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(gè)EVAP工作的原理是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后，汽油蒸汽與新鮮空氣在碳罐內(nèi)混合并儲(chǔ)存在活性碳罐中，而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，裝在活性碳罐與進(jìn)氣歧管之間的電磁閥門打開(kāi)，此時(shí)在活性碳罐中存儲(chǔ)的混合汽油蒸汽在進(jìn)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(jī)廠對(duì)于碳罐總成的要求中有一點(diǎn)比較重要，燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)必須滿足整車16萬(wàn)公里耐久里程的蒸汽排放要求。因而對(duì)于碳罐體積的設(shè)計(jì)便顯得尤為重要，目前碳罐的體積設(shè)計(jì)主要是基于燃油蒸氣生成量來(lái)確定的，因而對(duì)于碳罐在一定蒸氣壓力下薄弱部位是否會(huì)發(fā)生破裂顯得尤為重要。

因而有必要通過(guò)爆破試驗(yàn)來(lái)間接的表征碳罐能夠承受多大的蒸氣壓力，對(duì)于碳罐的體積設(shè)計(jì)及更改具有一定的指導(dǎo)作用，同時(shí)可以通過(guò)爆破試驗(yàn)找到碳罐中相對(duì)比較薄弱的地方。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)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(jìn)出口）全部封堵密封，然后將碳罐置于爆破實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)水平放置，對(duì)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(yàn)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(guò)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(jìn)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(duì)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(jī)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(yàn)結(jié)束后，碳罐上軀體和底板爆破示意圖

1.2對(duì)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(tái)的臺(tái)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(cè)試示意圖（金屬支架固定，碳罐固定，作動(dòng)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(cè)試示意圖；

（C）碳罐2#管口（吸附口）極限拉拔力測(cè)試示意圖；

（D）碳罐3#管口（空氣進(jìn)出口）極限拉拔力測(cè)試示意圖

2 案例結(jié)果

2.1 爆破實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：

該碳罐在保持壓力為200 KPa時(shí)，保持時(shí)間200 S，碳罐并沒(méi)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(duì)碳罐失效的部件進(jìn)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(yàn)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(duì)比碳罐的上軀體和底板在指紋區(qū)的振動(dòng)頻率和原材料（包括尼龍6和尼龍66），發(fā)現(xiàn)其振動(dòng)頻率和尼龍66原材料基本上相同，基本可以確認(rèn)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(jì)，如圖5所示，碳罐的上軀體的玻纖的平均波長(zhǎng)約為0.2948 mm，碳罐的底板的玻纖的平均波長(zhǎng)約為0.3440 mm。因而可以基本確認(rèn)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(wú)機(jī)填料的二次元分布圖；

（B）碳罐的底盤燒灰分后殘留無(wú)機(jī)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(zhǎng)度分布圖；

（B）碳罐的底盤燒灰分后殘留玻纖的長(zhǎng)度分布圖

如圖6所示，無(wú)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(jìn)行熱板焊接的過(guò)程中，碳罐的上軀體和底板在與銅板進(jìn)行擠壓接觸熔融的過(guò)程中，聚合物基體材料進(jìn)行劇烈熱運(yùn)動(dòng)，而玻纖在該溫度下幾乎無(wú)運(yùn)動(dòng)能力，被擠壓改變其方向，不再沿著聚合物流動(dòng)方向，相反因擠壓，變成垂直于其流動(dòng)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(dòng)方向被拔出時(shí)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(cè)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(cè)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(cè)試照片）；

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)碳罐進(jìn)行爆破試驗(yàn)，初步確定碳罐的極限爆破壓力，觀察其極限壓力符合實(shí)驗(yàn)大綱要求，并且對(duì)爆破位置碳罐的區(qū)域進(jìn)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(jìn)行熱板焊接的過(guò)程中，由于焊接處的玻纖含量較低，導(dǎo)致其焊接強(qiáng)度降低，出現(xiàn)爆破現(xiàn)象。