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汽車炭罐設(shè)計(jì)要點(diǎn)解析

文檔作者：楊聰慧張德鵬文檔來(lái)源：江西昌河汽車有限責(zé)任公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年02月06日
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Internal Combustion Engine &amp;amp; Parts
0 引言
GB 18352.6-2016 輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量
方法（中國(guó)第六階段）的規(guī)定，在燃油系統(tǒng)方面測(cè)試較國(guó)V
有兩點(diǎn)變化，即蒸發(fā)污染物排放試驗(yàn)的限制由2g/test 變更
為0.65g/test（M 類車型）和0.85~1.15g/test（N 類車型），測(cè)
試方法由熱浸1 小時(shí)加一晝夜損失變更為熱浸1 小時(shí)加
兩晝夜損失；增加了加油過(guò)程污染物排放測(cè)試要求，為不
超過(guò)0.05g/L。炭罐作為燃油蒸發(fā)排放系統(tǒng)的核心零部件，
其性能的好壞對(duì)排放值有決定性的影響。
1 炭罐工作原理和結(jié)構(gòu)功能
1.1 工作原理
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)不工作時(shí)，燃油蒸汽從油箱沿著管路進(jìn)入炭
罐，經(jīng)過(guò)活性炭的吸附后，從通氣口排出干凈空氣。當(dāng)發(fā)動(dòng)
機(jī)工作時(shí)，ECU 控制電磁閥打開(kāi)，利用進(jìn)氣系統(tǒng)的負(fù)壓，
燃油蒸汽被吸到發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒掉，此時(shí)從炭罐通氣口補(bǔ)充
新鮮空氣。
1.2 結(jié)構(gòu)功能
炭罐主要由殼體、濾布、活性炭、接口等部件組成，炭
罐內(nèi)部由隔板分成幾個(gè)腔體，包括混合腔、燃油揮發(fā)腔、緩
沖腔等，如圖1 所示。
圖1 炭罐結(jié)構(gòu)示意圖
時(shí)實(shí)驗(yàn)支架為例，展開(kāi)臺(tái)架靜特性試驗(yàn)，利用MTS 試驗(yàn)臺(tái)
展開(kāi)探究。
首先， 實(shí)驗(yàn)開(kāi)展以前需要利用有限元軟件，如
Hyperworks 等，對(duì)相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，然后將計(jì)算結(jié)果
與實(shí)際情況進(jìn)行綜合考量，選擇合理的應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)，通常
情況下會(huì)在支架應(yīng)力相對(duì)較大的位置周圍設(shè)置應(yīng)力測(cè)試
點(diǎn)。根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)支架的原結(jié)構(gòu)來(lái)看，可以設(shè)置的測(cè)試點(diǎn)
有五個(gè)，這五個(gè)測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)力情況并不會(huì)對(duì)支架的整體結(jié)
構(gòu)造成極大的影響，因而可以將其應(yīng)力值忽略不計(jì)。
其次，實(shí)驗(yàn)人員需對(duì)各測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，然后觀察各
測(cè)試點(diǎn)應(yīng)變位移的發(fā)生情況，然后根據(jù)測(cè)量值繪制圖表，
觀察各點(diǎn)的位移變化情況，并將各點(diǎn)應(yīng)力的實(shí)際測(cè)量值與
理論計(jì)算值進(jìn)行比對(duì)，分析二者之間的誤差范圍。本次實(shí)
驗(yàn)的結(jié)果顯示，測(cè)試點(diǎn)1 的理論計(jì)算值為63.7MPa，實(shí)際
測(cè)量值為60.8MPa，相對(duì)誤差為4.4%；測(cè)試點(diǎn)2 的理論計(jì)
算值為142.4MPa，實(shí)際測(cè)量值為134.9MPa，相對(duì)誤差為
5.2%；測(cè)試點(diǎn)3 的理論計(jì)算值為19.1MPa，實(shí)際測(cè)量值為
18.9MPa，相對(duì)誤差為1.1%；測(cè)試點(diǎn)4 的理論計(jì)算值為
211.4MPa，實(shí)際測(cè)量值為203.4MPa，相對(duì)誤差為3.8%；測(cè)
試點(diǎn)1 的理論計(jì)算值為161.8MPa， 實(shí)際測(cè)量值為
154.5MPa，相對(duì)誤差為4.5%。
最后，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從各點(diǎn)的應(yīng)力測(cè)試情況
來(lái)看，在拓?fù)鋬?yōu)化處理以后，多余材料均被剔除，此時(shí)應(yīng)力
的分布呈現(xiàn)出較為均勻的特征，支架結(jié)構(gòu)的彈性明顯升
高。雖然各點(diǎn)實(shí)際測(cè)量值與理論計(jì)算值之間均存在著一定
的相對(duì)誤差，但是相對(duì)誤差值均在6%以下，由此可見(jiàn)誤差
是極小的，也就是說(shuō)理論計(jì)算值具有可靠性，拓?fù)鋬?yōu)化能
夠提高支架的性能，具有一定應(yīng)用價(jià)值。
4 結(jié)束語(yǔ)
隨著汽車行業(yè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，汽車企業(yè)面臨
的競(jìng)爭(zhēng)也愈加激烈，此時(shí)為了在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)一席之
地，汽車設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，對(duì)汽車的性能進(jìn)行優(yōu)
化，保證其能夠滿足人們的使用需求，同時(shí)也不會(huì)造成嚴(yán)
重的能源浪費(fèi)與環(huán)境污染問(wèn)題。拓?fù)鋬?yōu)化能夠在有限元技
術(shù)的支持下對(duì)汽車支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高汽車的整體性
能，拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)踐應(yīng)用意義，應(yīng)當(dāng)將其進(jìn)
行推廣。
參考文獻(xiàn)：
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汽車炭罐設(shè)計(jì)要點(diǎn)解析
楊聰慧；張德鵬
（江西昌河汽車有限責(zé)任公司，景德鎮(zhèn)333002）
摘要：本文從活性炭選擇、炭罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、炭罐容積計(jì)算等方面進(jìn)行分析，為炭罐設(shè)計(jì)提供方向和方法，為燃油蒸發(fā)系統(tǒng)匹配提供
參考和建議。
關(guān)鍵詞：燃油蒸發(fā)；活性炭；結(jié)構(gòu)；容積；炭罐電磁閥
·41·
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
內(nèi)燃機(jī)與配件
燃油蒸汽進(jìn)入炭罐后，首先流經(jīng)揮發(fā)腔，揮發(fā)腔可
以收集遇冷液化的燃油，防止淹沒(méi)炭罐；隨后燃油蒸汽
進(jìn)入混合腔，擴(kuò)散到活性炭中，逐漸被活性炭吸附，過(guò)濾
成干凈空氣；最后，干凈空氣經(jīng)過(guò)緩沖腔和通氣口排到
大氣中。
2 炭罐設(shè)計(jì)要點(diǎn)
炭罐設(shè)計(jì)的目標(biāo)是盡可能提升炭罐的工作能力，影
響炭罐工作能力主要因素包括活性炭選擇、長(zhǎng)徑比的
設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、炭罐額定容積的大小等方面。影響炭
罐工作能力主要因素：活性炭性能、炭罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)、炭
罐容積、電磁閥控制策略，以下分別從這4 個(gè)方面進(jìn)行
介紹。
2.1 活性炭選擇
活性炭性能對(duì)炭罐工作能力有著決定性的影響。一般
活性炭工作能力越強(qiáng)，炭罐工作能力越強(qiáng)。活性炭工作能
力主要取決于孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙率和孔隙表面積。
孔隙結(jié)構(gòu)：活性炭的孔道結(jié)構(gòu)分為微孔道（10A~20A
以下）、中孔道（20A~50A）和大孔道（50A~100A）。其中微
孔道吸附后不易脫附，形成殘存量；中孔道對(duì)汽油的吸附
作用和脫附作用最好；大孔道吸附能力很弱，主要作為燃
油蒸汽的通道。
孔隙率和孔隙表面積：活性炭的孔隙越多、孔隙表面
積越大，在吸附時(shí)活性炭與燃油蒸汽的接觸越充分，有利
于吸附更多的油氣分子；同理，在脫附時(shí)活性炭與空氣接
觸越充分，有利于脫附更多的油氣分子。
表1 為某型國(guó)產(chǎn)活性炭和進(jìn)口木基炭的對(duì)比，從中可
以看出：中孔道越多，孔隙率和孔隙表面積越大，則活性炭
的吸附能力和脫附能力越強(qiáng)。
活性炭類型
活性炭結(jié)構(gòu)尺寸活性炭性能
平均孔徑
（A）
孔隙率
（CC/g）
孔隙表面積
（m/g）
吸附性能
（g/100ml）
脫附率
（%）
國(guó)產(chǎn)椰殼炭
進(jìn)口木基炭
18.6
25.6
0.56
1.16
1208
1820
6.3
11.7
62
85
表1 活性炭結(jié)構(gòu)尺寸和性能對(duì)比
高性能的活性炭選取指標(biāo)：①吸附性能在11g/100ml
以上；②脫附率在83%以上。
ORVR 活性炭罐通氣阻力要求一般為≤2.0kPa（60L/
min 流量）或≤3.5kPa（100L/min 流量），如使用普通的破碎
炭，則不易達(dá)到上述要求，特別是在耐久使用（溫度、濕度、
振動(dòng)）后通氣阻力的穩(wěn)定性難以滿足要求，故ORVR 活性
炭罐選用木基柱狀炭。
2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
炭罐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是影響炭罐工作能力以及炭罐擊穿
速度的關(guān)鍵因素，內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了炭層的深度、炭層的長(zhǎng)/
徑比和炭層的分割等幾何特性。
為了研究不同幾何特性而相同容積的炭罐工作能力
的差異，某機(jī)構(gòu)制作了三種容積均為1L 的炭罐，炭罐材
料、活性炭型號(hào)以及炭罐的三個(gè)接口內(nèi)徑都相同，如圖2
所示。三種炭罐的工作能力以及裝車蒸發(fā)排放試驗(yàn)結(jié)果如
表2 所示。
圖2 試驗(yàn)炭罐結(jié)構(gòu)示意圖
L/D=3.5，等分L/D=4.5，等分L/D=3.5，不等分（2；1）
表2 試驗(yàn)炭罐工作能力
炭罐結(jié)構(gòu)L/D=3.5，等分L/D=4.5，等分L/D=3.5，不等分
工作能力（有效吸附量），g
逸出蒸汽（未吸附量），g
56.45
0.67
61.29
0.53
60.76
0.49
從表2 可以看出：①提高長(zhǎng)徑比可以提高活性炭利用
率，從而提高炭罐的工作能力；②保證長(zhǎng)徑比不變，而改變
炭床的分割比例也能縮短炭罐的擊穿時(shí)間，提高炭罐的工
作能力。
2.3 容積計(jì)算
炭罐額定容積的計(jì)算取決于多種因素，最主要的因素
是油箱額定容積和油箱中油氣發(fā)生率，其次是活性炭的種
類及工作能力。一般炭罐容積計(jì)算公式：
炭罐容積（L）=油箱額定容積×油箱中油氣發(fā)生率÷活
性炭工作能力
ORVR 油氣產(chǎn)生率典型值是1.32g/l（包含油氣內(nèi)循
環(huán)），一般范圍在0.9-1.8g/l。
2.4 電磁閥控制策略
為確保整車蒸發(fā)排放能得到有效控制，則燃油蒸發(fā)系
統(tǒng)必須能正常吸附和脫附，缺一不可。據(jù)某機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，30%
的試驗(yàn)失敗是由于炭罐電磁閥控制策略失效導(dǎo)致。
ECU 可以控制電磁閥的開(kāi)啟時(shí)機(jī)和開(kāi)啟頻率，以增
大炭罐的脫附時(shí)間和脫附流量。
試驗(yàn)表明：①在車輛怠速和減速過(guò)程中，炭罐電磁閥
可以打開(kāi)以對(duì)炭罐進(jìn)行脫附，但這部分混合氣會(huì)影響空燃
比，從而影響車輛怠速和減速的穩(wěn)定性，所以必須保證電
磁閥開(kāi)啟頻率較低。②在車輛運(yùn)行中，提高電磁閥開(kāi)啟頻
率，可以加強(qiáng)對(duì)炭罐的脫附，但不能無(wú)限制提高開(kāi)啟頻率，
因?yàn)檫@樣不僅會(huì)影響車輛運(yùn)行平穩(wěn)性，還會(huì)造成電磁閥負(fù)
荷急劇增大而可能燒壞。
對(duì)于炭罐電磁閥控制策略的優(yōu)化，需要ECU 與整車
的匹配工作上進(jìn)一步完善，解決提高炭罐脫附流量和精確
控制發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比的矛盾。
3 結(jié)束語(yǔ)
本文通過(guò)選擇合適的活性炭、合理的設(shè)計(jì)炭罐結(jié)構(gòu)，
初步估算炭罐額定容積及電磁閥控制策略等方面描述，介
紹如何合理的設(shè)計(jì)ORVR 系統(tǒng)中炭罐，使其滿足法規(guī)要
求，對(duì)其它主機(jī)廠在此方面的設(shè)計(jì)有借鑒作用。
參考文獻(xiàn)：
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·42·
萬(wàn)方數(shù)據(jù)

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