國六車載加油蒸氣回收系統(tǒng)研究

袁衛(wèi)

摘 要：文章為國六車載加油蒸氣回收系統(tǒng)提供了一種系統(tǒng)解決方案。該系統(tǒng)解決方案包含：炭罐和加油管設(shè)計(jì)方法，以獲得較低的加油污染物排放;油箱油氣分離器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以減少油箱動(dòng)態(tài)泄漏以防止炭罐污染;主機(jī)廠生產(chǎn)線加油方法，以改善新油箱加油提前跳槍問題。關(guān)鍵詞：國六;加油;排放;泄漏;炭罐中圖分類號：U462.1? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）02-125-04

Abstract： The paper introduces a system solution for China 6 phase onboard refueling vapor recovery system. This system solution includes the design methods for charcoal canister and fuel filler pipe to gain a lower refueling emission， the liquid vapor separating vessel design optimization method to reduce fuel tank dynamic leakage to avoid charcoal canister pollution and the plant refueling solution to improve green tank refueling pre-shut off issue.Keywords： China 6; Refueling; Emission; Leakage; Charcoal canisterCLC NO.： U462.1? Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）02-125-04

前言

為進(jìn)一步減少汽車污染物排放，環(huán)保部于2016年12月23日發(fā)布了輕型汽車第六階段排放法規(guī)GB18352.6-2016^[1] （以下簡稱國六）。

相較國五GB18352.5-2013 ^[2]，國六針對汽車燃油系統(tǒng)新增了加油排放污染物限值要求（VII型試驗(yàn)）。該要求規(guī)定燃油系統(tǒng)的加油污染物排放值小于0.05g/L（含推薦劣化系數(shù)0.01g/L）。

國五輕型汽車燃油系統(tǒng)（如圖1所示）在使用加油站的加油槍加油時(shí)，汽油通過加油管進(jìn)入油箱，汽油蒸氣從加油管的排氣管排入大氣，對環(huán)境造成污染。

國六輕型汽車燃油系統(tǒng)（如圖2所示）在加油時(shí)，汽油蒸氣通過油箱液位控制閥排入炭罐，為ORVR（Onboard Refueling Vapor Recovery）車載加油蒸汽回收系統(tǒng)^[3]。

1 ORVR系統(tǒng)需要解決的幾類問題

國六ORVR系統(tǒng)承擔(dān)了加油蒸氣回收功能，炭罐容積相比國五增加了2～3倍。為保證燃油系統(tǒng)功能和安全，需要解決以下三類問題：

1.1 如何控制加油污染物排放

國六ORVR系統(tǒng)雖然可以有效控制加油污染物排放，但影響排放的因素較多，如汽油RVP，加油速度，炭罐及加油管設(shè)計(jì)等。如何獲得較低的加油污染物排放以及炭罐負(fù)載，成為了ORVR系統(tǒng)需解決的第一類問題。

1.2 如何控制油箱內(nèi)動(dòng)態(tài)泄漏

國六ORVR系統(tǒng)在油箱滿油位附近，整車動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程中，會出現(xiàn)汽油泄漏問題，從而污染炭罐。如何解決油箱動(dòng)態(tài)泄漏問題成為ORVR系統(tǒng)需解決的第二類問題。

1.3 如何解決生產(chǎn)線新油箱加油跳槍

國六ORVR系統(tǒng)在加油排氣路徑上新增液位控制閥、油氣分離器、油箱隔離閥（僅NICRO系統(tǒng)）、炭罐、OBD炭罐關(guān)閉閥（NICRO系統(tǒng)為空氣泵）、初濾等部件，相比國五燃油系統(tǒng)，加油時(shí)系統(tǒng)背壓大大增加。主機(jī)廠操作工人在給新油箱加油時(shí)，容易出現(xiàn)跳槍問題，影響了生產(chǎn)節(jié)拍。如何通過優(yōu)化加油條件改善生產(chǎn)線加油跳槍問題成為ORVR系統(tǒng)需解決的第三類問題。

2 如何控制加油污染物排放

本文針一款MPV車型國六ORVR系統(tǒng)進(jìn)行了加油污染物排放研究，其油箱容積為70L，炭罐容積為2.6升。

2.1 ORVR炭罐設(shè)計(jì)

ORVR系統(tǒng)加油過程中汽油蒸氣生成率為：

R=W/V?????????????????????? ???????????????（1）

式中：W表示實(shí)際加油過程中炭罐所吸收的汽油蒸氣質(zhì)量（g），即炭罐增重（負(fù)載）。V代表實(shí)際加油量（L）。

根據(jù)公式（1）和國六VII型試驗(yàn)流程，炭罐所需ORVR工作能力和裝炭體積的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式分別為

W=0.9V_tRK??????????????????? ??????????????（2）

V_c=W/C??????????????????????? ??????????????（3）

式中：W代表加油過程中所需炭罐ORVR工作能力（g）;V_t代表油箱額定容積（L）;R代表VII型試驗(yàn)過程中的加油蒸氣生成率（g/L），可取1.32;V_c代表裝炭體積（L）;K代表安全系數(shù)，考慮炭粉性能下降（10%）及裝炭誤差（10%），可取1.21;C代表炭粉ORVR工作能力（g/L），參見表1經(jīng)驗(yàn)值。

根據(jù)公式（2），炭罐所需ORVR工作能力W_r=0.9x70Lx 1.32g/Lx1.21=100.6g。

該MPV炭罐分為兩個(gè)內(nèi)腔，包含1.15L的I型活性炭和1.45L的II型活性炭，見圖3所示。

根據(jù)公式（3）和表2，

該炭罐所裝I型活性炭的ORVR工作能力W₁=1.15Lx 35g/L=40.25g。

該炭罐所裝II型活性炭的ORVR工作能力W₂=1.45Lx 45g/L=65.25g。

該MPV炭罐的設(shè)計(jì)ORVR工作能力W_d=W₁+W₂= 105.5g，大于所需ORVR工作能力W_r。

2.2 ORVR加油管設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)^[4]研究表明，國六加油管從內(nèi)徑30左右減小為25mm左右，可以在37L/min法規(guī)指定加油速度條件下，形成有效的液封，從而將油箱內(nèi)的氣體順利導(dǎo)入炭罐而不從加油管頭部溢出。

本文針對不同循環(huán)管內(nèi)徑，按國六 VII型試驗(yàn)要求用37L/min和15L/min加油速度對該MPV的ORVR系統(tǒng)進(jìn)行了加油污染物排放試驗(yàn)（加油管內(nèi)徑為25.4mm）。根據(jù)公式（1），加油蒸氣生成率和加油污染物排放結(jié)果見表2和表3。

以上試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）循環(huán)管內(nèi)徑相同的情況下，RVP值越高，汽油揮發(fā)性越強(qiáng)^[5]，蒸氣生成率越高。

（2）RVP相當(dāng)且循環(huán)管內(nèi)徑相同時(shí)，加油速度越高，汽油揮發(fā)性越強(qiáng)^[5]，蒸氣生成率越高。

（3）無循環(huán)管ORVR系統(tǒng)的加油蒸汽生成率比有循環(huán)管ORVR系統(tǒng)的蒸汽生成率高;無循環(huán)管ORVR系統(tǒng)的加油蒸氣生成率>1.32g/L，達(dá)到了1.53g/L;有循環(huán)管ORVR系統(tǒng)的加油蒸氣生成率<1.32g/L，說明循環(huán)管可降低炭罐負(fù)載。

（4）循環(huán)管內(nèi)徑越大，則炭罐增重（負(fù)載）越小，蒸氣生成率越低，加油污染物排放值增大。

（5）37L/min加油速度條件下，循環(huán)管縮孔內(nèi)徑為3.5 mm， 4.0mm和5.0mm孔對應(yīng)的加油排放值，加上劣化系數(shù)0.01g/L，均小于國六加油污染物排放試驗(yàn)限值0.05g/L。循環(huán)管縮孔為3.5mm時(shí)，對應(yīng)加油污染物排放值為最優(yōu)。

（6）15L/min加油速度條件下，循環(huán)管縮孔內(nèi)徑為3.5 mm，4.0mm和5.0mm孔對應(yīng)的加油排放值，即使不加劣化系數(shù)0.01g/L，均大于國六VII試驗(yàn)限值0.05g/L。這說明15L/min加油速度條件下，加油主管不能形成有效液封，導(dǎo)致加油管頭部碳?xì)湟绯觥５h(huán)管縮孔為3.5mm時(shí)，對應(yīng)加油污染物排放值仍為最優(yōu)。

3 如何解決油箱動(dòng)態(tài)泄漏

國六ORVR系統(tǒng)中，以油箱液位控制閥為主的閥系，在整車運(yùn)行過程中有動(dòng)態(tài)泄漏問題。

通常情況下，油箱液位控制閥管路后端需要增加油氣分離器（見圖2），以防止汽油進(jìn)入炭罐污染炭粉而影響炭罐工作能力，可保證炭罐及加油污染排放耐久性。

一般炭罐的油箱口（參見圖3）會有15～30ml的集液器，以收集油箱動(dòng)態(tài)泄漏或汽油蒸氣冷凝的汽油。故而設(shè)計(jì)要求油箱在任何工況下汽油動(dòng)態(tài)泄漏小于10ml，同時(shí)油箱內(nèi)壓力小于100hPa。

本文在一款SUV國六ORVR系統(tǒng)55L油箱開發(fā)過程中，按某山路路譜進(jìn)行油箱動(dòng)態(tài)泄漏六軸晃動(dòng)試驗(yàn)時(shí)（見圖4），就遇到了油箱油氣分離器后端收集到大于10ml試驗(yàn)液體的問題。經(jīng)分析，泄漏過多的原因在于油氣分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)未能有效阻止液體回流至油箱。

因此，將油氣分離器內(nèi)部增加了幾處擋板，形成迷宮結(jié)構(gòu)，有效控制了動(dòng)態(tài)泄漏，見圖5改進(jìn)方案和表4動(dòng)態(tài)泄漏值對比情況。由此可見，方案2在方案1基礎(chǔ)上優(yōu)化擋板結(jié)構(gòu)并去除死容積，油箱晃動(dòng)動(dòng)態(tài)泄漏值達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 如何解決生產(chǎn)線新油箱加油跳槍

國六ORVR系統(tǒng)相較國五本身背壓較大，加之新油箱加油時(shí)，油箱內(nèi)有大量空氣，汽油進(jìn)入油箱后也會產(chǎn)生大量汽油蒸氣，空氣和蒸氣混合氣流量較大，導(dǎo)致系統(tǒng)背壓過大，加油管內(nèi)油壓克服不了背壓產(chǎn)生跳槍。

加油管內(nèi)油壓的簡化公式為：

Ρ=ρgh?????????????????????? ????????????????（4）

式中：P代表加油管內(nèi)油壓，ρ代表汽油密度，可取0.735g/m³;g=9.8m/s²;h為加油管第一個(gè)彎至油箱進(jìn)油關(guān)閉閥的垂向高度，即油柱高度（文獻(xiàn)^[4]研究表明液封形成在第一個(gè)彎之后）。

本文對一款乘用車國六ORVR系統(tǒng)進(jìn)行新油箱（50L）加油試驗(yàn)，關(guān)鍵零部件背壓見表5。

加油試驗(yàn)表明，油溫為24℃，加油速度降低為10L/min時(shí)不會產(chǎn)生加油提前跳槍，見表6。

當(dāng)加油速度為40L/min，該ORVR系統(tǒng)在加滿油過程中，新油箱首次加油和油箱二次加油蒸氣壓力曲線見圖6～7所示。

以上加油試驗(yàn)過程中的蒸氣壓力曲線表明：

（1）新油箱首次加油時(shí)，加油前期，出現(xiàn)加油提前跳槍現(xiàn)象，此時(shí)油箱蒸氣包含空氣和汽油蒸氣，壓力較高，為38～34hPa。該加油管油柱高度為0.36m，應(yīng)用公式（4），加油管內(nèi)油壓為26hPa，小于油箱蒸氣壓力，因此產(chǎn)生跳槍。

加油中期，隨著空氣排盡，油箱內(nèi)蒸氣壓力降低并穩(wěn)定至24～16hPa（主要為關(guān)鍵零部件背壓），小于加油管內(nèi)油壓26hPa，不會產(chǎn)生跳槍。

加油終了，油箱液位控制閥關(guān)閉，油箱內(nèi)蒸氣壓力又上升到大于加油管內(nèi)油壓后產(chǎn)生加油跳槍，此時(shí)油箱內(nèi)蒸氣壓力大于28hPa。

（2）油箱二次加油時(shí)不會出現(xiàn)提前跳槍，其原因在于油

箱中有殘余汽油，僅含汽油蒸氣而不會有空氣存在。整個(gè)加油過程中油箱內(nèi)蒸氣壓力僅為20hPa左右，小于加油管內(nèi)油壓。加油終了時(shí)，同樣由于油箱液位控制閥關(guān)閉，油箱內(nèi)蒸氣壓力上升大于加油管內(nèi)油壓導(dǎo)致加油終了跳槍。

如降低油溫至8℃，該ORVR系統(tǒng)可滿足加油速度30L/min不跳槍，見表7。因此降低加油速度和油溫可以改善新油箱首次加油跳槍情況。

5 結(jié)論

（1）本文所述炭罐和加油管設(shè)計(jì)方法可以有效降低國六ORVR系統(tǒng)加油污染物排放值及炭罐負(fù)載，保證炭罐及加油污染物排放耐久性。

（2）本文所述油氣分離器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以有效控制國六ORVR加油蒸氣回收系統(tǒng)油箱內(nèi)汽油動(dòng)態(tài)泄漏，以防止炭罐污染。

（3）本文所述降低加油速度和油溫方法可以改善國六ORVR系統(tǒng)工廠新車下線加油所面臨的新油箱加油跳槍問題。

參考文獻(xiàn)

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