國六碳罐設(shè)計(jì)簡述

李海亮

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

引言

隨著GB 18352.6-2016輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）的發(fā)布，型式認(rèn)證2019年1月1日實(shí)施，銷售車輛2020年1月1日實(shí)施；北京等地區(qū)可能提前實(shí)施；

國六法規(guī)相比國五法規(guī)，主要變動(dòng)如下：

1）整車排放物要求限值加嚴(yán)及新增排放物要求（I型、II型、III型、V型、VI型試驗(yàn)內(nèi)容及限值變化）；

2）針對燃油系統(tǒng)的燃油蒸發(fā)排放要求加嚴(yán)，并增加加油蒸發(fā)排放試驗(yàn)要求（IV型試驗(yàn)內(nèi)容及限值變化，新增VII型試驗(yàn)）；

3）OBD檢測內(nèi)容變化及增加（汽車OBD系統(tǒng)內(nèi)容及報(bào)警限值變化）；

4）標(biāo)定以及整車試驗(yàn)相關(guān)工況變化（NEDC變?yōu)閃LTP）。

針對以上變化，動(dòng)力總成、燃油系統(tǒng)等需要重新設(shè)計(jì)開發(fā)；其中IV型蒸發(fā)污染物排放試驗(yàn)加嚴(yán)，新增VII型加油過程蒸發(fā)污染物排放試驗(yàn)；這兩項(xiàng)試驗(yàn)主要針對燃油系統(tǒng)，這對燃油系統(tǒng)提出非常高的要求，燃油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有較大挑戰(zhàn)，其中核心零部件碳罐總成的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，直接涉及到IV型和VII型試驗(yàn)是否合格。

碳罐總成是燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)的核心零部件，主要利用碳罐中的碳粉對油蒸氣進(jìn)行吸附，并且利用發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)壓，對碳罐進(jìn)行脫附，將吸附的油蒸氣吸附到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行燃燒；其中的兩個(gè)核心問題：碳罐的吸附能力和脫附能力，吸附能力與碳罐本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、碳粉類型、容積等有關(guān)，脫附能力與發(fā)動(dòng)機(jī)脫附能力、碳罐容積、碳粉類型等有關(guān)。

1 國六碳罐工作原理及要求

1.1 國六碳罐工作原理

燃油系統(tǒng)在車輛浸置、行駛以及加油過程中會產(chǎn)生油蒸氣，需要碳罐將油蒸氣有效吸附油分子并將凈化后的空氣排到大氣，同時(shí)通過發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的脫附流量將碳罐中的油分子進(jìn)行脫附。

國六法規(guī)中IV型、VII型試驗(yàn)中碳罐晝間油蒸氣加載和ORVR過程中油蒸氣加載對碳罐的工作能力和阻抗都有很高的要求；

V型試驗(yàn)對碳罐的耐久和一致性有很高的要求。

圖1 晝間加載

圖2 ORVR加載

1.2 碳罐總成的要求

1.2.1 認(rèn)證和一致性

正確的初始值：工作能力及容積申報(bào)值與測試值應(yīng)該在10%的誤差范圍內(nèi)。

良好的一致性：抽取3個(gè)碳罐檢測的工作能力及容積平均值需大于申報(bào)值的 90%；每個(gè)測試結(jié)果需大于申報(bào)值的85%。

1.2.2 蒸發(fā)排放耐久性

燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)必須滿足整車 16萬公里耐久里程的蒸發(fā)排放要求。

1.2.3 蒸發(fā)污染物排放限值

表1 整車、燃油系統(tǒng)以及碳罐的蒸發(fā)污染物排放值限值要求

2 國六碳罐總成設(shè)計(jì)

2.1 國六碳罐總成設(shè)計(jì)要素

表2 碳罐的設(shè)計(jì)關(guān)鍵要素表

2.2 確定碳罐體積

碳罐體積設(shè)計(jì)主要基于燃油蒸氣生成量

表3 碳罐計(jì)算參數(shù)表

ORVR需求碳罐體積遠(yuǎn)大于晝間需求碳罐體積，因此碳罐體積設(shè)計(jì)主要依據(jù)ORVR需求計(jì)算。

2.3 碳罐碳粉的選擇

碳罐工作能力和特性取決于碳粉的選擇，現(xiàn)美國市場及國內(nèi)市場上基本上都是美德維實(shí)維克的碳粉。維實(shí)維克的碳粉特點(diǎn)：高強(qiáng)度、低粉塵、自發(fā)熱低、吸附能力強(qiáng)、阻抗小等特點(diǎn)：

圖3 不同的碳粉及組合的滲透排放值（150BV脫附）

美國市場LEVⅡ基本都是使用BAX1500+BAX LBE，也有個(gè)別使用 BAX1500+BAX 1100；LEVⅢ使用 BAX1500+Honeycomb；

國六碳粉選擇BAX1500+BAX LBE，其中BAX LBE固定使用0.3L， BAX LBE吸附能力較差，但是脫附能力非常強(qiáng)，在通大氣口填充BAX LBE碳粉，可以避免碳罐中吸附的油蒸氣排到大氣中，造成排放值較高。同時(shí)通過試驗(yàn)，添加0.3L體積效果最好。在計(jì)算時(shí)忽略LBE的吸附能力。

2.4 碳罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.4.1 碳罐材料

碳罐的本體材料一般選用PA66或PA66+GF30。

2.4.2 碳罐腔體

碳罐腔體一般設(shè)計(jì)2-4個(gè)。

2.4.3 碳罐長徑比

碳罐長徑比一般設(shè)計(jì) 3.5-4之間；在這個(gè)范圍內(nèi)滲透排放量是最佳。

圖4 不同的隔板位置和長徑比的滲透排放值

圖5 碳罐腔體內(nèi)隔板位置示意圖

一般雙腔的碳罐，隔板在1/3處滲透排放值最低；多腔的碳罐主腔中的隔板也應(yīng)在腔體的1/3處；國六的碳罐的長徑比一般在3.5-4之間時(shí)排放滲透最佳；

2.4.4 碳罐填裝緊實(shí)度

碳罐填裝緊實(shí)度一定要設(shè)計(jì)好，主要是彈簧力的設(shè)計(jì)和碳粉的選擇；

圖6 碳罐預(yù)緊彈簧示意圖

碳罐具備合理的緊實(shí)度可以保證碳罐流阻的平衡性、吸附效率以及耐久性；使用維實(shí)維克高強(qiáng)度、低粉塵的碳粉對緊實(shí)度有很好的保證；

預(yù)緊彈簧需要確保在使用過程中不會產(chǎn)生碳粉泄漏、合理的預(yù)緊力，同時(shí)避免因彈簧力過大導(dǎo)致的碳罐失效；彈簧力計(jì)算時(shí)需要考慮碳罐姿態(tài)、碳粉重量、吸附的油蒸氣重量、使用過程中的加速度等因素；

2.4.5 碳罐填裝緊實(shí)度

碳罐接口密封全部使用無紡布，不再使用海綿。

圖7 碳罐腔體中無紡布示意圖

由于DMTL等精密電子器件對清潔度要求非常高，國六碳罐中一般都使用無紡布對接口處進(jìn)行阻隔密封。

2.5 國六碳罐流阻要求

為了ORVR加油通暢性以及滿足《HJT 390 環(huán)境保護(hù)產(chǎn)品技術(shù)要求_汽油車燃油蒸發(fā)污染物控制系統(tǒng)》法規(guī)要求，碳罐流阻要求：＜1Kpa@50L/min、＜1.5Kpa@70L/min

影響因素：

1）碳粉型號及特性：粉塵含量小、高強(qiáng)度的柱狀碳；

2）碳罐長徑比及容積：長徑比 3.5-4；碳粉容積滿足要求即可，不可預(yù)留太大安全系數(shù)；

3）碳罐緊實(shí)度：彈簧預(yù)緊力合理；

4）接口結(jié)構(gòu)及管徑設(shè)計(jì)：吸附口以及通大氣口內(nèi)徑大于12mm，接口內(nèi)部結(jié)構(gòu)避免形成渦流或氣阻區(qū)域；

5）碳罐本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：隔板的位置合理，在腔內(nèi)盡量避免渦流或阻滯區(qū)域。

2.6 碳罐總成布置要求

碳罐的布置位置需要注意：

1）防撞擊、石擊的位置

2）遠(yuǎn)離熱源：熱源高溫容易造成蒸發(fā)排放過多或超標(biāo)；

3）避免碳罐吸附口過低造成油箱上重力閥或FLVV閥中溢出的燃油進(jìn)入；

4）要比DMTL布置位置低，防止碳罐中粉塵的物質(zhì)進(jìn)入DMTL中。

3 國六碳罐重點(diǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 碳罐總成流阻測試

碳罐出模后首先對流阻進(jìn)行摸底：分別測試在10L/min、20L/min、30L/min、40L/min、50L/min、60L/min、70L/min風(fēng)速下的阻力；此阻力驗(yàn)證碳罐流阻是否滿足要求，同時(shí)為后續(xù)ORVR加油仿真提供加載碳罐的流阻曲線。

3.2 碳罐總成工作能力測試

初始工作能力測試，6次試驗(yàn)循環(huán)后測試，包括汽油工作能力GWC和丁烷工作能力BWC；

終了工作能力測試，300次試驗(yàn)循環(huán)后測試，包括汽油工作能力GWC和丁烷工作能力BWC；BAX1500初始能力：BWC 7g/100ml、GWC 6.5g/100ml；要求工作能力衰減10%以內(nèi)！

國五終了工作能力要求是150次試驗(yàn)循環(huán)后測試，美國試驗(yàn)500次試驗(yàn)循環(huán)（美國耐久要求15年或24萬公里，國六耐久要求16萬公里；

3.3 國六燃油系統(tǒng)ORVR排放水平測試

碳罐預(yù)處理：25次GWC擊穿循環(huán)（模仿3000KM整車磨合），300BV 脫附處理。吸附流速為 40g/h，脫附流速為25L/min；

燃油RVP值必須在試驗(yàn)前測量，控制在56-60之間；

ORVR系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力復(fù)盤：優(yōu)秀的 ORVR系統(tǒng)在滿足VII型試驗(yàn)要求的同時(shí)，可以保證低的蒸氣生成速率。

實(shí)際蒸氣生成率通常在在1.0-1.2之間，超過1.2說明設(shè)計(jì)不合理，小于1.0說明系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常優(yōu)秀。

圖8 燃油系統(tǒng)ORVR蒸發(fā)排放試驗(yàn)流程

3.4 國六碳罐總成蒸發(fā)污染物排放值測試

碳罐預(yù)處理：25次GWC擊穿循環(huán)（模仿3000KM整車磨合），300BV脫附處理；然后丁烷 2g擊穿后使用 150BV脫附流量脫附；吸附流速為40g/h，脫附流速為25L/min；

預(yù)處理后的碳罐放入MICRO-SHED參考國六晝間排放測試進(jìn)行晝間滲透測試，需要滿足滲透排放限值要求：其中油箱連接碳罐吸附并且油箱放入 MINI-SHEED里參考國六標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行溫度循環(huán)加熱；

圖9 碳罐晝間蒸發(fā)排放試驗(yàn)示意圖

4 結(jié)論

本文從國六法規(guī)對碳罐總成的要求，容積的設(shè)計(jì)計(jì)算、碳罐結(jié)構(gòu)、碳粉選擇等方面全面詳述了國六碳罐如何去設(shè)計(jì)，以及重點(diǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目和關(guān)鍵驗(yàn)證方法，能有效指導(dǎo)國六碳罐總成的設(shè)計(jì)開發(fā)工作。