者結合碳粉的結構特點及國六排放法規試驗流程來分析如何開發國六碳罐。

1 碳罐的作用

針對國六法規要求，制定的低壓燃油系統如圖1所示。

從圖1可知，碳罐處于低壓燃油系統銜接位置，既可吸附來自燃油箱的燃油蒸汽，也可在發動機運行過程中被脫附[3]，如此往復使碳罐被無限循環利用，需要把握碳罐在這個過程的平衡[4]，不能讓過多的燃油蒸汽從碳罐逃逸出去[5]。

圖1 國六低壓燃油系統

2 碳罐內部工作原理

碳罐內部的主要工作原理如圖2所示。其內部主要是碳粉，碳粉內部是一種多孔介質材料，主要是一種相互貫通或封閉的孔洞構成網絡的材料，孔洞的邊界或表面由支柱或平板構成[6]，同時由于范德華力的作用，導致燃油蒸汽可以吸附在碳顆粒的表面[7]。此過程也是放熱過程，通常溫度會上升40 ℃，如果碳罐結構不合理或者有其他物質，會導致碳罐灼傷。相反，脫附過程即油蒸汽從碳顆粒表面逃離，是吸熱過程。

圖2 碳罐工作原理微觀圖

3 國六碳罐工作狀態及開發流程

3.1 碳罐Ⅳ型蒸發排放試驗

圖3所示為碳罐Ⅳ型蒸發排放試驗流程圖[2]。

圖3 碳罐Ⅳ型蒸發排放試驗流程圖

對于碳罐最終要滿足油蒸汽排放≤xmg，必須在上一步車輛預處理行駛時對碳罐進行脫附[5]，使碳罐有足夠的工作能力來吸收熱浸+2日晝夜排放測試過程中進入碳罐的油蒸汽，但由于碳粉吸附油蒸汽是靠自身多孔介質的范德華力來留住油氣分子，只要有氣流的擾動，就可能會有油分子掙脫范德華力進行移動[8]，所以在車輛預處理行駛過程中騰出的工作能力除了用于吸收熱浸+2日晝夜排放測試過程中進入碳罐的油蒸汽以外，還需要預留一部分工作能力用于減少油氣分子逃逸到大氣中。綜上得出碳罐Ⅳ型蒸發排放試驗開發流程圖如圖4所示。

圖4 碳罐Ⅳ型蒸發排放試驗開發流程圖

3.2 碳罐Ⅶ型蒸發排放試驗

圖5所示為碳罐Ⅶ型蒸發排放試驗流程圖[1]。

圖5 碳罐Ⅶ型蒸發排放試驗流程圖

對于碳罐最終要滿足油蒸汽排放≤zmg，必須在上一步車輛預處理行駛時對碳罐進行脫附，使碳罐騰出足夠的工作能力來吸附加油排放測試過程中進入碳罐的油蒸汽。由于碳粉吸附油蒸汽是靠自身多孔介質的范德華力來留住油氣分子，只要有氣流的擾動，可能會有汽油分子掙脫范德華力進行移動，汽油分子移動有一定的規律，大部分是從高濃度向低濃度擴散，低濃度向大氣口擴散，所以在加油過程中，油箱內燃油蒸汽經過碳罐排到大氣過程中就會因氣流擾動帶出一部分汽油分子到大氣，因此在車輛預處理行駛過程中騰出的工作能力，除了用于吸收加油排放測試過程中進入碳罐的油蒸汽以外，還需要預留一部分工作能力用于減少油氣分子逃逸到大氣中，但是預留多少不易把握，可按照30%先設定，再進行一輪試驗驗證。綜上得出碳罐Ⅶ型蒸發排放試驗開發流程圖如圖6所示。

圖6 碳罐Ⅶ型蒸發排放試驗開發流程圖

4 結論

結合已發布的GB18352.6-2016《輕型汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》[1]，提取出與碳罐相關的試驗，對碳罐的開發制定了一套開發流程，采用這套開發流程可以大大降低汽車國六碳罐的開發難度，縮短開發周期。目前該流程已經在某汽車制造主機廠運用，并在2017年底成功通過測試。