國六車載加油蒸氣回收系統研究

袁衛

摘 要：文章為國六車載加油蒸氣回收系統提供了一種系統解決方案。該系統解決方案包含：炭罐和加油管設計方法，以獲得較低的加油污染物排放;油箱油氣分離器優化設計方法，以減少油箱動態泄漏以防止炭罐污染;主機廠生產線加油方法，以改善新油箱加油提前跳槍問題。關鍵詞：國六;加油;排放;泄漏;炭罐中圖分類號：U462.1? 文獻標識碼：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

為進一步減少汽車污染物排放，環保部于2016年12月23日發布了輕型汽車第六階段排放法規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新增了加油排放污染物限值要求（VII型試驗）。該要求規定燃油系統的加油污染物排放值小于0.05g/L（含推薦劣化系數0.01g/L）。

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

國六輕型汽車燃油系統（如圖2所示）在加油時，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^[3]。

1 ORVR系統需要解決的幾類問題

國六ORVR系統承擔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，炭罐及加油管設計等。如何獲得較低的加油污染物排放以及炭罐負載，成為了ORVR系統需解決的第一類問題。

1.2 如何控制油箱內動態泄漏

國六ORVR系統在油箱滿油位附近，整車動態運行過程中，會出現汽油泄漏問題，從而污染炭罐。如何解決油箱動態泄漏問題成為ORVR系統需解決的第二類問題。

1.3 如何解決生產線新油箱加油跳槍

國六ORVR系統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）、炭罐、OBD炭罐關閉閥（NICRO系統為空氣泵）、初濾等部件，相比國五燃油系統，加油時系統背壓大大增加。主機廠操作工人在給新油箱加油時，容易出現跳槍問題，影響了生產節拍。如何通過優化加油條件改善生產線加油跳槍問題成為ORVR系統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系統進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炭罐設計

ORVR系統加油過程中汽油蒸氣生成率為：

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

式中：W表示實際加油過程中炭罐所吸收的汽油蒸氣質量（g），即炭罐增重（負載）。V代表實際加油量（L）。

根據公式（1）和國六VII型試驗流程，炭罐所需ORVR工作能力和裝炭體積的經驗計算公式分別為

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，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經驗值。

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

該MPV炭罐分為兩個內腔，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炭罐的設計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加油管設計

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

本文針對不同循環管內徑，按國六 VII型試驗要求用37L/min和15L/min加油速度對該MPV的ORVR系統進行了加油污染物排放試驗（加油管內徑為25.4mm）。根據公式（1），加油蒸氣生成率和加油污染物排放結果見表2和表3。

以上試驗結果表明：

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

（2）RVP相當且循環管內徑相同時，加油速度越高，汽油揮發性越強^[5]，蒸氣生成率越高。

（3）無循環管ORVR系統的加油蒸汽生成率比有循環管ORVR系統的蒸汽生成率高;無循環管ORVR系統的加油蒸氣生成率>1.32g/L，達到了1.53g/L;有循環管ORVR系統的加油蒸氣生成率<1.32g/L，說明循環管可降低炭罐負載。

（4）循環管內徑越大，則炭罐增重（負載）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，循環管縮孔內徑為3.5 mm， 4.0mm和5.0mm孔對應的加油排放值，加上劣化系數0.01g/L，均小于國六加油污染物排放試驗限值0.05g/L。循環管縮孔為3.5mm時，對應加油污染物排放值為最優。

（6）15L/min加油速度條件下，循環管縮孔內徑為3.5 mm，4.0mm和5.0mm孔對應的加油排放值，即使不加劣化系數0.01g/L，均大于國六VII試驗限值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，導致加油管頭部碳氫溢出。但循環管縮孔為3.5mm時，對應加油污染物排放值仍為最優。

3 如何解決油箱動態泄漏

國六ORVR系統中，以油箱液位控制閥為主的閥系，在整車運行過程中有動態泄漏問題。

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，以收集油箱動態泄漏或汽油蒸氣冷凝的汽油。故而設計要求油箱在任何工況下汽油動態泄漏小于10ml，同時油箱內壓力小于100hPa。

本文在一款SUV國六ORVR系統55L油箱開發過程中，按某山路路譜進行油箱動態泄漏六軸晃動試驗時（見圖4），就遇到了油箱油氣分離器后端收集到大于10ml試驗液體的問題。經分析，泄漏過多的原因在于油氣分離器內部結構未能有效阻止液體回流至油箱。

因此，將油氣分離器內部增加了幾處擋板，形成迷宮結構，有效控制了動態泄漏，見圖5改進方案和表4動態泄漏值對比情況。由此可見，方案2在方案1基礎上優化擋板結構并去除死容積，油箱晃動動態泄漏值達到設計要求。

4 如何解決生產線新油箱加油跳槍

國六ORVR系統相較國五本身背壓較大，加之新油箱加油時，油箱內有大量空氣，汽油進入油箱后也會產生大量汽油蒸氣，空氣和蒸氣混合氣流量較大，導致系統背壓過大，加油管內油壓克服不了背壓產生跳槍。

加油管內油壓的簡化公式為：

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

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

本文對一款乘用車國六ORVR系統進行新油箱（50L）加油試驗，關鍵零部件背壓見表5。

加油試驗表明，油溫為24℃，加油速度降低為10L/min時不會產生加油提前跳槍，見表6。

當加油速度為40L/min，該ORVR系統在加滿油過程中，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。

以上加油試驗過程中的蒸氣壓力曲線表明：

（1）新油箱首次加油時，加油前期，出現加油提前跳槍現象，此時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，應用公式（4），加油管內油壓為26hPa，小于油箱蒸氣壓力，因此產生跳槍。

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

加油終了，油箱液位控制閥關閉，油箱內蒸氣壓力又上升到大于加油管內油壓后產生加油跳槍，此時油箱內蒸氣壓力大于28hPa。

（2）油箱二次加油時不會出現提前跳槍，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。整個加油過程中油箱內蒸氣壓力僅為20hPa左右，小于加油管內油壓。加油終了時，同樣由于油箱液位控制閥關閉，油箱內蒸氣壓力上升大于加油管內油壓導致加油終了跳槍。

如降低油溫至8℃，該ORVR系統可滿足加油速度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 結論

（1）本文所述炭罐和加油管設計方法可以有效降低國六ORVR系統加油污染物排放值及炭罐負載，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化設計方法可以有效控制國六ORVR加油蒸氣回收系統油箱內汽油動態泄漏，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

[1] 國家環境保護部.國家質量監督檢驗檢疫總局. 輕型汽車污染物排放限值及測量方法）（中國第五階段）：GB18352.5-2013[S/OL]. http：//kjs.mee.gov.cn/hjbhbz/bzwb/dqhjbh/dqydywrwpfbz/201309/t20130917_260352.shtml.

[2] 國家環境保護部.國家質量監督檢驗檢疫總局. 輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）：GB18352.6-2016[S/OL]. http：//kjs.mee.gov.cn/hjbhbz/bzwb/dqhjbh/dqydywrwpfbz/201612/t20161223_369476.shtml.

[3] 蔡錦榕，何仁，韋海燕.控制轎車加油排放的ORVR技術綜述[J].車用發動機，2009，2.

[4] 汪智，何仁.基于Fluent仿真的ORVR加油管液封設計[J].重慶理工大學學報（自然科學），2014，2（28）.

[5] 陳家慶，湯水清，劉美麗等.基于集總參數模型的ORVR機動車加油過程模擬[J].環境工程學報，2018，2（12）.