汽车用活性炭罐原理（可编辑）

汽车用活性炭罐原理（可编辑） 汽车用活性炭罐原理 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-?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-?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 LEV?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 OBD?法规,一个专门用来减少 HC 泄漏的法规。OBD?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 OBD?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?和欧?) 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