GB18352.6－2016《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(*六階段)》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,。
本文通過炭罐容積的設(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。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。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),，通過電子控制單元(ECU)來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，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0.98kPa@10L/min,。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≤1kPa@50L/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0.38kPa@50L/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,，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:

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(通過試驗(yàn)得到),。以55L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0.8g/L;炭粉工作能力的試驗(yàn)值G=55g/L，得出:V4=55×0.8×1.2×2/55=1.92L,。
2)Ⅶ型試驗(yàn)。加油過程較短,，不考慮晝夜換氣的影響,。一般加油過程中燃油蒸發(fā)率約為1.4g/L，炭粉工作能力的試驗(yàn)值G=37g/L,，得出:V7=55×1.5×1.2/37=2.68L,。所以，所需炭罐額定容積至少應(yīng)為2.7L,。
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%，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)徑比為佳。

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14.5mm,，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,，整車加油過程中,、車輛行駛過程中的動(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,，通過炭罐本身的結(jié)構(gòu)無法滿足積液腔容積的需求，可通過外接積液腔的方式來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)到佳。一般國(guó)六炭罐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)過程中,，會(huì)外接一個(gè)炭罐來測(cè)定整車炭罐吸附的臨界點(diǎn)(炭罐吸附飽和，有2g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)過程中還有斷開、重新連接炭罐的過程,，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)放熱過程,，脫附HC化合物是一個(gè)吸熱過程,，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。因此炭罐的布置應(yīng)盡量避開熱源,，且通風(fēng)散熱良好，確保其處于佳的工作環(huán)境,。
5 結(jié)束語
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。