基于國六法規的燃油系統蒸發排放解決方案

秦昊，周維，王雷，趙闖，趙群，夏雁冰

（華晨汽車工程研究院動力總成綜合技術處，遼寧 沈陽 110141）

前言

為了加強對機動車排放污染物控制，改善空氣質量，國家環保部于2016年12月23日發布了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》法規（簡稱國Ⅵ法規），要求自2020年7月1日起，所有銷售，注冊車輛應滿足國Ⅵ要求[1]。該法規對燃油系統的要求由原來國Ⅴ參考歐系法規調整為參考美國標準，完全改變燃油系統設計思路及路線，中國行業內缺乏開發經驗，且技術升級周期短，急需各企業具備其開發能力。文章結合實際項目開發經驗，總結出滿足國Ⅵ法規的燃油系統蒸發排放解決方案。

1 國Ⅵ法規介紹

我國輕型汽油車自2000年實施國Ⅰ排放標準以來，經過15年的發展，目前，全國范圍內已經全面實施國Ⅴ排放標準。但國Ⅴ法規采用要求較低的歐洲標準，據估測目前的汽油車年均油氣揮發 8.8kg/輛，而在法規更加嚴苛的美國，整車年蒸發排放值僅為 0.5kg/輛[2]。因此，即將實施的國Ⅵ法規加嚴了對蒸發污染物排放的控制要求，同時還要求車輛加裝車載加油油氣回收系統（ORVR）。

與國Ⅴ蒸發排放限值相比，即便不考慮加嚴的測試循環和條件，國六蒸發排放限值為 0.7g/test，比原國Ⅴ限值的2g/test[3]加嚴了 65%，測試時間為國Ⅴ時的 2倍。且加嚴值基本需要由燃油系統完成，如表1所示，據經驗，燃油系統的排放水平需要控制在國Ⅴ時的25%以下，對蒸發排放控制水平提出了更高的要求。

新增ORVR要求，ORVR是一種車輛排放控制系統，它要求供油系統能夠收集加油過程中從油箱中揮發出來的燃油蒸氣，在避免了大氣污染的同時也節約了能源。根據美國實施ORVR的經驗，ORVR可以回收98%的加油蒸發損失，大大減少了汽油車燃油系統揮發性有機物的排放，對改善大氣環境意義重大。

文章針對燃油系統蒸發排放的解決方案進行說明。

表1 國Ⅴ與國Ⅵ蒸發排放限值對比

2 燃油系統蒸發排放控制方案

整車蒸發排放測試主要監控的是，整車1小時熱浸排放及2晝夜排放限值（取24小時最大值）相加的總和不能超過0.7g/test。整車主要的排放來源可分為燃油系統，動力總成和非燃料系（輪胎，內外飾，油漆及膠粘劑等），各主機廠需根據車型實際情況確定限值分配策略。考慮到燃油系統排放主要來源于燃油箱總成，基于沿用國Ⅴ燃油箱生產工藝的前提，將燃油系統排放限值設定為0.25g/test，各零部件限值分配如圖1所示。

圖1 國Ⅵ燃油系統限值分配

2.1 燃油箱總成控制方案

采用3種方案控制燃油箱總成排放。

1）增加阻隔層（EVOH）厚度

塑料燃油箱殼體通常采用高分子量聚乙烯（HDPE）作為基材，中間添加阻隔層以降低燃油滲透排放。目前典型結構為6層，即HDPE層/粘結層/阻隔層/粘結層/回料層/HDPE層，其中HDPE作為內外層，起成型，加強等作用；阻隔層采用較強阻隔作用的樹脂，常用EVOH材料；粘結層對HDPE層和阻隔層起粘結作用。所以，降低塑料燃油箱總成的滲透性，主要考慮增加阻隔層成分比例[4]。綜合成本因素，國Ⅴ燃油箱EVOH層比例通常控制在 1.5%，國Ⅵ燃油箱需要增加到2.5%以上，建議增加到3%。同時，燃油箱制造必須保證EVOH層的連續性，考慮20周老化后，阻隔層不能出現斷層。

2）采用特殊材料閥體，控制閥體焊接處排放

將燃油箱上所有閥體升級為雙層注塑閥體（簡稱2K閥），內層采用POM材料保證阻隔性，外層采用HDPE材料保證和油箱殼體的焊接性能，涉及閥體有 ICV，ROV及 FLVV（MFCV）。

同時，在保證燃油箱通氣性能的前提下，設計時需要盡量考慮減少燃油箱表面的開孔數量，即 ROV閥體數量，可以更有效的控制燃油箱總成排放。

另外如果將閥體內置于燃油箱內部，可以徹底消除因閥體開孔導致的滲透，但此技術對塑料燃油箱生產工藝要求很高，在燃油箱總成分配限值允許的前提下，不推薦采用此方案。但金屬油箱制作工藝不同，閥體內置的方案比較容易實現。如圖2所示，金屬油箱采用閥體內置方案可以將燃油箱總成排放控制在15mg/test以下。

圖2 金屬燃油箱閥體內置方案

3）更改燃油泵安裝方式

如圖3所示，國Ⅴ燃油泵采用鎖緊法蘭的形式安裝，出于法蘭加工公差，材料變形，安裝誤差等因素，排放控制困難。國Ⅵ安裝方式調整為圖4中的金屬卡盤結構，同時密封圈也由原來的NBR變更為FKM的O型圈，建議FKM的氟含量控制在69%以上。

圖3 國Ⅴ鎖緊法蘭安裝結構

圖4 國Ⅵ金屬卡盤安裝結構

通過以上3項調整，塑料燃油箱的排放水平可以控制在70mg以下，金屬燃油箱可以控制在15mg以下，滿足國Ⅵ法規要求。

2.2 加油管路總成控制方案

加油管總成建議采用金屬材質，實現零滲透。如果排放限值分配充裕，也可以采用塑料吹塑加注管。塑料加注管和燃油箱采用相同材料結構，通過 EVOH阻隔層控制排放性能，不過其滲透大于金屬材料且工藝較復雜，一般不推薦使用。

加注管與燃油箱連接橡膠管路材料由國Ⅴ的 NBR或FKM調整為THV或CPT阻隔層結構，將排放量降低到10mg以下。

管路系統采用低滲透的多層尼龍材料及帶O型FKM密封圈的快插連接結構來降低系統排放；相比國五系統，國六管路應盡量避免使用橡膠管路，因為可以實現低排放性能的橡膠管路成本非常高，且裝配性較差。

2.3 碳罐總成控制方案

碳罐設計需要考慮以下3個參數，通過優化3個參數間的關系，可以有效控制碳罐排放。

2.3.1 碳罐工作能力

國Ⅵ法規碳罐工作能力由ORVR系統決定，可以參照以下公式進行計算。

碳罐工作能力=燃油箱額定容積x0.9x蒸氣生成率x安全系數

參考美國ORVR設計經驗，一般加油過程中的蒸氣生成率在1.1～1.5g/L之間，初期可以使用1.4g/L進行計算，后期依據實際試驗數值進行調整。安全系數建議使用1.1數值。

2.3.2 碳罐容積及碳粉配比

碳罐容積大小取決于采用活性炭型號的工作能力。在相同的碳罐工作能力下，可以通過填充工作能力更強的碳粉來縮小碳罐容積[5]。與采用BAX1100LD型碳粉相比，BAX1500型碳粉可以減小碳罐容積約20%，BAX1700型碳粉可以減小近30%。適當的減小碳罐容積對碳罐排放有利，但相應的碳粉成本也將增加。

如圖5所示，通過不同規格的碳粉分層布置，優先提升碳罐通大氣口處碳粉的再生率，同樣可以降低碳罐的排放。

圖5 不同碳粉組合與碳罐排放的關系

2.3.3 整車脫附能力

碳罐的排放性能并不完全由碳罐本身決定，還取決于整車的脫附能力，即國Ⅵ測試預處理行駛循環下的碳罐脫附體積[6]。碳罐設計需要避免 breakthrough的發生，但 bleed emissions的多少取決于碳罐脫附體積，如圖6所示，碳罐脫附體積越大，碳罐排放值越低。

圖6 碳罐脫附體積與碳罐排放的關系

Breakthrough：碳罐飽和，吸附能力達到臨界點；

Bleed emissions：并非由于碳粉中的碳氫化合物飽和引起，在breakthrough之前發生。

國六車型開發時，需要考慮盡可能增大整車脫附能力，如發動機端增加文丘里管等措施，一般整車脫附能力要求大于200倍碳罐容積。

5 結論

文章通過分析燃油系統主要零部件燃油箱總成，加注管總成和碳罐總成在蒸發排放方面的影響，提出了各零部件詳細的優化方向并推薦了部分國Ⅵ方案。各車型開發可以結合自身實際情況，成本等因素，選擇性確定國Ⅵ方案。燃油系統國Ⅵ蒸發排放性能升級主要體現在采用高阻隔性材料，優化設計及制造工藝提升，其中相對國Ⅴ法規，對制造工藝的一致性控制提出了更高的要求。

[1] GB 18352.6-2016,輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）[S].

[2] 王小臣.歐美輕型車蒸發排放法規的異同分析[J].北京汽車,2013（5）：1-7.

[3] GB 18352.5-2013,輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）[S].

[4] 朱芝培.國內外汽車用塑料的現狀和展望[J].化工新型材料,2001（5）：9-12.

[5] 石磊.汽車燃油蒸發排放控制系統[J].汽車工程師,2013（1）：50-52.

[6] 李國良.汽車蒸發排放控制技術的研究[J].機械工程學報,2002（8）：147-150.