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
炭的老化率，通常，随活性炭型号和微孔结构不同其老化率介于10％～15％之间。

试验用燃油蒸气（碳氢化合物）的成分为丁烷和氮气的混合物，体积比为50：50。

通过该试验能测出活性炭的丁烷工作能力，而混合气中的氮气作为基础介质。

这个工作性能代表碳罐的吸附能力，并且当碳罐脱附干净后可以再次使用。

马勒滤清器系统拥有该试验所需的试验台架及试验室。

这个试验设备能快速得出试验结果，可以缩短新碳罐的研发周期。

上述的较为严格的条款出现，给碳罐的容积和结构设计提出了新的要求。

活性炭的有效容积由0.5升增加到1.5升，说明要有更多的活性炭添加到碳罐中。

作为相应的优化，碳罐的几何形状和内部结构也要进行相应的改动。

关于外部尺寸的具体变化见参见图4，这是同一款车用的，右边的碳罐适用于欧洲市场，左边的碳罐适用于美国市场，用来满足1995年美国实行的新的排放法规。

在1995年的另一个变化是实行OBDⅡ法规，一个专门用来减少HC 泄漏的法规。

OBDⅡ要求每个油箱系统在固定的时间间隔内不能渗漏。

这就导致相对简单的碳罐成为了一个比较复杂的系统，包括一个电子部件、一个泄漏诊断泵和一个控制阀。

泄漏量可以被一个压力系统（图6，一个泵）或真空系统（利用发动机的真空来控制碳罐燃油蒸气（碳氢化合物）的开关，见图4）检测到。

5、美国，1998年，碳罐应满足加油时燃油蒸发排放（ORVR）的要求
ORVR这个法规的引进开始于1998年，这样就对活性碳罐提出了更高的要求。

2000年在美国新注册的车辆必须满足这个标准，这个法规用来减少车辆在加油时产生的燃油蒸气（碳氢化合物）。

根据这项新法规的要求，车辆在加油过程中，燃油蒸气（碳氢化合物）被排放到碳罐中储存，其吸附效率应在98％以上；与在加油站将燃油蒸气（碳氢化合物）返回到地下的油罐（美国和欧洲已经在用这种方式）这种加油方式相比，前一种的效率要高一些，此外，加油时的产生的HC将送到发动机中燃烧掉。

由于油箱的容积和几何形状、加油管的几何形状、加油口（尤其是密封型式），在通常的加油过程中会产生高达135克左右的燃油蒸气（碳氢化合物），这相当于0.2升的汽油。

也就是说每十万英里要有将近40升的燃油要污染环境，而这40升是可以回收以用于车辆的运行。

图5所示为一ORVR的例子。

下面是目前在美国应用的加油口的密封型式：
－机械密封：一个专门设计的密封型式，比如橡胶，固定在加油管口径的圆周方向，防止燃油蒸气（碳氢化合物）泄漏到大气中。

因为这种密封型式的密封效率低于液体密封，所以这种密封型式正在被逐渐淘汰。

－液体密封：指加油管口径是特别设计的，防止燃油蒸气（碳氢化合物）的泄漏。

其中包含一个文丘里管，使外界空气被吸入到油箱中，而油箱中的空气经碳罐过滤后排入到周围环境中。

与机械式密封相比，液体密封没有机械部分用来密封（机械式密封经过一定时期后要更换其失效的零件），其可靠性提高了；缺点是，通过碳罐的HC流量增大了，会产生更多的油蒸气。

这样，必须增大碳罐的容积、增加碳罐中活性炭的质量。

美国政府规定了，在密闭室中进行加油排放试验。

图6，为一个加油试验的例子。

由图可知，在油箱的加油过程中，在碳罐里可以直接测试出HC含量的增加，而这没有导致密闭间里HC含量的增加；在加油跳枪后测
出密闭间中HC的含量是增加的，主要因为油蒸汽从液体密封型式的加油口泄漏了。

对于这种密封型式重要的是在加油过程中的压降要尽可能的低。

然而，油箱的燃油液面在到达某一高度前加油枪会提前跳枪；要求碳罐的燃油蒸气（碳氢化合物）流量在60l/min时的最大压力降为10mbar。

如果碳罐里的活性炭为圆颗粒状的，则不能达到这个指标。

因此，柱状的活性炭就有了很大的需求量。

实际上，对于液体密封型式，根据加油口的设计型式不同流经碳罐的最大空气流量可达80l/min。

增大碳罐进气口的直径以适应增加的空气流量。

另一方面，减少压力降可以减少HC在碳罐内的储存时间，也就会增加活性炭的脱附率。

尽管不同型号的炭粉可以填充到碳罐中，在加油过程中高吸附率的碳罐会减少不同型号炭粉的差别。

每升活性炭可以吸收38～40克的丁烷。

在OBDⅡ测试中，这些碳罐还要配上阀和泄漏泵，目的是准确的检测出燃油系统HC的泄漏量。

如图7所示，一个碳罐模块装配了检漏泵及其外加的保护过滤器。

6、欧洲2000年开始应用的活性碳罐的介绍（欧Ⅲ和欧Ⅳ）
通常，在采用新的排放法规方面，欧洲是紧跟在美国之后的；所以，现在欧洲要求更的低排放，而这个要求只是在汽车尾气排放方面。

排放也是在密闭间中进行且对于整车的排放限制一直是2克，测试的最大变化是整车的行驶工况的尾气排放（OBD测试试验）。

引进了一个附加的蒸发系统的车辆测试工况，活性炭在这个工况中脱附。

在欧洲热浸透试验已经实施，并且和EPA（美国环保署）的一样，昼间换气试验的温度曲线和EPA 的相似。

碳罐所需活性炭种类及容积是根据昼间换气试验油箱中的燃油蒸发率来确定的。

如果通过一个附加的行驶工况和一天的昼间换气试验，允许碳罐的HC泄漏量为0.1克，如果每升汽油要蒸发1克的燃油蒸气（碳氢化合物），所以，与美国的相比，欧洲碳罐的容积就会减小到0.5升～1.2升。

如果要求达到更高的工作性能，可以通过改变活性炭的型号以及碳罐的容积。

在欧洲，碳罐里的压力降不是很重要，因为在加油过程中燃油蒸气（碳氢化合物）不储存在碳罐中的；碳罐的作用只是用来存储车辆在使用过程中的燃油蒸气（碳氢化合物）；在一些整车上，碳罐和控制阀集成为一体并被安装在距离发动机很近的位置上。

7、活性碳罐的展望
考虑到在美国将要实施的更严格的排放法规（PZEV部分零排放车辆，ZEV零排放车辆等），应加紧研发新一代的活性碳罐。

马勒滤清器系统正在研发的活性碳罐包括根多的腔，这些小腔已经被证实具有更好的控制排放的性能。

目前，用来吸附燃油蒸气（碳氢化合物）的天然材料是活性炭，这种活性炭的主要来源是木材、橄榄树、坚果壳或合成的吸附材料。

尽管碳罐的脱附效率很高，所有天然的吸附材料在昼间换气试验时也还是会产生燃油蒸气（碳氢化合物）。

另一方面，合成吸附材料具有很高的吸附率，但是在脱附时需要更多的能量（可能要化学工业的发展来提高）。

众所周知，能量是另一个更大的挑战，因为将来的车辆具有更低的脱附容积来满足排放法规的要求，而在此同时，需要足够大的脱附容积来满足更低的燃油蒸发排放新法规的要求。

达到这个目标有几种途径，首先，目前碳罐设计的是在车辆运行过程中每时每刻都在进行着脱附，尽管这种脱附是不需要的。

因此需在碳罐内安放一个传感器来监控活性炭的工作性能并且在需要的时候才可以进行脱
附过程。

这个系统将要增加对尾气排放的影响。

其次，研发新一代的吸附材料，来满足低排放法规的要求。

但是有些还可能取决于车辆制造厂的要求。

例如：增加脱附容积可以有效的降低排放。

对于油箱而言，具有低的燃油蒸发率是有很大好处的。

这将导致活性碳罐的尺寸进一步减小，来减小碳罐的脱附容积。

上述所有的要点都满足了就能达到新的更低的排放法规的要求。

因而每一个供应商和制造厂需要生产出低排放的零部件。

马勒滤清器系统一直在关注和研发这些新的技术，目的是满足将要实施的法规要求和创造一个更加洁净的大气环境。