淺談國六供油系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙闖，秦昊，趙群

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110027）

前言

《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》標(biāo)準(zhǔn)中整車蒸發(fā)污染物排放試驗(yàn)限值由第五階段的2g/test降至0.7g/次[1]，且測試時(shí)間為第五階段要求的2倍，同時(shí)增加了車載加油油氣回收系統(tǒng)，是一種車輛排放控制系統(tǒng)，它能夠收集加油過程中從油箱中揮發(fā)出來的燃油蒸氣，加油排放限值不得超過0.05g/L[2]。汽車企業(yè)需在有限的開發(fā)周期內(nèi)，最大限度的節(jié)約開發(fā)成本，克服開發(fā)資源稀缺，開發(fā)經(jīng)驗(yàn)不足等難題的情況下，突破所有的技術(shù)壁壘，完成國六供油系統(tǒng)的全新升級，以滿足汽車產(chǎn)品的使用要求。針對第六階段目前的研究有通過測量加油管內(nèi)油液壓力的變化來監(jiān)控液封狀態(tài)[3]，以控制加油時(shí)污染物的排放，還有供油系統(tǒng)核心部件炭罐的設(shè)計(jì)要點(diǎn)解析。本文針對蒸發(fā)污染物排放和加油污染物排放兩方面剖析供油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 涉及蒸發(fā)污染物排放的設(shè)計(jì)

為了更準(zhǔn)確的控制系統(tǒng)限值，需重新對供油系統(tǒng)各個(gè)零部件進(jìn)行了蒸發(fā)排放限值分配，并要求每個(gè)零部件的排放限值精確到1mg，如此苛刻的要求對供油系統(tǒng)零部件的設(shè)計(jì)能力和制造能力均提出了更高的挑戰(zhàn)。

供油系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)[4]如圖1所示，下面針對國六供油系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳細(xì)的分析，并指出設(shè)計(jì)要素。

圖1 供油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.1 燃油箱總成的設(shè)計(jì)

燃油箱總成是燃油系統(tǒng)的關(guān)鍵件，分為金屬燃油箱及塑料燃油箱兩種。

為滿足法規(guī)第六階段的要求，塑料燃油箱的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要素如下：

1.1.1 塑料燃油箱為六層結(jié)構(gòu)材料

由內(nèi)向外分別為內(nèi)層、粘合層、阻隔層、粘合層、回料層和外層[5]。其中油箱阻隔層EVOH的厚度與國五油箱相比有所增加，并需保證阻隔層的連續(xù)性，使油箱殼體的滲透值較低。

1.1.2 油箱上的閥體有GRV、FLVV和ICV

根據(jù)油箱的大小和布置位置不同，GRV有時(shí)可不用。閥體均采用雙層注塑材料，內(nèi)層由 POM 保證阻隔性，外層使用HDPE保證與油箱的焊接性能。其中FLVV是油箱上的重要部件，不僅要保證排放滲透值，還需保證達(dá)到設(shè)計(jì)的關(guān)閉高度，以控制油箱的加油量。同時(shí)在 OBD檢測對供油系統(tǒng)抽真空時(shí)，F(xiàn)LVV閥體還需保證一定的流量來滿足OBD的檢測要求。

1.1.3 油箱上安裝油泵的泵口采用cam-lock型式鎖緊結(jié)構(gòu)

泵口的密封采用含氟量大于70%的FKM材料O型圈，泵口處與O型圈配合的密封溝槽的設(shè)計(jì)尺寸按照SEA J2587標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，以保證O型圈的壓縮比，實(shí)現(xiàn)低滲透。安裝油泵的裝配步驟如圖2所示。

圖2 安裝油泵的裝配步驟

①將O型圈裝配在密封溝槽中；

②正確裝配油泵，注意安裝方向；

③裝入cam-lock卡盤，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到位。

金屬燃油箱相對于塑料燃油箱不存在油箱本體蒸發(fā)排放問題，并且可以將GRV、FLVV閥體集成在油泵法蘭上或者置于金屬油箱內(nèi)部；ICV閥同樣也內(nèi)置在油箱中；油泵安裝型式與塑料油箱相同，均采用cam-lock卡盤安裝方式。這樣整個(gè)金屬燃油箱的蒸發(fā)排放僅存在于泵口一個(gè)位置。

因此總體來說，國六金屬燃油箱蒸發(fā)排放易于控制，技術(shù)方案可行性高，工藝成熟、簡單。且開發(fā)階段不需要進(jìn)行油箱老化后的蒸發(fā)排放試驗(yàn)，縮短油箱的開發(fā)周期并節(jié)約開發(fā)成本。

1.2 燃油泵的設(shè)計(jì)

燃油泵采用大尺寸法蘭盤，盡可能將傳感器、閥等零部件集成在油泵上。如圖2為例，圖中油泵就集成了監(jiān)測油箱壓力的壓力傳感器，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，同時(shí)方便供應(yīng)商管理。

1.3 管路設(shè)計(jì)

管路采用低滲透的多層材料，由內(nèi)向外分別為 PA12/粘合層/PA6/阻隔層/PA6。管路的所有連接處均帶有 O型圈密封結(jié)構(gòu)，以降低系統(tǒng)排放；相比國五系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)低排放性能，國六管路應(yīng)盡量避免使用橡膠管路，以便降低成本，提高裝配性。

1.4 炭罐總成的設(shè)計(jì)

為滿足國六法規(guī)要求，燃油蒸氣全部由炭罐吸附，不能排出到大氣中，炭罐吸附燃油蒸氣的能力必須大大提高。故需增大活性炭的體積，將炭罐的容積加大到2-3倍[6]。

影響炭罐工作能力的最主要因素是活性炭選擇，活性炭的配比不同，炭罐總成的污染物排放值也不同，具體關(guān)系見圖 3。為滿足排放、車輛成本控制和降低加油時(shí)通氣阻力等要求。國六炭罐活性炭型號一般選為 BAX1100LD和BAX1500組合，材料必須干燥。

圖3 炭罐的排放值與活性炭配比關(guān)系

①150BV脫附量&24h熱浸；

②四個(gè)炭罐的容積均為2.1L；

③第2種活性炭容積0.3L在通大氣口位置；

1.5 加油管總成的設(shè)計(jì)

加油管采用金屬管為加油主管，無滲透，采用快插尼龍管為循環(huán)管，低滲透，與油箱連接端的加油軟管采用 NBR/THV815/NBR/CSM材料，其中THV815為阻隔燃油滲透材料。

2 涉及車載加油油氣回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車載加油油氣回收系統(tǒng)在國六法規(guī)中是新增要求，要求加油過程中產(chǎn)生的燃油蒸氣必須經(jīng)過炭罐回收凈化，不能直接從加油管口排到大氣中，在加油過程中蒸發(fā)污染物排放量不得超過0.05g/L。

加油試驗(yàn)時(shí)，是在油箱里有死油的情況下進(jìn)行加油，先往油箱里加10%額定容積的國六汽油，再加85%額定容積的國六汽油。如在加油過程中，加油槍跳槍時(shí)，加油量沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，則加油污染物排放試驗(yàn)只能中斷，試驗(yàn)無法通過；或者加油跳槍次數(shù)過多，蒸發(fā)污染物排放值超標(biāo)，試驗(yàn)也無法通過。

為使試驗(yàn)順利進(jìn)行并且試驗(yàn)結(jié)果合格，需考慮以下三個(gè)設(shè)計(jì)要素：

2.1 加油主管的設(shè)計(jì)需要保證液封且加油順暢，不能提前跳槍

加油污染物排放限值不超過0.05g/L，則在加油過程中加注管內(nèi)必須實(shí)現(xiàn)液封，產(chǎn)生的燃油蒸氣不能將排入大氣中，而是被炭罐吸附，試驗(yàn)才能通過。因此要減小加油管的內(nèi)部管徑實(shí)現(xiàn)液封，內(nèi)徑尺寸設(shè)計(jì)為φ25.4 mm，液封位置在距離油箱較近的加注管中下部。

加油順暢性主要受到5個(gè)參數(shù)的影響，參數(shù)對應(yīng)加注管上的位置見圖4。

①首段直管長度；

②首段直管與水平面夾角

③首段直管與第二段直管的夾角

④首段彎管半徑

⑤加油口管口到ICV中心的Z向高度

圖4 參數(shù)對應(yīng)加注管上的位置

2.2 加油產(chǎn)生的燃油蒸氣必須快速的從炭罐及管路系統(tǒng)中排出

圖5 國六系統(tǒng)

圖6 國五系統(tǒng)

此要求需要蒸氣通路上的零部件具備盡量小的壓降性能，包括油箱上的加油控制閥（FLVV or MFCV）的要達(dá)到一定的流量；油箱到炭罐的蒸發(fā)管路和炭罐到電磁閥的蒸發(fā)管路需要擴(kuò)大管徑，內(nèi)徑由原來的φ6增大到φ10；及炭罐總成的接口尺寸也有原來的φ7.89增大到φ9.89；炭罐則采用壓降更低的柱狀活性炭代替國五時(shí)使用的顆粒碳；國五及國六系統(tǒng)對比見圖5和圖6。

2.3 炭罐具備足夠的燃油吸附能力

由于加油過程中產(chǎn)生的燃油蒸氣需要通過炭罐回收凈化，不能直接排放到大氣中；炭罐設(shè)計(jì)需要考慮具備足夠的燃油吸附能力。炭罐的吸附能力評估需要考慮油箱的加油容積，油箱內(nèi)的燃油蒸氣生成速率，碳粉的工作能力及安全系數(shù)；由于加油過程中蒸氣迅速進(jìn)入炭罐，此時(shí)的碳粉工作能力約為晝間行車時(shí)工作能力的65%。

加油時(shí)油氣產(chǎn)生的速率是晝間蒸發(fā)時(shí)速率的幾百倍，見圖7所示，所以炭罐的工作能力以計(jì)算ORVR的工作能力為準(zhǔn)。一般炭罐容積和工作能力計(jì)算公式：

炭罐容積（L）=油箱額定容積×油箱中油氣發(fā)生率÷活性炭工作能力

ORVR工作能力（g）=油箱加油量×油箱中油氣發(fā)生率×安全系數(shù)

EPA工作能力（g）= ORVR工作能力（g）÷65%

圖7 油氣產(chǎn)生速率對比

通常來說，炭罐的體積由加油時(shí)產(chǎn)生的燃油蒸氣決定，如果可以滿足加油時(shí)的蒸氣吸附要求，則2晝間排放炭罐不會(huì)飽和。

3 結(jié)論

為了人類可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)汽車工業(yè)的“零污染”，我們在大力借簽發(fā)達(dá)國家先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，通過不斷的技術(shù)革新和完善的法規(guī)約束，才能實(shí)現(xiàn)令人滿意的成果。因此供油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)和優(yōu)化勢在必行，從而使國內(nèi)汽車排放水平提升到更高的階梯，希望本文對供油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析對業(yè)內(nèi)人員起到借鑒作用。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 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）.

[3] 何仁,丁浩.車載加油油氣回收裝置加油特性試驗(yàn).中國公路學(xué)報(bào).2017（09）-0142-02.

[4] 蔡興旺,付曉光.汽車構(gòu)造與原理（第 2版下冊）[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社,2011.72.

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

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