汽车国六碳罐全新开发流程

邓海文，祝思敏，彭义增

(江铃汽车股份有限公司,江西南昌 330000)

0 引言

碳罐是汽油车低压燃油系统的主要零部件，也是蒸发控制系统(Evaporation Emission Control，EVAP)最关键的部件。国六标准法规要求：(1)汽车在加油过程中产生的油蒸汽只能通过碳罐收集；(2)两昼夜中由于环境温度变化导致燃油蒸汽排放≤640 mg(GB18352.6-2016规定燃油蒸汽排放≤700 mg-DF)(其中DF是劣化系数)[1]。与国五法规相比，燃油蒸发排放提高65%以上[2]。这相当于对低压燃油系统提出更为严苛的要求，其中能满足法规要求最关键的零件设计就是碳罐。目前，国内对碳罐的研究主要是通过开展相应的台架试验和国外经验相结合来满足汽车行业的要求，但是这种逆向开发耗时太长且不稳健。国家规定在2020年后市场上只能销售国六汽车[2]，这对各汽车制造主机厂(Original Equipment Manufacturer，OEM)和相关零部件厂是一个巨大的挑战，因此在这么短的时间内需要一套稳健的开发策略来帮助OEM开发国六碳罐，本文作者结合碳粉的结构特点及国六排放法规试验流程来分析如何开发国六碳罐。

1 碳罐的作用

针对国六法规要求，制定的低压燃油系统如图1所示。

从图1可知，碳罐处于低压燃油系统衔接位置，既可吸附来自燃油箱的燃油蒸汽，也可在发动机运行过程中被脱附[3]，如此往复使碳罐被无限循环利用，需要把握碳罐在这个过程的平衡[4]，不能让过多的燃油蒸汽从碳罐逃逸出去[5]。

图1 国六低压燃油系统

2 碳罐内部工作原理

碳罐内部的主要工作原理如图2所示。其内部主要是碳粉，碳粉内部是一种多孔介质材料，主要是一种相互贯通或封闭的孔洞构成网络的材料，孔洞的边界或表面由支柱或平板构成[6]，同时由于范德华力的作用，导致燃油蒸汽可以吸附在碳颗粒的表面[7]。此过程也是放热过程，通常温度会上升40 ℃，如果碳罐结构不合理或者有其他物质，会导致碳罐灼伤。相反，脱附过程即油蒸汽从碳颗粒表面逃离，是吸热过程。

图2 碳罐工作原理微观图

3 国六碳罐工作状态及开发流程

3.1 碳罐Ⅳ型蒸发排放试验

图3所示为碳罐Ⅳ型蒸发排放试验流程图[2]。

图3 碳罐Ⅳ型蒸发排放试验流程图

对于碳罐最终要满足油蒸汽排放≤xmg，必须在上一步车辆预处理行驶时对碳罐进行脱附[5]，使碳罐有足够的工作能力来吸收热浸+2日昼夜排放测试过程中进入碳罐的油蒸汽，但由于碳粉吸附油蒸汽是靠自身多孔介质的范德华力来留住油气分子，只要有气流的扰动，就可能会有油分子挣脱范德华力进行移动[8]，所以在车辆预处理行驶过程中腾出的工作能力除了用于吸收热浸+2日昼夜排放测试过程中进入碳罐的油蒸汽以外，还需要预留一部分工作能力用于减少油气分子逃逸到大气中。综上得出碳罐Ⅳ型蒸发排放试验开发流程图如图4所示。

图4 碳罐Ⅳ型蒸发排放试验开发流程图

3.2 碳罐Ⅶ型蒸发排放试验

图5所示为碳罐Ⅶ型蒸发排放试验流程图[1]。

图5 碳罐Ⅶ型蒸发排放试验流程图

对于碳罐最终要满足油蒸汽排放≤zmg，必须在上一步车辆预处理行驶时对碳罐进行脱附，使碳罐腾出足够的工作能力来吸附加油排放测试过程中进入碳罐的油蒸汽。由于碳粉吸附油蒸汽是靠自身多孔介质的范德华力来留住油气分子，只要有气流的扰动，可能会有汽油分子挣脱范德华力进行移动，汽油分子移动有一定的规律，大部分是从高浓度向低浓度扩散，低浓度向大气口扩散，所以在加油过程中，油箱内燃油蒸汽经过碳罐排到大气过程中就会因气流扰动带出一部分汽油分子到大气，因此在车辆预处理行驶过程中腾出的工作能力，除了用于吸收加油排放测试过程中进入碳罐的油蒸汽以外，还需要预留一部分工作能力用于减少油气分子逃逸到大气中，但是预留多少不易把握，可按照30%先设定，再进行一轮试验验证。综上得出碳罐Ⅶ型蒸发排放试验开发流程图如图6所示。

图6 碳罐Ⅶ型蒸发排放试验开发流程图

4 结论

结合已发布的GB18352.6-2016《轻型汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》[1]，提取出与碳罐相关的试验，对碳罐的开发制定了一套开发流程，采用这套开发流程可以大大降低汽车国六碳罐的开发难度，缩短开发周期。目前该流程已经在某汽车制造主机厂运用，并在2017年底成功通过测试。