基于國(guó)六法規(guī)的燃油系統(tǒng)蒸發(fā)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(dòng)力總成綜合技術(shù)處，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

前言

為了加強(qiáng)對(duì)機(jī)動(dòng)車排放污染物控制，改善空氣質(zhì)量，國(guó)家環(huán)保部于2016年12月23日發(fā)布了《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》法規(guī)（簡(jiǎn)稱國(guó)Ⅵ法規(guī)），要求自2020年7月1日起，所有銷售，注冊(cè)車輛應(yīng)滿足國(guó)Ⅵ要求[1]。該法規(guī)對(duì)燃油系統(tǒng)的要求由原來國(guó)Ⅴ參考?xì)W系法規(guī)調(diào)整為參考美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，完全改變?nèi)加拖到y(tǒng)設(shè)計(jì)思路及路線，中國(guó)行業(yè)內(nèi)缺乏開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，且技術(shù)升級(jí)周期短，急需各企業(yè)具備其開發(fā)能力。文章結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出滿足國(guó)Ⅵ法規(guī)的燃油系統(tǒng)蒸發(fā)排放解決方案。

1 國(guó)Ⅵ法規(guī)介紹

我國(guó)輕型汽油車自2000年實(shí)施國(guó)Ⅰ排放標(biāo)準(zhǔn)以來，經(jīng)過15年的發(fā)展，目前，全國(guó)范圍內(nèi)已經(jīng)全面實(shí)施國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)。但國(guó)Ⅴ法規(guī)采用要求較低的歐洲標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)估測(cè)目前的汽油車年均油氣揮發(fā) 8.8kg/輛，而在法規(guī)更加嚴(yán)苛的美國(guó)，整車年蒸發(fā)排放值僅為 0.5kg/輛[2]。因此，即將實(shí)施的國(guó)Ⅵ法規(guī)加嚴(yán)了對(duì)蒸發(fā)污染物排放的控制要求，同時(shí)還要求車輛加裝車載加油油氣回收系統(tǒng)（ORVR）。

與國(guó)Ⅴ蒸發(fā)排放限值相比，即便不考慮加嚴(yán)的測(cè)試循環(huán)和條件，國(guó)六蒸發(fā)排放限值為 0.7g/test，比原國(guó)Ⅴ限值的2g/test[3]加嚴(yán)了 65%，測(cè)試時(shí)間為國(guó)Ⅴ時(shí)的 2倍。且加嚴(yán)值基本需要由燃油系統(tǒng)完成，如表1所示，據(jù)經(jīng)驗(yàn)，燃油系統(tǒng)的排放水平需要控制在國(guó)Ⅴ時(shí)的25%以下，對(duì)蒸發(fā)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(tǒng)，它要求供油系統(tǒng)能夠收集加油過程中從油箱中揮發(fā)出來的燃油蒸氣，在避免了大氣污染的同時(shí)也節(jié)約了能源。根據(jù)美國(guó)實(shí)施ORVR的經(jīng)驗(yàn)，ORVR可以回收98%的加油蒸發(fā)損失，大大減少了汽油車燃油系統(tǒng)揮發(fā)性有機(jī)物的排放，對(duì)改善大氣環(huán)境意義重大。

文章針對(duì)燃油系統(tǒng)蒸發(fā)排放的解決方案進(jìn)行說明。

表1 國(guó)Ⅴ與國(guó)Ⅵ蒸發(fā)排放限值對(duì)比

2 燃油系統(tǒng)蒸發(fā)排放控制方案

整車蒸發(fā)排放測(cè)試主要監(jiān)控的是，整車1小時(shí)熱浸排放及2晝夜排放限值（取24小時(shí)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(tǒng)，動(dòng)力總成和非燃料系（輪胎，內(nèi)外飾，油漆及膠粘劑等），各主機(jī)廠需根據(jù)車型實(shí)際情況確定限值分配策略。考慮到燃油系統(tǒng)排放主要來源于燃油箱總成，基于沿用國(guó)Ⅴ燃油箱生產(chǎn)工藝的前提，將燃油系統(tǒng)排放限值設(shè)定為0.25g/test，各零部件限值分配如圖1所示。

圖1 國(guó)Ⅵ燃油系統(tǒng)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(jié)構(gòu)為6層，即HDPE層/粘結(jié)層/阻隔層/粘結(jié)層/回料層/HDPE層，其中HDPE作為內(nèi)外層，起成型，加強(qiáng)等作用；阻隔層采用較強(qiáng)阻隔作用的樹脂，常用EVOH材料；粘結(jié)層對(duì)HDPE層和阻隔層起粘結(jié)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(guó)Ⅴ燃油箱EVOH層比例通常控制在 1.5%，國(guó)Ⅵ燃油箱需要增加到2.5%以上，建議增加到3%。同時(shí)，燃油箱制造必須保證EVOH層的連續(xù)性，考慮20周老化后，阻隔層不能出現(xiàn)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(jí)為雙層注塑閥體（簡(jiǎn)稱2K閥），內(nèi)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(shí)，在保證燃油箱通氣性能的前提下，設(shè)計(jì)時(shí)需要盡量考慮減少燃油箱表面的開孔數(shù)量，即 ROV閥體數(shù)量，可以更有效的控制燃油箱總成排放。

另外如果將閥體內(nèi)置于燃油箱內(nèi)部，可以徹底消除因閥體開孔導(dǎo)致的滲透，但此技術(shù)對(duì)塑料燃油箱生產(chǎn)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(nèi)置的方案比較容易實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，金屬油箱采用閥體內(nèi)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(nèi)置方案

3）更改燃油泵安裝方式

如圖3所示，國(guó)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(guó)Ⅵ安裝方式調(diào)整為圖4中的金屬卡盤結(jié)構(gòu)，同時(shí)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(guó)Ⅴ鎖緊法蘭安裝結(jié)構(gòu)

圖4 國(guó)Ⅵ金屬卡盤安裝結(jié)構(gòu)

通過以上3項(xiàng)調(diào)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(guó)Ⅵ法規(guī)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(zhì)，實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)，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(fù)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(guó)Ⅴ的 NBR或FKM調(diào)整為THV或CPT阻隔層結(jié)構(gòu)，將排放量降低到10mg以下。

管路系統(tǒng)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(jié)構(gòu)來降低系統(tǒng)排放；相比國(guó)五系統(tǒng)，國(guó)六管路應(yīng)盡量避免使用橡膠管路，因?yàn)榭梢詫?shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)需要考慮以下3個(gè)參數(shù)，通過優(yōu)化3個(gè)參數(shù)間的關(guān)系，可以有效控制碳罐排放。

2.3.1 碳罐工作能力

國(guó)Ⅵ法規(guī)碳罐工作能力由ORVR系統(tǒng)決定，可以參照以下公式進(jìn)行計(jì)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(shù)

參考美國(guó)ORVR設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，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(jìn)行計(jì)算，后期依據(jù)實(shí)際試驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。安全系數(shù)建議使用1.1數(shù)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(hào)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(qiáng)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(dāng)?shù)臏p小碳罐容積對(duì)碳罐排放有利，但相應(yīng)的碳粉成本也將增加。

如圖5所示，通過不同規(guī)格的碳粉分層布置，優(yōu)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(guān)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(guó)Ⅵ測(cè)試預(yù)處理行駛循環(huán)下的碳罐脫附體積[6]。碳罐設(shè)計(jì)需要避免 breakthrough的發(fā)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(guān)系

Breakthrough：碳罐飽和，吸附能力達(dá)到臨界點(diǎn)；

Bleed emissions：并非由于碳粉中的碳?xì)浠衔镲柡鸵穑赽reakthrough之前發(fā)生。

國(guó)六車型開發(fā)時(shí)，需要考慮盡可能增大整車脫附能力，如發(fā)動(dòng)機(jī)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(jié)論

文章通過分析燃油系統(tǒng)主要零部件燃油箱總成，加注管總成和碳罐總成在蒸發(fā)排放方面的影響，提出了各零部件詳細(xì)的優(yōu)化方向并推薦了部分國(guó)Ⅵ方案。各車型開發(fā)可以結(jié)合自身實(shí)際情況，成本等因素，選擇性確定國(guó)Ⅵ方案。燃油系統(tǒng)國(guó)Ⅵ蒸發(fā)排放性能升級(jí)主要體現(xiàn)在采用高阻隔性材料，優(yōu)化設(shè)計(jì)及制造工藝提升，其中相對(duì)國(guó)Ⅴ法規(guī)，對(duì)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(cè)量方法（中國(guó)第六階段）[S].

[2] 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.

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

[4] 朱芝培.國(guó)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.

[5] 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.

[6] 李國(guó)良.汽車蒸發(fā)排放控制技術(shù)的研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2002（8）：147-150.