汽車加油污染物排放控制研究

李長江，劉新明

(1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，河北保定 071000)

汽車加油污染物排放控制研究

李長江1,2，劉新明1,2

(1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，河北保定 071000)

輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)的出臺，預示著汽車燃油揮發污染物控制將進入到一個全新階段。通對法規的解讀識別出加油污染物排放試驗(Ⅶ型試驗)過程中可能造成燃油蒸發排放超標的影響因素，并針對各影響因素制定了不同的應對措施，為燃油新系統的開發提供參考。

輕型車國六法規；加油污染物；排放控制

0 引言

據統計，截至2015年底全國機動車保有量達2.79億量，其中汽車1.72億量，僅2015年就銷售汽車2 459.76萬輛。隨著汽車保有量的增加 ，汽車燃油揮發污染物對我國能源、環境帶來巨大的壓力[1]，而《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》報批稿(以下簡稱“輕型車國六法規”)的下發預示著汽車燃油揮發污染物控制將進入到一個全新階段。相對輕型車第五階段法規，除了提高了蒸發污染物排放試驗(Ⅳ型試驗)的試驗條件和限值以外，最大的變化就是增加加油污染物排放試驗(Ⅶ型試驗)并提出了苛刻的排放限值要求。

1 法規解讀

針對加油污染物排放試驗，從輕型車國六法規可知以下試驗過程細節：

(1)整車級密閉測試試驗；

(2)試驗用燃油RVP56～60 kPa；

(3)試驗前進行碳罐再生處理(行車工況)；

(4)加油速率(37 ± 1)L/min；

(5)測試前底油為V·10% ±0.5 L(其中V為油箱額定容積)；

(6)加油測試前常溫浸車6～36 h；

(7)測試中加油量至少為V·85%±0.5 L(其中V為額定容積)；

(8)中途跳槍需3～15 s內重新啟動加油；

(9)以自動跳槍結束加油過程；

(10)輸油結束后0～60 s內讀取最終排放參數；

(11)讀取最終排放參數前加油槍無需拔出加油管。

依據試驗細節采用魚骨刺法提煉出影響加油污染物排放的主要因素，如圖1所示。

圖1 加油蒸發排放影響因素魚骨刺圖

由圖1可知：影響加油排放的主要因素為非加油環節蒸汽產生量、加油環節蒸汽產生量以及碳罐吸附能力。

2 零部件設計

燃油系統如達到輕型車國六法規規定的加油排放限值必須匹配ORVR(車載加油油氣回收系統)。帶ORVR的燃油系統常用結構詳見圖2。

圖2 帶ORVR的燃油系統常用結構簡圖

通過燃油系統設計優化來降低各階段的蒸汽產生量將有助于降低對碳罐工作能力的要求，從而實現成本最小化。

2.1 非加油環節蒸汽產生量控制方案

由圖1可知影響非加油環節蒸汽產生量的因素主要有熱浸期間(行車熄火后)排放和常溫浸車期間排放，由于常溫浸車時間主要受認證試驗室資源數量有限影響，不具有可控性，所以設計燃油系統時應該重點控制熱浸期間蒸汽產生量。

熱浸期間發動機停止工作，由于迎面風的冷卻能力消失，發動機系統余熱通過排氣管傳遞至油箱處，導致油箱溫度短暫升高，燃油箱產生大量蒸汽并進入碳罐，而此期間碳罐并不進行脫附，這將降低加油過程中碳罐可用的吸附能力，進而影響到最終的加油排放值。降低行車及熱浸期間燃油箱溫度將有利于控制蒸汽產生量。燃油箱溫度降低可通過以下方案實現：

(1)降低燃油泵功率、提升工作效率來降低發熱量；

(2)優化排氣管隔熱罩避免熱空氣侵襲燃油箱；

(3)增加排氣管和燃油箱布置間隙，建議不小于60 mm；

(4)選用優質燃油箱隔熱板材料，降低熱傳遞。

燃油泵選取應依據發動機燃油需求量來確認選型，不應設置太高的流量安全系數以免造成燃油泵功率過高，重點應從提升初級過濾器的容塵量來避免壽命期間內的流量衰減問題，此外引入按需供油控制模塊也能極大地降低燃油泵工作功率，降低發熱量。

排氣隔熱罩優先選用壓花鋁制隔熱板，它具有反射率高、易冷卻、易加工以及質量輕等特點，目前在燃油箱隔熱板方面應用廣泛。燃油箱隔熱板應該和前側排氣隔熱板搭接布置，避免預留間隙導致熱空氣侵擾燃油箱，如圖3所示。

圖3 燃油箱隔熱板搭接示意圖

如果采用以上隔熱板布置方案依然無法達到燃油箱降溫的預期效果，可以考慮在燃油箱和隔熱板之間布置耐火隔熱棉。

2.2 加油環節蒸汽產生量控制方案

由圖1可知：影響加油環節蒸汽產生量的主要因素有蒸汽逃逸、新鮮空氣裹入[2]以及加油不暢等。

2.2.1 蒸汽逃逸控制

燃油蒸汽逃逸指燃油蒸汽未通過碳罐過濾直接排入環境中的現象，主要發生在燃油加注口和燃油系統泄漏位置。泄漏問題可以通過控制零部件產品質量、選取適當的配合結構和公差來解決。燃油加注口外溢的燃油蒸汽主要來源于燃油箱內部，可以從以下幾個方面著手；

(1)關閉加油過程中加注口和燃油箱的氣體通道；

(2)優化燃油加注閥布置位置。

關閉加油管和燃油箱的氣體通道一般通過機械密封和液體密封來實現。機械密封即在加油口位置增加橡膠密封件，將加油槍和加油管管體之間的間隙封堵住來防止燃油蒸汽外逸，結構如圖4所示。

圖4 機械密封加油管結構簡圖

機械密封采用的橡膠密封件，易磨損耐久性差。據統計美國市場占有率僅在1%左右，而且國內加油槍規格差異大，更易出現密封件損壞現象，因此國內建議采用加油管液體密封方式。液體密封需要結合細管徑實施，加油管主管內徑一般在25 mm左右，加油管結構需要基于仿真分析和試驗測試確認是否可以形成液體密封，液體密封位置應處于燃油加注閥上側管體位置。

燃油加注閥盡量布置在燃油箱的低位，以便加油過程中它盡快被燃油淹沒，防止加油管液封短暫失效導致的燃油箱內燃油蒸汽外溢；另外燃油盡快淹沒燃油加注閥也能減少燃油沖擊液面造成的飛濺，從而控制燃油蒸汽產生量。

2.2.2 新鮮空氣裹入量控制

在加油過程中,加油槍出來的高速燃油流過加油口時會在加油口內側形成負壓區，加油口外側的新鮮空氣受壓差影響會進入加油口并被燃油裹入燃油箱。如果進入燃油箱的空氣量較大，勢必會稀釋燃油箱內部的燃油蒸汽，從而加快燃油從液面上的揮發速度，進而產生更多的燃油蒸汽，因此降低新鮮空氣裹入量對控制加油過程中燃油蒸汽的產生量至關重要。

機械式密封加油管(詳見圖4)由于阻隔了外部空間和加油管內側的通道，不但可以防止油箱內燃油蒸汽外溢，也可以有效控制空氣裹入量，實現對燃油蒸汽生成量的控制。

針對液封式加油管，可通過布置蒸汽循環管將燃油箱內高濃度的燃油蒸汽填充加油過程中形成的負壓區，并使其重新進入燃油箱。由于進入的空氣中攜帶有高濃度的燃油蒸汽，對油箱內燃油蒸汽濃度的影響減小，從而抑制了油箱內燃油揮發速度，實現了燃油蒸汽生成量控制。蒸汽循環管布置及工作原理詳見圖5。

圖5 蒸汽循環管布置及工作原理

蒸汽循環管一般采用內徑為6 mm的管路，但為防止出氣量太大導致蒸汽從加油口外溢到環境中，需要在其通往加注口末端或前段設置截流口，截流口的橫截面積可依據加油試驗進行優化改進。

2.2.3 針對加油不暢優化設計

加油不暢主要表現在加油過程中出現反噴、反濺、提前跳槍等問題。

反噴主要出現在加油槍跳槍后，此時加油口壓力低于燃油箱內部壓力 ，受油箱內高壓影響燃油會從油箱快速涌向加油管，不加阻擋可能會導致燃油從加油管口噴出。防止反噴主要

通過在燃油加注閥上布置單向閥來解決。

反濺主要是由加油管口設計不合理以及燃油加注閥布置不合理導致的。可按照圖6及表1對應的參數進行加油管上端設計來降低反濺風險。

圖6 加油管上端結構簡圖表1 加油管上端設計參數表

位置最佳尺寸可行尺寸加油槍至第一拐角距離LL≥70mm70mm>L≥31mm第一拐角的彎管半徑RR≥100mm100mm>R≥50mm第一拐角的角度θθ≤45°45°<θ≤70°加油槍和第一直管段的軸心夾角αα=0°0°<α≤4°

燃油加注閥布置除了需要保證首次加油跳槍后其出口沒入燃油中外，還應控制其向油箱內注油的角度以及和油箱內結構的布置間隙，要求詳見圖7和表2。

圖7 燃油加注閥布置簡圖表2 燃油加注閥布置參數表

位置尺寸要求燃油加注閥和油箱底面夾角θ30°≥θ≥3.5°(約6%的斜度)燃油加注閥和前面障礙物距離LL≥100mm

提前跳槍主要原因是排氣通道氣阻大、加油流阻大以及加油限量閥非正常等，可以采用表3中措施優化相關零部件設計、降低故障發生率。

表3 降低提前跳槍的措施對照表

2.3 碳罐吸附能力設計及優化

加油過程中碳罐吸附能力不足主要是由碳罐的設計容積小及加油前行車工況下碳罐再生率低導致的。ORVR系統碳罐容積計算應該基于以下計算公式求得：

(1)

式中：V為碳罐設計容積(L)；C為燃油箱額定容積(L)；η為蒸汽產生率(g/L)；χ為柱狀碳GWC工作能力(g/L)；ω為柱狀碳能力利用效率(%)；a為安全系數。

依據美國ORVR的設計經驗，一般加油過程中會以1.4 g/L左右的速率產生燃油蒸汽。針對液封式加油管系統，如匹配好蒸汽循環管可以將產生速率降低15%左右。碳粉能力的利用效率不但和加油速率有關，和碳罐的結構也有關，其中圓桶結構腔里的碳粉能力利用率最高。此外燃油蒸汽在碳罐中路徑的延長可使蒸汽溢出過程中更多地接觸柱狀碳，可提升燃油蒸汽的被吸附率，因此在滿足流阻的前提下增加長徑比可顯著提升柱狀碳能力的利用率[3]。如碳罐結構設計合理，在加油過程中柱狀碳能力的利用率可達60%以上。

碳罐再生率主要取決于加油前行車工況的脫附流量，在脫

附流量提升有限時，可以通過不同規格的柱狀碳分層布置，優先提升通氣口位置柱狀碳的再生率來降低碳罐通氣口的燃油蒸汽逸出量，分層布置方式詳見圖8。柱狀碳B應相對柱狀碳A在GWC工作能力上略弱，以便確保其更易脫附再生。

圖8 碳罐中柱狀碳分層布置簡圖

3 結束語

2015年我國石油對外依存度已至60.6%，為緩解能源和環境壓力并推動汽車產業可持續發展，國家對汽車燃油蒸發損失量的控制要求必將越來越嚴，因此各整車企業需要提前規劃技術路線來滿足未來法規的要求。

【1】輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)(征求意見稿)編制說明[M],2016.

【2】何仁，蔡錦榕，梁琳林.汽油車加油排放影響因素分析[J].交通科學與工程，2010,26(3):60-65. HE R,CAI J R,LIANG L L.Analysis of the Factors Impacting on Refueling Emissions of Gasoline Vehicle[J].Journal of Transport Science and Engineering，2010,26(3):60-65.

【3】高俊華.減少整車蒸發排放的技術策略研究[D].長春:吉林大學,2007.

Gas Emissions Control Research

LI Changjiang1，2, LIU Xinming1，2

(1.Research & Development Center of Great Wall Motor company, Baoding Hebei 071000,China;2.Automotive Engineering Technical Center of Hebei, Baoding Hebei 071000,China)

The promulgation of the CHINA VI emission standard predicts that the car fuel volatile pollutants control will enter a new stage.Through interpreting rules, the influencing factors may causing fuel evaporative excessive emission in the refueling process were identified. Aiming at each influence factor, different measures to cope with the situation were made.It provides reference for the development of new fuel system.

CHINA VI emission standard for car; Gas pollutants; Emission control

2016-10-18

李長江(1984—)，男，學士，助理工程師，研究方向為汽車燃油系統設計開發。E-mail：bdchj@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.03.010

U461.11+4

B

1674-1986(2017)03-040-04