何彥彬 李長江

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心；河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

汽車對環(huán)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(jìn)行了控制；另一部分為整車碳?xì)湔舭l(fā)，由于其具備一定的隱蔽性，排放后經(jīng)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(xiàn)在整車裝備有炭罐，但由于其容積及炭粉工作能力有限，當(dāng)汽車停放超過24 h就存在燃油碳?xì)渫庖绲目赡苄?，從而造成空氣污染。?jīng)統(tǒng)計(jì)，約20%的車輛停放超過24 h，因此國家出臺了更為嚴(yán)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(guī)）。為應(yīng)對環(huán)境惡化，滿足法規(guī)要求，該文總結(jié)了一些炭罐設(shè)計(jì)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過驗(yàn)證可滿足相關(guān)要求。

1 活性炭罐的工作機(jī)理

汽車用活性炭罐工作的主要機(jī)理是利用炭罐總成內(nèi)裝配的活性炭吸附油氣中的碳?xì)浞肿?，從而凈化油氣，排出對大氣無污染的氣體。在發(fā)動機(jī)工作過程中，利用發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓，從炭罐總成通氣口處引入空氣沖洗炭罐內(nèi)活性炭，使其吸附的碳?xì)浞肿臃蛛x，隨脫附空氣進(jìn)入發(fā)動機(jī)參與燃燒，從而實(shí)現(xiàn)炭罐的再循環(huán)使用及節(jié)能環(huán)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?xì)浞肿痈街杏诨钚蕴康目紫侗砻妗Ｆ渑c吸收不同，吸收是讓氣體進(jìn)入固體的內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)中。而吸附作用僅發(fā)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(xiàn)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(shí)就是一種自然的吸引力，在碳?xì)浞肿优c活性炭孔隙達(dá)到作用的距離后就會發(fā)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?xì)浞肿游锢硇缘匚阶　Ｓ捎谲囉没钚蕴坎捎锰厥獾奈锢砑盎瘜W(xué)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(xì)管），如圖1所示。

圖1 活性炭微觀截面圖

這些毛細(xì)管具備非常強(qiáng)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?xì)浞肿釉诮?jīng)過活性炭的毛細(xì)管時(shí)，很容易被毛細(xì)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(xì)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?xì)浞肿舆M(jìn)入毛細(xì)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(qiáng)。

圖2 燃油蒸氣中碳?xì)浞肿游绞疽鈭D

這種吸附的作用力和溫度無關(guān)，不受溫度影響。但在實(shí)際應(yīng)用中，隨著溫度的升高，碳?xì)浞肿拥幕钚砸矊㈦S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(shí)，為保證其可靠的吸附性，推薦布置于整車?yán)涠?。同時(shí)第六階段法規(guī)要求增加車載油氣回收（ORVR）系統(tǒng)，將整車加油過程中產(chǎn)生的燃油蒸氣導(dǎo)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(tǒng)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(qū)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?xì)浞肿訌幕钚蕴恐忻撾x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(fā)動機(jī)工作產(chǎn)生的負(fù)壓，引導(dǎo)清潔空氣進(jìn)入活性炭罐總成沖洗活性炭，當(dāng)脫附空氣帶給碳?xì)涞姆蛛x力大于其被吸附的力時(shí)，碳?xì)浞肿泳蜁蛛x出來，如圖3所示，隨脫附氣體進(jìn)入發(fā)動機(jī)參與燃燒。

圖3 燃油蒸氣中碳?xì)浞肿用摳绞疽鈭D

在此需指出的是，由于活性炭的微孔吸附碳?xì)浞肿拥哪芰Ψ浅?qiáng)，在脫附碳?xì)鋾r(shí)，氣體的脫附力一般很難大于微孔的吸附力，導(dǎo)致部分碳?xì)浞肿訉⒂谰眯缘伛v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(jìn)行相關(guān)測試試驗(yàn)時(shí)，務(wù)必采用老化后的炭罐總成。

2 單體炭罐的設(shè)計(jì)

2.1 工作能力的設(shè)計(jì)

2.1.1 炭罐炭粉的設(shè)計(jì)

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(shù)量越多，其自身吸附碳?xì)浞肿拥哪芰驮礁?。針對中國第六階段法規(guī)的某不同規(guī)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(gè)物理現(xiàn)象，碳?xì)浞肿优c活性炭毛細(xì)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(chǎn)生的汽油蒸氣流速約為37 L/min[1]，此流速明顯高于油箱內(nèi)燃油因晝夜溫度變化產(chǎn)生燃油蒸氣的流速。這時(shí)碳?xì)浞肿优c炭罐毛細(xì)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(jìn)行區(qū)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(yīng)地需要付出更高的成本。為得到較高的性價(jià)比，可以通過分層布置不同的炭粉，實(shí)現(xiàn)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(jì)算

除炭粉選擇及分層布置外，炭罐的長徑比設(shè)計(jì)及腔體分割對整個(gè)炭罐總成的工作能力也有很強(qiáng)的影響。

制作3個(gè)相同容積、不同長徑比和不同腔體分割的炭罐，分別對其進(jìn)行工作能力及裝車蒸發(fā)排放試驗(yàn)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(fā)排放試驗(yàn)結(jié)果表g

通過試驗(yàn)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(jīng)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(shè)置為3.5，腔室容量設(shè)置成2∶1結(jié)構(gòu)。通過以下公式，可以計(jì)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(jì)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(jì)算

依據(jù)第六階段法規(guī)的要求，炭罐的容積及尺寸設(shè)計(jì)基本參照燃油加注時(shí)炭粉的工作能力進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。其中影響炭罐容積的主要是活性炭體積，通過計(jì)算可以估算出活性炭的體積，從而給炭罐總成的設(shè)計(jì)提供支撐。其計(jì)算公式為：

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

目前加油時(shí)的燃油蒸發(fā)生成速率一般在1～1.5 g/L。從活性炭體積計(jì)算公式中可以看出，燃油蒸發(fā)生成速率對活性炭體積影響非常大。因燃油蒸發(fā)生成率與整個(gè)燃油加注系統(tǒng)相關(guān)，故在開發(fā)炭罐總成前，需先有針對性地進(jìn)行燃油系統(tǒng)加注試驗(yàn)，獲取準(zhǔn)確的燃油蒸發(fā)生成率數(shù)據(jù)，且可以優(yōu)化降低燃油蒸發(fā)生成率，主要手段是在油箱和加油管之間增加補(bǔ)氣循環(huán)管路，并根據(jù)加油試驗(yàn)結(jié)果綜合加油順暢性調(diào)整循環(huán)管內(nèi)徑。循環(huán)管內(nèi)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(guī)，采用燃油箱總成額定容積的85%±0.5 L[1]進(jìn)行設(shè)定。安全系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值推薦為118%。

2.2 炭罐通氣性要求

在進(jìn)行炭罐設(shè)計(jì)時(shí)，需利用CFD進(jìn)行通氣阻力仿真計(jì)算。由于活性炭和無紡布的內(nèi)部結(jié)構(gòu)表面符合多孔介質(zhì)的基本特性，故可在模擬仿真時(shí)將活性炭區(qū)域和無紡布區(qū)域定義為多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)[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(dǎo)致仿真數(shù)據(jù)實(shí)際存在一定偏差。完成產(chǎn)品分析優(yōu)化后，務(wù)必需要進(jìn)行前期樣件通氣性試驗(yàn)測試，如圖5所示。因系統(tǒng)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(yàn)結(jié)果的判定需依照主機(jī)廠對此的要求執(zhí)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(jìn)行。

需注意的是，因整車增加16萬km耐久強(qiáng)制要求，基于耐久及蒸發(fā)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(nèi)燃油加注的順暢性，活性炭粉裝填必須密實(shí)，且在炭罐底部應(yīng)設(shè)置因炭罐耐久振動后，炭粉進(jìn)一步密實(shí)產(chǎn)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(fā)生。

3 整車對炭罐的設(shè)計(jì)要求

3.1 進(jìn)入炭罐液體影響

汽車在行駛過程中，由于路面情況復(fù)雜，油箱內(nèi)部燃油會產(chǎn)生各個(gè)方向上的運(yùn)動。雖然各油箱供應(yīng)商會努力減少油箱外泄的液態(tài)燃油量，但由于油箱目前通常采用懸浮式機(jī)械通氣閥門，其響應(yīng)必然存在一定的時(shí)間，這段時(shí)間內(nèi)就會存在液態(tài)燃油泄漏的可能性。因符合第六階段法規(guī)的車輛匹配的ORVR系統(tǒng)通氣管路同時(shí)接入油箱和炭罐，較國Ⅴ系統(tǒng)又增加了一條通路進(jìn)入炭罐，導(dǎo)致其工作惡劣情況進(jìn)一步加劇，故在設(shè)計(jì)炭罐時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)為能通過油管阻止液體燃料進(jìn)入炭罐，并阻止液體燃料與活性炭接觸，防止內(nèi)部活性炭失效。

同時(shí)增加儲液機(jī)構(gòu)后需要設(shè)置相應(yīng)的液態(tài)燃油導(dǎo)出機(jī)構(gòu)，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(dǎo)出機(jī)構(gòu)可以設(shè)置成匹配虹吸管結(jié)構(gòu)，如圖6所示，利用發(fā)動機(jī)脫附氣流，將積液器內(nèi)燃油吸出并汽化，引入發(fā)動機(jī)進(jìn)行燃燒。

圖6 炭罐儲液及液體導(dǎo)出機(jī)構(gòu)

3.2 整車脫附量對炭罐設(shè)計(jì)的影響

第六階段法規(guī)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(gè)非常重要的參數(shù)是汽車運(yùn)行過程中對炭罐脫附量的影響。

因第六階段法規(guī)關(guān)于整車“蒸發(fā)污染物排放試驗(yàn)（Ⅳ型試驗(yàn)）”是參照美標(biāo)要求制定的，故對美標(biāo)車和國標(biāo)車進(jìn)行了比對測試。經(jīng)測定，美標(biāo)車在NEDC工況下，脫附空氣的總流量是國標(biāo)車的10倍，脫附掉炭罐的質(zhì)量也是國標(biāo)車的6倍[4]。

目前國內(nèi)各主機(jī)廠為達(dá)到節(jié)能降耗的要求，大多采用了小排量+增壓器發(fā)動機(jī)，這樣就造成了其發(fā)動機(jī)的脫附量較美標(biāo)車要小很多。即使炭罐的工作能力滿足要求，但在標(biāo)準(zhǔn)的行駛循環(huán)下，如脫附量過小，將導(dǎo)致部分碳?xì)浞肿玉v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(yīng)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(chǔ)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(shí)，利用加熱裝置加熱進(jìn)氣溫度，從而提升碳?xì)浞肿拥幕钚?，使其受到脫附氣體沖擊時(shí)更易脫離活性炭毛細(xì)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(dāng)整車脫附量與炭罐體積比值小于150時(shí)，即需要預(yù)留以上方案設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

文章闡述了符合第六階段法規(guī)炭罐的一些設(shè)計(jì)要點(diǎn)，經(jīng)過相關(guān)驗(yàn)證，可以滿足初始燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。但因燃油加注涉及燃油箱閥門設(shè)計(jì)、加油管設(shè)計(jì)、中間管路設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)的綜合匹配，因此在完成炭罐的初始設(shè)計(jì)后，需進(jìn)行樣件實(shí)際匹配試驗(yàn)調(diào)整后才能夠最終定型。