國六碳罐設計簡述

李海亮

（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，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）的發布，型式認證2019年1月1日實施，銷售車輛2020年1月1日實施；北京等地區可能提前實施；

國六法規相比國五法規，主要變動如下：

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

2）針對燃油系統的燃油蒸發排放要求加嚴，并增加加油蒸發排放試驗要求（IV型試驗內容及限值變化，新增VII型試驗）；

3）OBD檢測內容變化及增加（汽車OBD系統內容及報警限值變化）；

4）標定以及整車試驗相關工況變化（NEDC變為WLTP）。

針對以上變化，動力總成、燃油系統等需要重新設計開發；其中IV型蒸發污染物排放試驗加嚴，新增VII型加油過程蒸發污染物排放試驗；這兩項試驗主要針對燃油系統，這對燃油系統提出非常高的要求，燃油系統的設計具有較大挑戰，其中核心零部件碳罐總成的設計至關重要，直接涉及到IV型和VII型試驗是否合格。

碳罐總成是燃油蒸發控制系統的核心零部件，主要利用碳罐中的碳粉對油蒸氣進行吸附，并且利用發動機的負壓，對碳罐進行脫附，將吸附的油蒸氣吸附到發動機進行燃燒；其中的兩個核心問題：碳罐的吸附能力和脫附能力，吸附能力與碳罐本體結構設計、碳粉類型、容積等有關，脫附能力與發動機脫附能力、碳罐容積、碳粉類型等有關。

1 國六碳罐工作原理及要求

1.1 國六碳罐工作原理

燃油系統在車輛浸置、行駛以及加油過程中會產生油蒸氣，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，同時通過發動機產生的脫附流量將碳罐中的油分子進行脫附。

國六法規中IV型、VII型試驗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 認證和一致性

正確的初始值：工作能力及容積申報值與測試值應該在10%的誤差范圍內。

良好的一致性：抽取3個碳罐檢測的工作能力及容積平均值需大于申報值的 90%；每個測試結果需大于申報值的85%。

1.2.2 蒸發排放耐久性

燃油蒸發控制系統必須滿足整車 16萬公里耐久里程的蒸發排放要求。

1.2.3 蒸發污染物排放限值

表1 整車、燃油系統以及碳罐的蒸發污染物排放值限值要求

2 國六碳罐總成設計

2.1 國六碳罐總成設計要素

表2 碳罐的設計關鍵要素表

2.2 確定碳罐體積

碳罐體積設計主要基于燃油蒸氣生成量

表3 碳罐計算參數表

ORVR需求碳罐體積遠大于晝間需求碳罐體積，因此碳罐體積設計主要依據ORVR需求計算。

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，現美國市場及國內市場上基本上都是美德維實維克的碳粉。維實維克的碳粉特點：高強度、低粉塵、自發熱低、吸附能力強、阻抗小等特點：

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，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。同時通過試驗，添加0.3L體積效果最好。在計算時忽略LBE的吸附能力。

2.4 碳罐結構設計

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

碳罐腔體一般設計2-4個。

2.4.3 碳罐長徑比

碳罐長徑比一般設計 3.5-4之間；在這個范圍內滲透排放量是最佳。

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之間時排放滲透最佳；

2.4.4 碳罐填裝緊實度

碳罐填裝緊實度一定要設計好，主要是彈簧力的設計和碳粉的選擇；

圖6 碳罐預緊彈簧示意圖

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

預緊彈簧需要確保在使用過程中不會產生碳粉泄漏、合理的預緊力，同時避免因彈簧力過大導致的碳罐失效；彈簧力計算時需要考慮碳罐姿態、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 環境保護產品技術要求_汽油車燃油蒸發污染物控制系統》法規要求，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，不可預留太大安全系數；

3）碳罐緊實度：彈簧預緊力合理；

4）接口結構及管徑設計：吸附口以及通大氣口內徑大于12mm，接口內部結構避免形成渦流或氣阻區域；

5）碳罐本體結構設計：隔板的位置合理，在腔內盡量避免渦流或阻滯區域。

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）遠離熱源：熱源高溫容易造成蒸發排放過多或超標；

3）避免碳罐吸附口過低造成油箱上重力閥或FLVV閥中溢出的燃油進入；

4）要比DMTL布置位置低，防止碳罐中粉塵的物質進入DMTL中。

3 國六碳罐重點試驗驗證

3.1 碳罐總成流阻測試

碳罐出模后首先對流阻進行摸底：分別測試在10L/min、20L/min、30L/min、40L/min、50L/min、60L/min、70L/min風速下的阻力；此阻力驗證碳罐流阻是否滿足要求，同時為后續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次試驗循環后測試，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次試驗循環后測試，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！

國五終了工作能力要求是150次試驗循環后測試，美國試驗500次試驗循環（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ORVR排放水平測試

碳罐預處理：25次GWC擊穿循環（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值必須在試驗前測量，控制在56-60之間；

ORVR系統設計能力復盤：優秀的 ORVR系統在滿足VII型試驗要求的同時，可以保證低的蒸氣生成速率。

實際蒸氣生成率通常在在1.0-1.2之間，超過1.2說明設計不合理，小于1.0說明系統設計非常優秀。

圖8 燃油系統ORVR蒸發排放試驗流程

3.4 國六碳罐總成蒸發污染物排放值測試

碳罐預處理：25次GWC擊穿循環（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；

預處理后的碳罐放入MICRO-SHED參考國六晝間排放測試進行晝間滲透測試，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里參考國六標準要求進行溫度循環加熱；

圖9 碳罐晝間蒸發排放試驗示意圖

4 結論

本文從國六法規對碳罐總成的要求，容積的設計計算、碳罐結構、碳粉選擇等方面全面詳述了國六碳罐如何去設計，以及重點試驗驗證項目和關鍵驗證方法，能有效指導國六碳罐總成的設計開發工作。