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    輕型汽車國六炭罐設計研究

    更新時間:2018-08-07      點擊次數:2786

    GB18352.62016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(*六階段)》強制性法規(以下簡稱國六法規),要求自202071日起,所有銷售和注冊登記的輕型汽車應符合本標準要求。其中,加強了燃油蒸發排放限值的要求,同時增加了加油過程中污染物排放限值的要求。炭罐作為燃油蒸發排放污染物控制系統的關鍵零部件之一,它的性能對整車燃油蒸發排放的符合性起到了決定性作用。
    本文通過炭罐容積的設計、炭粉的選擇、炭罐的結構布置等方面簡述國六炭罐設計的要點,使燃油蒸發排放和加油排放得到有效控制,從而滿足國六排放標準的要求。
    1 炭罐的工作原理
    炭罐內部裝有對燃油蒸氣吸附和脫附能力很強的活性炭,通過吸附口與油箱連接,用于收集油箱內部燃油蒸發產生的燃油蒸氣;通過脫附口與發動機相連,將吸附的燃油蒸氣脫附至發動機內部進行燃燒;通過通氣口與大氣相通,給發動機提供新鮮空氣的同時實現炭罐的脫附。炭罐功能簡圖如圖1所示。

    1炭罐功能簡圖
    當車輛靜止,發動機不運轉時,油箱內汽油揮發產生燃油蒸氣經重力閥和燃油蒸發管,通過炭罐的吸附口進入炭罐,被炭罐內部活性炭吸附并儲存;車輛加油時,汽油揮發的速度較快,將產生較多的燃油蒸氣,油箱內部壓力急速升高,在壓差的作用下,油箱內部的燃油蒸氣進入炭罐,被吸附并存儲起來。當發動機運轉時,通過電子控制單元(ECU)來控制炭罐電磁閥的通斷。發動機達到一定轉速時,炭罐電磁閥開啟,發動機的進氣系統內部產生負壓,新鮮空氣從炭罐通氣口進入炭罐,與燃油蒸氣一起從炭罐脫附口進入進氣管,后進入發動機氣缸內燃燒。
    2 炭粉的選擇
    由于前面第五階段的燃油蒸發排放限值要求相對于第六階段較低,目前,國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。為了適應國六排放標準的要求,需提高炭罐的吸附和脫附能力,同時降低炭罐內部的通氣阻力,一般要求≤1kPa@50L/min。而傳統的顆粒碳很難滿足此要求,因此需要選用工作能力更強、通氣阻力更小、強度更高的柱狀炭。如表1所示,表中3種型號炭粉的通氣阻力都為0.38kPa@50L/min。

    1炭粉工作能力
    炭粉的選擇,對炭罐容積的大小有著直接的影響。選用工作能力較強的炭粉,炭罐容積相對較小,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,吸附能力較強的炭粉,其脫附能力相對較差。根據炭粉廠家的試驗研究,不同的炭粉型號組合,其炭罐的HC排放量如圖2所示。

    2炭罐排放水平
    3 額定容積的設計
    對于炭罐,國六排放標準中需進行型和型試驗。兩種試驗條件下,燃油蒸發速率、炭粉的工作能力是不同的,因此,所需的炭罐容積也不同。下面對兩種試驗條件下的炭罐容積分別進行計算,分別為V4V7,終炭罐容積取計算值較大者。
    依據油箱的額定容積、燃油蒸發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為油箱的額定容積為燃油蒸發率;S為安全系數,一般取1.2;G為炭粉工作能力(通過試驗得到)。以55L油箱、選用1100型炭粉為例。
    1)型試驗。該試驗中換氣時間為2天,燃油蒸發量應按2天計算;我國目前型試驗條件下的燃油蒸發率約為0.8g/L;炭粉工作能力的試驗值G=55g/L,得出:V4=55×0.8×1.2×2/55=1.92L。
    2)型試驗。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率約為1.4g/L,炭粉工作能力的試驗值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為2.7L。
    4 結構及布置設計
    4.1結構設計
    炭罐合理的結構設計可有效提高炭罐的工作能力。炭罐內部一般為單腔、雙腔或者三腔結構。單腔結構簡單,但是工作能力較低;雙腔或者三腔長徑比大,結構比較復雜,活性炭容積相同的情況下,工作能力提高20%40%,因此國六炭罐可采用雙腔或者三腔結構(如圖3所示)。另外,較大的長徑比有利于燃油蒸氣的充分吸附,但是,隨著長徑比的增加,炭罐內部的阻力也增大,工作能力也會隨之下降,因此,需要合理設計炭罐長徑比,一般3.54的長徑比為佳。

    3三腔結構炭罐示意圖
    為更好地吸脫附燃油蒸氣,炭罐吸附口和通氣口的內徑應大于14.5mm,以減小通氣阻力,便于炭罐的吸附和脫附,同時,接口內部的結構應避免形成渦流或者氣阻區域。
    另外,整車加油過程中、車輛行駛過程中的動態泄漏,以及炭罐吸附管中燃油蒸氣的凝結,都有可能導致油液進入炭罐,導致炭罐功能失效。因此,炭罐在設計時需考慮在內部增加積液腔結構,避免油液直接接觸炭粉導致炭罐功能失效。根據經驗,積液腔容積的大小,一般至少是積液量的10倍。積液量需結合動態泄漏及炭罐吸附管的內部體積綜合計算,如積液量較多,通過炭罐本身的結構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險。由于汽油本身的易揮發性,積液揮發后仍可被炭罐吸附,輸送給發動機用于燃燒。
    4.2布置設計
    好的炭罐結構設計,還需要配合合理的布置方式以使其性能達到佳。一般國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險,或減少炭罐的積液量,保證其工作的穩定性。在國六法規型和型試驗過程中,會外接一個炭罐來測定整車炭罐吸附的臨界點(炭罐吸附飽和,有2gHC化合物從炭罐通氣口逸出的時刻),同時,型試驗過程中還有斷開、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的順利進行,避免因炭罐拆裝不便、拆裝時間過長而導致的試驗結果的偏差。
    另外,活性炭吸附HC化合物是一個放熱過程,脫附HC化合物是一個吸熱過程,隨著溫度的升高,炭粉的吸附能力會減弱,脫附能力則提高,因此炭罐所處的環境溫度對于炭罐的性能也有著重要的影響。
    試驗研究表明,環境溫度在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。因此炭罐的布置應盡量避開熱源,且通風散熱良好,確保其處于佳的工作環境。
    5 結束語
    作為燃油蒸發排放控制系統的關鍵零部件,炭罐的設計和布置對整車性能的達標與否起著關鍵性的作用。本文對炭罐的結構布置、炭粉的選擇以及額定容積設計計算等方面進行了介紹,可作為設計參考。

     

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