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碳罐是汽車汽油蒸發(fā)控制系統(tǒng)（EVAP）的一部分，是汽油車燃油蒸氣吸附脫附裝置，它是為了減少汽車燃油箱、化油器內(nèi)汽油蒸發(fā)物的排放而引入的。整個EVAP工作的原理是當發(fā)動機熄火后，汽油蒸汽與新鮮空氣在碳罐內(nèi)混合并儲存在活性碳罐中，而當發(fā)動機啟動后，裝在活性碳罐與進氣歧管之間的電磁閥門打開，此時在活性碳罐中存儲的混合汽油蒸汽在進氣歧管的真空度作用下被一同帶入到氣缸內(nèi)殘余燃燒。

 

碳罐總成是燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)的核心零部件，目前相關(guān)主機廠對于碳罐總成的要求中有一點比較重要，燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)必須滿足整車16萬公里耐久里程的蒸汽排放要求。因而對于碳罐體積的設(shè)計便顯得尤為重要，目前碳罐的體積設(shè)計主要是基于燃油蒸氣生成量來確定的，因而對于碳罐在一定蒸氣壓力下薄弱部位是否會發(fā)生破裂顯得尤為重要。

 

因而有必要通過爆破試驗來間接的表征碳罐能夠承受多大的蒸氣壓力，對于碳罐的體積設(shè)計及更改具有一定的指導(dǎo)作用，同時可以通過爆破試驗找到碳罐中相對比較薄弱的地方。

 

1 實驗過程

 

1.1 在室溫環(huán)境下，將碳罐的1# 管口（脫附口）以及3# 管口（空氣進出口）全部封堵密封，然后將碳罐置于爆破實驗箱內(nèi)水平放置，對碳罐的2# 管口（吸附口）按照一定的比例逐漸注入壓縮氣體，升壓速率控制為10 KPa/s，根據(jù)爆破試驗的結(jié)果得到碳罐的極限爆破壓力以及其爆破位置。具體的操作過程如圖1所示。

 

 

圖1 (A) 碳罐的外觀示意圖（1#管口（脫附口），2#管口（吸附口）以及3#管口（空氣進出口））；

（B）碳罐1#管口以及3#管口封堵密封，2#管口與軟管及對插式快速接頭充氣接口連接整體示意圖；

（C）碳罐平放入爆破機中，并向2#管口中通入一定壓力的壓縮空氣的示意圖；

（D）碳罐爆破試驗結(jié)束后，碳罐上軀體和底板爆破示意圖

 

1.2對爆破的位置做相關(guān)的成分分析和失效分析，分析爆破的位置產(chǎn)生失效的原因。

 

1.3在室溫環(huán)境下，將碳罐固定在多功能剛度平臺的臺架上，具體的固定方式如圖2所示。

 

 

圖2 (A) 碳罐極限拉拔力測試示意圖（金屬支架固定，碳罐固定，作動缸體調(diào)節(jié)至水平方向）；

（B）碳罐1#管口（脫附口）極限拉拔力測試示意圖；

（C）碳罐2#管口（吸附口）極限拉拔力測試示意圖；

（D）碳罐3#管口（空氣進出口）極限拉拔力測試示意圖

 

2 案例結(jié)果

 

2.1 爆破實驗結(jié)果分析：

 

該碳罐在保持壓力為200 KPa時，保持時間200 S，碳罐并沒有發(fā)生損壞現(xiàn)象，其最終的爆破壓力為365 KPa，最終爆破的位置如圖2（D）所示，主要是碳罐的上軀體和底板發(fā)生爆破。因而有必要對碳罐失效的部件進行相關(guān)的成分分析，找到爆破位置失效的根本原因。

 

2.2 爆破位置成分分析和失效分析：

 

根據(jù)爆破試驗的結(jié)果確定爆破的位置主要是在碳罐的上軀體和底板的熱板焊接的位置，根據(jù)圖3和表1的結(jié)果，對比碳罐的上軀體和底板在指紋區(qū)的振動頻率和原材料（包括尼龍6和尼龍66），發(fā)現(xiàn)其振動頻率和尼龍66原材料基本上相同，基本可以確認碳罐的上軀體和底板采用的聚合物基體材料用的是尼龍66。

 

 

圖3 碳罐的上軀體和底板區(qū)域位置材料的FTIR透射光譜圖

 

表1 PA66（原材料）、PA6（原材料）以及碳罐上軀體和底板的指紋區(qū)特征峰所在波數(shù)

 

 

根據(jù)灰分結(jié)果，如圖4所示，主要的填料為玻纖，并且根據(jù)玻纖分布情況統(tǒng)計，如圖5所示，碳罐的上軀體的玻纖的平均波長約為0.2948 mm，碳罐的底板的玻纖的平均波長約為0.3440 mm。因而可以基本確認碳罐的上軀體和底板是由同種配方改性塑料粒子經(jīng)注塑成型得到，隨后再采用熱板焊接工藝焊接得到。

 

 

圖4（A）碳罐的上軀體燒灰分后殘留無機填料的二次元分布圖；

（B）碳罐的底盤燒灰分后殘留無機填料的二次元分布圖

 

 

圖5（A）碳罐的上軀體燒灰分后殘留玻纖的長度分布圖；

（B）碳罐的底盤燒灰分后殘留玻纖的長度分布圖

 

如圖6所示，無論從二次元，金相顯微鏡還是掃描電子顯微鏡拍攝的碳罐爆破斷面的玻纖分布情況，都可以看出，由于在進行熱板焊接的過程中，碳罐的上軀體和底板在與銅板進行擠壓接觸熔融的過程中，聚合物基體材料進行劇烈熱運動，而玻纖在該溫度下幾乎無運動能力，被擠壓改變其方向，不再沿著聚合物流動方向，相反因擠壓，變成垂直于其流動方向，并且從掃描電子顯微鏡圖中可以看出，碳罐爆破的斷面玻纖在垂直于流動方向被拔出時留下的痕跡。由此可知，碳罐爆破的位置主要發(fā)生在熱板焊接的區(qū)域。

 

 

圖6（A-B）碳罐爆破位置的斷面玻纖分布圖（二次元測試照片）；

（C-D）碳罐爆破位置的斷面玻纖分布圖（金相顯微鏡測試照片）；

（E-F）碳罐爆破位置的斷面玻纖分布圖（掃描電子顯微鏡測試照片）；

 

3 結(jié)論

 

通過對碳罐進行爆破試驗，初步確定碳罐的極限爆破壓力，觀察其極限壓力符合實驗大綱要求，并且對爆破位置碳罐的區(qū)域進行成分分析，從而確定了其主要爆破失效的根本原因是上軀體和底板在進行熱板焊接的過程中，由于焊接處的玻纖含量較低，導(dǎo)致其焊接強度降低，出現(xiàn)爆破現(xiàn)象。