车用活性炭罐

车用活性碳罐

1、为什么使用活性碳罐

每年，每一千台装内燃机的汽车在其燃油系统中产生的燃油蒸气（碳氢化合物）大约为11400千克。在以前，这些碳氢化合物都没有经过任何过滤被直接排放到空气中，这也是导致烟雾的主要原因之一。

在欧洲，从上世纪八十年代早期至今，活性碳罐和计算机控制的三元催化转化器一起应用使汽车的排放降低了99％。而在美国，活性碳罐已经在上世纪七十年代末就得到了应用。为了更好的保护气候环境，尤其是在阳光明媚的加州，已经实施了比欧洲更严格的车辆燃油蒸发排放的法规。自从活性碳罐被作为法规件以来，马勒滤清器系统就已在全球范围内开始了汽油机用活性碳罐的研发和生产。

2、活性碳罐的工作原理

活性碳罐作为燃油系统的一部分，是油箱与外部环境进行压力平衡的一个缓冲器，并具有贮存油箱排出的燃油蒸气（碳氢化合物）的功能。不管是油箱周围环境温度的升高还是燃油箱内部的油温的升高（由于汽油在燃油系统中的循环）都会增加油箱内的燃油蒸气（碳氢化合物）的含量，随着汽油蒸气的产生，燃油箱内部的压力也在升高。作为一个安全法规件油箱对其内部蒸气压力的限值有要求；因此，活性碳罐作为油箱系统的一部分就能起到降低燃油蒸气（碳氢化合物）压力的作用。而作为一个附加装置，活性碳罐在车辆的寿命期限内应被设计成能经受住连续不断的吸、脱附循环的考验。

燃油蒸气（碳氢化合物）被贮存在活性碳罐中经脱附过程送到发动机中燃烧掉。活性炭作为储存汽油蒸气的介质，其碳粒微孔孔径分布决定了活性炭内部及表面的燃油蒸气（碳氢化合物）吸附能力。据发现，活性炭的吸、脱附过程都在微孔中同时进行。

活性碳罐的吸附过程见图1。汽油中易挥发的组分随着油温的增加不断的从液态变成气态；燃油蒸气（碳氢化合物）被导入碳罐经过滤变成纯净空气再排到大气中，活性炭的吸附效率一般都能达到99％甚至更高。

脱附过程见图2。发动机在运转过程中，进气歧管产生真空，真空度随着车辆行驶工况（发动机节气门的开度）的不同而不同；此时外界空气通过碳罐被吸入进气歧管中，碳罐中气体流动冲刷活性炭，使吸附在活性炭表面的燃油蒸气（碳氢化合物）脱附，随同外界吸入的大气一起吸到发动机中燃烧掉。然而在发动机运转过程中时刻清除碳罐里的燃油蒸气（碳氢化合物）（碳氢化合物）也是不必要的，所以在碳罐和发动机节气门间便增加了一个阀（碳罐电磁阀），当这个阀打开时允许燃油蒸气（碳氢化合物）进入到发动机中，否则就不行。用来监控汽车排气中氧气的浓度以确保空燃比保持在要求的界限范围内的氧传感器，也可决定碳罐电磁阀是否工作；

在脱附过程结束后，碳罐中的活性炭就可再吸附新的燃油蒸气（碳氢化合物）。

3、美国和欧洲在1994年前的活性碳罐

为了满足燃油蒸发（碳氢化合物）排放的法规要求，活性碳罐已被应用在所有装载汽油机的车辆上。这个蒸发排放法规还包括车辆上其他部件渗漏的碳氢化合物（例如，轮胎、内饰塑料件、燃油管路、涂层等等）。但

是，这个法规限制对所有的汽车来说是不一样的。在美国（1994年以前）和欧洲（2000年以前），随发动机的功率不同碳罐的容积从0.5升～1.5升不等（而目前是根据油箱的容积和燃油的挥发率来决定碳罐的容积）。蒸发排放法规分为：乘用车辆、轻卡和卡车三个等级。这个法规已被CARB（加州空气资源管理委员会）所承认。由于显著增加的空气污染，加州对排放有世界上最严格的法规限制。而在美国的其它州、欧洲和日本都有它们自己的排放法规要求。对于任何一种情况，碳罐应该被设计成与整车是同寿命的。基于目前的排放要求，马勒滤清器系统现生产的碳罐，用于美国市场的最大容积为3.5升而用于欧洲市场的最大容积为1.2升。

燃油蒸发排放试验由加油试验、热浸透试验、昼间换气试验组成。蒸发排放物的收集和测量是在一个放置整车的密闭试验间（SHED）中进行的，模拟车辆的道路行驶条件经过2~3天的试验周期（欧洲是1天）。根据试验的要求使用不同的燃油和温度。蒸发排放中碳氢化合物的含量是通过氢火焰离子化分析仪（FID）来检测的。现在，每辆汽车允许的HC的排放总量最大为2g。2004年在美国这个限值在要降到0.5克（低排放车辆，LEV11）；

而2005年时要达到0.35克（部分零排放车辆），而将来欧洲和美国的要求是相同的。

4、美国，活性碳罐对于提高蒸发排放性能（运行损失）和OBD-Ⅱ

在以前，法规只要求车辆制造厂对其生产的车辆进行比较短的蒸发排放试验（通常是1~2小时），达到上述要求碳罐最大容积1~1.5升的即可。但是，由于美国持续增加的空气污染以及要满足1995年开始实施的法规的要求，美国政府采取了更复杂的测试方法和严格的测试工况来模拟车辆的道路行驶工况。这些试验由三部分组成：

－运行损失试验，当车辆运行在一个设定的工况循环时，检测其蒸发排放量；

－热浸透试验，车辆在一个设定的温度下高速运转然后关掉发动机，在一个小时内检测其蒸发排放量；

－昼间换气试验，车辆经过3天的温度变化循环，在工作循环结束后，检测其蒸发排放量。（美国环保署（EPA）使用2天的加油试验，这比CARB 的试验循环的周期短测试温度低。这个测试过程可证明碳罐在整个排放测试过程中完全脱附）每种新发许可证的汽车都必须要通过上面的两个试验。

以上三个试验都必须在密闭间（SHED）中进行。车辆的总排放被定义为两个初始试验及三天昼间换气试验排放最大值之和。例如，LEV-Ⅱ法规，总的碳氢化合物的排放不能超过0.5克。对于加油试验，即热浸透试验和两天的昼间换气试验这两个试验的碳氢排放量最大值之和不能超过0.65克。

图3所示，在一个小型密闭试验间中油箱带碳罐的昼间换气试验的结果。第三天测试的HC的浓度为0.1克；这个结果是单对碳罐而言，相当于

2.0克的整车蒸发排放。德国车辆制造协会（VDA）已经打算提高测量设备

的精度和灵敏度达到LEVⅡ的要求。

合格的碳罐在三天试验的最大排放量为0.01克而在密闭间里的两天的昼间换气试验为0.03克也是合格的。在一个碳罐被最后确定采纳之前是要做很多的试验，这一点勿庸置疑。因为碳罐和整车是同寿命的，要经过台架试验来模拟实际的使用情况（吸、脱附）。这个试验至少要经过300个测试循环，相当于车辆运行了15万英里的路程。经过这个试验，可以检测活性