淺析車輛蒸發污染物排放及系統優化

劉隆嬌 蔣金隆

（江西昌河汽車有限責任公司 333002，中航復合材料有限責任公司 101300）

淺析車輛蒸發污染物排放及系統優化

劉隆嬌1蔣金隆2

（江西昌河汽車有限責任公司 333002，中航復合材料有限責任公司 101300）

本文通過分析油箱蓋、加油管、燃油箱、連接管路及炭罐在蒸發污染物排放方面的影響，提出了詳細的優化方案并推薦了部分國六方案，對車輛蒸發污染物試驗及系統設計有參考和借鑒作用。

蒸發污染物排放；優化

1 前沿

車輛HC排放中，除了尾氣和曲軸箱排放外，大部分是燃油蒸發系統的排放，約占車輛HC排放的20%。降低燃油蒸發污染物排放量即意味著降低整車蒸發污染排放量。隨著環境污染的嚴重，蒸發污染物排放法規的嚴苛，有必要對蒸發污染物排放進行控制。

2 國六蒸發污染物排放

國六排放法規于2016年10月下發。”該法規對車輛燃油蒸發污染物排放作了嚴苛要求，其蒸發污染物限值由國五的2 g/test降低為0.7 g/test（M類車型）和0.85～1.15 g/test(N類車型)。并增加VII型試驗即加油過程污染排放物不超過0.05 g/L，即必須使用ORVR燃油系統。

跟國五相比，國六限值減少了1半。因此，降低整個燃油系統及零部件的蒸發排放，任務嚴峻。

3 燃油蒸發系統的組成和工作原理

3.1 燃油蒸發系統的組成

燃油系統由加油口蓋、加油管、燃油箱、油泵、汽油濾、雙向控制閥、炭罐、炭罐清洗閥、燃油管路等零部件組成。

3.2 燃油蒸發系統的工作原理

當環境溫度較高，燃油蒸氣不斷在油箱內部集聚而產生氣壓，壓力增加到一定值（5 kPa左右）時，燃油蒸氣壓力克服雙向閥彈簧的彈力，沿著燃油管路進入炭罐，干凈空氣從炭罐通大氣口排出。當環境溫度較低，油箱內部溫度降低，燃油蒸q氣不斷凝結而產生負壓，負壓增加到一定值（-1 kPa左右）時，燃油蒸氣壓力克服雙向閥反向彈簧的彈力，沿著管路進入油箱補氣。

發動機工作時，在特定工況下，ECU打開炭罐控清洗閥，燃油蒸氣在進氣歧管內負壓的作用下，被吸到發動機中參與燃燒，此時新鮮空氣進入炭罐通大氣口進行補充[1]。

4 燃油系統優化控制策略

4.1 改善油箱蓋的氣密性

大部分油箱蓋內部的密封圈或者橡膠墊材質采用丁晴橡膠，是基于其優良的耐油性和適中的價格。但當回料參與過多，會降低其耐油性能，造成與相鄰部件的粘連。另一方面是內部彈簧件的精度不夠，造成變形量失控，尤其是在小壓力控制時，使得整個部件提前釋壓，燃油蒸氣量超標。

改善油箱蓋的氣密性在于保證內部零部件尤其是橡膠墊的材質配方；提高彈簧的質量，保證變形量可控。

4.2 塑料加油管

塑料加油管常用材料為HDPE，主要考慮降低產品材料的滲透性。可通過增加HDPE材料厚度及對HDPE層進行表面阻隔處理達到目標。不過由于其滲透遠大于金屬材料，在國六開發的車型燃油系統中一般不推薦使用。

4.3 成熟焊接技術保證金屬燃油箱不泄露

金屬油箱可能形成泄漏的地方主要在于上下蓋的焊接處，焊縫寬度一般要求大于10 mm，如果焊機電壓等參數不穩定，可造成焊縫焊接不牢靠而漏油。另外，進油管嘴和通氣管嘴在殼體上焊接位置處容易因為焊穿而漏油。其次，裝配件如油泵、翻車閥等，可能會因為油箱上安裝口的法蘭翻邊尺寸不夠造成與油泵密封圈接觸面不夠，密封圈處泄漏。

油泵、翻車閥密封圈本身材料不耐燃油使得滲透性差以及接觸燃油后膨脹變形，造成密封不良而漏油。

所以，對金屬燃油箱系統燃料泄漏或滲漏的主要控制點在于，成熟的焊接技術來保證不出現焊穿，較高的制造能力用于保證法蘭部分的翻邊尺寸，過硬的零部件（橡膠密封圈）材料配方保證耐燃油。

4.4 多層結構保證塑料燃油箱低滲透

塑料燃油箱的材料通常采用高分子量聚乙烯作為基材，輔以粘接和阻隔材料（尼龍或乙烯-乙烯醇共聚物即EVOH）。一種是分子量為50萬～80萬的HMWHDPE，經吹塑成型的單層結構的塑料燃油箱，其箱體內壁進行不同方法的表面處理，以提高其抗燃油的滲漏性。另一種是以HMWHDPE為基材輔以阻隔材料或粘接材料，吹塑成型的單層及多層復合結構的塑料燃油箱。

單層塑料油箱滲透性很差（一般為10～20 g/day），已逐步淘汰。多層塑料油箱由復合阻隔層擠出成型，目前典型結構為五層，即HDPE層/粘結層/阻隔層/粘結層/HDPE層。其中HDPE作為內外層，起成型、加強、骨架等作用；阻隔層為具有較強阻隔作用的樹脂，常用有PVDC（聚偏二氯乙烯）、EVOH（乙烯-乙烯醇共聚物）、PAN（聚丙烯腈）；粘結層對HDPE層和阻隔層起粘結作用，有較好的粘結力、粘結耐久性和加工性能。多層塑料油箱的氣密性要求為30 kPa×20 s無泄漏，由于塑料油箱成型性比金屬油箱好，接口部位精度有保障，實際產品氣密性較好，在常規狀態下不會發生燃油蒸汽泄漏。多層塑料油箱燃油滲透性較好，一般可以達到≤0.5 g/day。

所以，降低塑料油箱總成的滲透性，主要考慮增加阻隔層成分比例（國六系統布置方案建議增加到3%）；對HDPE層進行表面阻隔處理；對HDPE層采用層狀共混處理。

4.5 降低連接管路材料的滲透性

連接管路分尼龍管、橡膠管和金屬管。尼龍管分單層和多層，單層尼龍管材料有PA12和PA11，其滲透性一般為0.4 g/m.day，多層尼龍管有3層和5層的區分，5層結構的組成為PA12/粘接劑/EVOH/粘接劑/PA12，滲透可達到0.1 g/m.day。橡膠管路的滲透性比較如表1。

表1 橡膠管路的滲透性比較

4.6 降低炭罐部分的排放值

對炭罐蒸發排放影響較大的有炭罐容積、活性炭能力、布置位置以及炭罐清洗策略。炭罐容積越大、活性炭工作能力越高，吸附油蒸汽越多、越強，國六車型燃油系統中推薦使用BAX1 500柱狀炭。

對于炭罐位置的布置，應該盡量選擇與環境溫度接近的空間，避免放置在發動機艙等高溫環境中。國六車型燃油系統中推薦布置在油箱附近。

優化炭罐清洗策略，通過在車輛怠速和減速過程中，適當打開炭罐控制閥，并在車輛運行中，適當提高電磁閥開啟頻率來盡可能多地脫附油蒸汽，達到降低炭罐排放的目的[2]。

5 總結

本文通過分析各零部件在蒸發污染物排放方面的影響，提出了詳細的優化方案并推薦了部分國六方案，對車輛蒸發污染物試驗及系統設計有參考和借鑒作用。

[1] 張洪欣.汽車設計[J].機械工業出版社，1989(6):39.

[2] 高俊華，付鐵強，方茂東，王益民.炭罐與汽車蒸發排放關系研究[J].汽車工程雜志社，2003(3):100.

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劉隆嬌（1981—），女，設計員，研究方向為車輛燃油系統研發（重點法規ORVR技術研發應用）。

蔣金隆（1980—），男，設計員，研究方向為復合材料的工藝研究與應用。