車載燃油系統(tǒng)油氣排放控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

張恩慧，畢 程

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014000）

汽車燃油系統(tǒng)油氣排放是形成霧霾的重要原因之一，對大氣環(huán)境和人體健康造成極其嚴(yán)重的危害。據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)，截止2021年底，國內(nèi)汽車保有量3.02億輛[1]，如不加以控制，由燃油系統(tǒng)油氣排放造成的能源浪費(fèi)是巨大的。在能源危機(jī)和環(huán)境污染愈被重視的當(dāng)下，汽車燃油系統(tǒng)油氣排放控制技術(shù)得到了快速發(fā)展，相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)也得到了實(shí)施。

汽車燃油系統(tǒng)油氣排放控制技術(shù)以美國為先，歐盟次之，國內(nèi)緊追。最常見控制技術(shù)是車載加油油氣回收系統(tǒng)（Onboard Refueling Vapor Recovery, ORVR），利用該技術(shù)對加油過程中排放的油氣回收效率達(dá)95%以上。本文簡述了國內(nèi)外油氣排放控制技術(shù)的發(fā)展歷程及相關(guān)法規(guī)實(shí)施進(jìn)程，對現(xiàn)有汽車油氣排放控制技術(shù)研究成果進(jìn)行系統(tǒng)梳理，分析了ORVR技術(shù)現(xiàn)存不足之處，并指出車載油氣回收技術(shù)未來發(fā)展趨勢。

1 油氣排放控制技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)外發(fā)展歷程

為實(shí)現(xiàn)對油氣排放的控制，1990年，美國環(huán)保總署（Environmental Protection Agency, EPA）提出兩種油氣排放控制技術(shù)：Stage II油氣回收系統(tǒng)；汽車ORVR[2]。同年，瑞典BERGLUND等[2]對ORVR技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使油氣回收率達(dá)到95%以上，優(yōu)于Stage Ⅱ油氣回收設(shè)備單車85%凈化效率。FUNG等[4]研究表明，ORVR系統(tǒng)安裝率超過75%時(shí)， Stage II油氣回收系統(tǒng)對于提升油氣回收效率作用十分有限。2013年，美國EPA開始強(qiáng)制取消Stage II油氣回收系統(tǒng)。ORVR系統(tǒng)逐漸替代Stage II油氣回收系統(tǒng)，作為控制汽車油氣排放長期和最終選擇。

國內(nèi)油氣排放控制技術(shù)落后于國外。2010年，陳家慶教授出版的《油氣回收與排放控制技術(shù)》首次闡述了ORVR技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。當(dāng)前，國內(nèi)汽車油氣排放控制的研究重點(diǎn)在油電混合動(dòng)力汽車（下文簡稱“混動(dòng)汽車”）領(lǐng)域，何仁課題組總結(jié)現(xiàn)有的混動(dòng)汽車車載油氣回收系統(tǒng)存 在的問題，并開展其高效油氣回收方法的深入研究。

1.2 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)

為限制汽車油氣排放污染，美國、歐盟和日本先后頒布嚴(yán)格的汽車排放法規(guī)，其他國家和地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)制定都不同程度地參考了這些國家。

1991年，美國EPA頒布的TierⅠ排放標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了排放實(shí)驗(yàn)的程序，以碳?xì)浠衔锂a(chǎn)生的時(shí)刻劃分為回濺試驗(yàn)、運(yùn)行損失試驗(yàn)和晝間換氣損失試驗(yàn)，隨后增加了加油排放試驗(yàn)。由于相關(guān)研究表明，歐洲駕駛循環(huán)（New European Driving Cycle, NECD）并不能真實(shí)反映車輛實(shí)際道路運(yùn)行工況[5]，2014年，歐洲開始實(shí)施的歐Ⅵ-C階段排放標(biāo)準(zhǔn)使用世界輕型車測試循環(huán)（World Light- duty Test Cycle, WLTC）替代NEDC循環(huán)測試污染物排放。WLTC工況導(dǎo)致脫附時(shí)間明顯縮短，對低炭罐脫附流量混動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)提出了更高要求。

國內(nèi)以往標(biāo)準(zhǔn)制定主要以借鑒美國和歐洲排放法規(guī)為主。此前制定的“國一”到“國五”排放標(biāo)準(zhǔn)中并未規(guī)定 ORVR系統(tǒng)排放測試。2014年，環(huán)保部在“國五”排放標(biāo)準(zhǔn)二次征求意見稿中啟動(dòng) ORVR 系統(tǒng)評估工作[6]。2016年，在原有框架結(jié)構(gòu)下逐漸完善形成了“國六”排放標(biāo)準(zhǔn)。如表1所示，“國六”在車輛預(yù)處理、試驗(yàn)流程等方面作出更為嚴(yán)格的要求，新增的加油排放試驗(yàn)嚴(yán)格控制加油過程中揮發(fā)性有機(jī)物排放[7]。

表1 蒸發(fā)排放法規(guī)的對比

2 油氣排放控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

ORVR系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、回收效率高等優(yōu)點(diǎn)，如圖1所示，系統(tǒng)主要包括加油管、炭罐、燃油箱等零部件。要提高ORVR系統(tǒng)的油氣回收效率，避免油氣外溢，系統(tǒng)應(yīng)滿足以下條件：1）加油管總成應(yīng)無油氣溢出和滲透、泄漏產(chǎn)生；2）炭罐應(yīng)具備充足吸附和脫附油氣能力；3）燃油箱 壓力保持穩(wěn)定，油氣能迅速排出；4）脫附控制應(yīng)滿足炭罐高脫附量和發(fā)動(dòng)機(jī)微調(diào)空燃比的需求。

圖1 車載油氣回收裝置結(jié)構(gòu)

2.1 關(guān)鍵零部件

2.1.1 加油管

加油管總成結(jié)構(gòu)如圖2所示，由金屬加油管、橡膠加油管、循環(huán)管和油箱加油管組成[8]。車輛加油過程中，加油管處易發(fā)生燃油蒸氣溢出和油液滲透、泄漏，從而產(chǎn)生油氣排放。因此，加油管的設(shè)計(jì)對減少油氣排放有著重要的作用。

圖2 加油管示意圖

為阻止油氣從加油管進(jìn)入大氣，ORVR系統(tǒng)需形成一個(gè)密封結(jié)構(gòu)。ORVR系統(tǒng)分為機(jī)械式和液封式兩大類型，2010年，韋海燕等[9]運(yùn)用傳質(zhì)原理建立機(jī)械式和液封式ORVR系統(tǒng)的排放模型，研究表明，液封式能有效杜絕加油管處油氣的溢出。2014年，汪智等[10]運(yùn)用流體動(dòng)力學(xué)仿真軟件（Computational Fluid Dynamics, CFD）對加油管液封效果進(jìn)行加油模擬分析，研究表明，減少加油管內(nèi)徑和降低流速能有效促進(jìn)液封的形成。液封最先形成于位于加油管的第二和第三拐角之間，2016年，湯水清等[11]提出在該位置中加裝阻流環(huán)使流道變窄，油液聚集而快速形成液封。

加油管與加油槍的匹配設(shè)計(jì)對油氣排放控制有著重要的作用。1997年，LOCKHART等[12]研究加油噴嘴對于ORVR系統(tǒng)性能的影響，研究表明，加油噴嘴與加油管口的匹配程度影響加油裹入的空氣量，進(jìn)而影響加油流暢性。

加油管按材料分為金屬加油管、注塑加油管和波紋加油管。波紋加油管易發(fā)生油液滲透污染；注塑加油管采用多層結(jié)構(gòu)能防止油液滲透，但其制造成本較高；ORVR系統(tǒng)采用金屬加油管能滿足加油性能要求。加油軟管是加油管與燃油箱的過渡段。2015年，孫建剛[13]提出使用丁腈橡膠等5種材料制造多層加油軟管，以保證加油軟管加油強(qiáng)度要求。

2.1.2 炭罐

整個(gè)ORVR系統(tǒng)中，炭罐對于油氣排放控制的貢獻(xiàn)最大，主要作用是吸附、儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)運(yùn)燃油箱中揮發(fā)產(chǎn)生的油氣，炭罐的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足對油氣的吸附和脫附功能，炭罐結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 炭罐結(jié)構(gòu)示意圖

選擇高性能的活性炭是提高炭罐性能的最關(guān)鍵因素。活性炭分為木基、煤基和合成炭，1989年， URBANIC等[14]通過各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)對活性炭的各項(xiàng)工作能力進(jìn)行評估，結(jié)果表明，木基炭的各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)于其他活性炭。1995年，KIM等[15]認(rèn)為影響活性炭工作能力的主要因素有1）比表面積。比表面積越大，吸附能力越強(qiáng)；2）孔徑分布。比例合適的孔徑分布能有效提升炭罐的工作能力。

炭罐結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)有效提升活性炭利用率。2000年，夏云鏵等[16]根據(jù)吸附口和脫附口的相對位置將炭罐分為上吸式和下吸式，并驗(yàn)證上吸式炭罐工作能力優(yōu)于下吸式炭罐。2004年，高俊華等[17]對不同吸附口尺寸炭罐進(jìn)行油氣排放實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究表明，增大炭罐吸附口的直徑可以提高炭罐的工作能力。2006年，李景波[18]對整體容積一定的炭罐增大長徑比，如圖4所示，油氣吸收路徑加長，有利于充分吸附，但炭罐內(nèi)部阻力也隨之升高，因此，長徑比為3最合適。

圖4 長徑比對炭罐性能的影響

2.1.3 燃油箱

燃油箱由進(jìn)油嘴、通氣嘴、加油泵等部件組成，是汽車燃油供給系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。燃油箱分為金屬燃油箱和塑料燃油箱，與金屬燃油箱相比，塑料燃油箱有輕量化、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。在節(jié)能環(huán)保的當(dāng)下，塑料燃油箱逐漸替代金屬燃油箱。

塑料燃油箱存在燃油滲透和強(qiáng)度不足的缺點(diǎn)，應(yīng)進(jìn)行材料選擇和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。2021年，秦睿等[19]提出使用高密度聚乙烯等材料制造多層塑料燃油箱箱體，增加的阻隔層厚度以降低油氣分子的滲透。為提高塑料燃油箱強(qiáng)度，如圖5所示，蘇衛(wèi)東等[20]提出在塑料燃油箱吹塑成型的過程中，放置若干內(nèi)置立柱連接燃油箱上下表面，并采用有限元分析技術(shù)確定內(nèi)置立柱布置最優(yōu)位置與數(shù)量。

圖5 內(nèi)置立柱的燃油箱示意圖

2.2 油氣排放控制技術(shù)

2.2.1 燃油箱壓力控制技術(shù)

1）普通汽車

油液揮發(fā)出產(chǎn)生的油氣一部分進(jìn)入循環(huán)管形成循環(huán)，另一部分排至炭罐被吸附，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)進(jìn)行炭罐脫附，燃油箱內(nèi)壓力較小。壓力控制主要是針對閥體、管道和燃油箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2020年，王新超等[8]對加油限量通氣閥（ Fill Limit Vent Valve, FLVV）進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足了燃油箱內(nèi)油氣穩(wěn)定釋放和較小炭罐時(shí)油氣排放要求。為保證燃油箱壓力的快速釋放，秦昊[21]提出將內(nèi)徑由6 mm擴(kuò)大到13.5 mm，保證最大加油速率下排氣順暢。

車輛在不同工況下，燃油箱內(nèi)液體晃動(dòng)引起油液加速蒸發(fā)。張恩慧[22]利用CFD仿真軟件進(jìn)行油液晃動(dòng)模擬分析，提出在燃油箱內(nèi)增設(shè)可移動(dòng)檔板、主動(dòng)防晃燃油箱等措施減緩液體晃動(dòng)。

2）混動(dòng)汽車

混動(dòng)汽車長期處于電驅(qū)動(dòng)工況時(shí)，炭罐內(nèi)被吸附的油氣不能利用氣缸內(nèi)壓力差進(jìn)行脫附而排向大氣，從而形成大氣污染。當(dāng)前主要解決方法是高壓油箱控制技術(shù)，油氣直接密封在燃油箱內(nèi)部，減少油氣進(jìn)入炭罐的次數(shù)，降低炭罐負(fù)荷。

豐田公司開發(fā)設(shè)計(jì)的燃油蒸氣安全閥是針對高壓燃油控制系統(tǒng)的特有零部件。該閥由油箱電磁閥和安全閥集成安裝。油箱電磁閥具有快速響應(yīng)的特點(diǎn)，以便精準(zhǔn)控制燃油箱內(nèi)部壓力；安全閥用于保護(hù)燃油箱免受超壓損壞[23]。

具體控制過程分為以下四種情況：1）電驅(qū)動(dòng)工況，電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）控制油箱電磁閥關(guān)閉，燃油箱內(nèi)開始建立壓力。2）發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工況，ECU控制油箱電磁閥打開，根據(jù)車輛工況適時(shí)關(guān)閉油箱電磁閥。3）加油，按下加油開關(guān)，ECU控制油箱電磁閥打開，壓力傳感器監(jiān)測箱內(nèi)壓力降至大氣壓，油箱蓋打開；加油完成，關(guān)閉油箱蓋后壓力重新建立。

2.2.2 脫附控制

炭罐工作能力通過脫附和發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒來恢復(fù)，但脫附過程應(yīng)合理控制。燃油箱內(nèi)部壓力傳感器和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部油氣濃度傳感器分別輸入壓力、濃度信號到ECU進(jìn)行分析，控制脫附電磁閥的開度來修正噴油量，使發(fā)動(dòng)機(jī)理論空燃比控制在λ（過量空氣系數(shù)）=0.88～1.11范圍內(nèi)。

脫附電磁閥為常閉式占空比控制電磁閥，ECU通過控制其開度來實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。2002年，李國良等[25]提出選擇脫附電磁閥的要素有1）電磁閥的最大流量滿足脫附最大流量；2）電磁閥的控制精度滿足系統(tǒng)要求。

在實(shí)際開發(fā)過程中，脫附控制應(yīng)滿足炭罐高脫附量和發(fā)動(dòng)機(jī)少干擾空燃比的要求。2016年，王凱等[26]進(jìn)行不同工況下脫附流量的炭罐工作能力試驗(yàn)，研究表明，要使脫附控制效果最佳，不僅取決于脫附流量，還應(yīng)考慮到炭罐脫附電磁閥開啟時(shí)間標(biāo)定等問題。文獻(xiàn)[27]分析了炭罐脫附策略對發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性影響，研究表明，相同工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性隨著脫附流量增加而降低。

3 ORVR技術(shù)存在問題與發(fā)展趨勢

3.1 存在問題

車載油氣回收技術(shù)在過去十幾年取得快速發(fā)展，但其仍存在諸多問題。1）ORVR系統(tǒng)無法根本解決混動(dòng)汽車復(fù)雜的油氣排放問題；2）車載油氣回收系統(tǒng)相關(guān)配套軟硬件仍存在諸多不足。

3.1.1 混動(dòng)汽車的應(yīng)用

高壓油箱系統(tǒng)前文已詳細(xì)介紹，但該系統(tǒng)隨著時(shí)間累計(jì)，炭罐吸附容積必然會(huì)飽和，需定期啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)以保證車輛性能。要根本解決油氣產(chǎn)生的問題，應(yīng)采取考慮其他解決方案，當(dāng)前已有的方法：1）囊式油箱油氣回收系統(tǒng)根據(jù)燃料剩余燃料變化其容量，減少燃料箱內(nèi)蒸氣體積以抑制油氣產(chǎn)生；但油箱內(nèi)非規(guī)則形狀時(shí)油液存儲(chǔ)空間不足；2）燃油溫度控制系統(tǒng)通過對燃油進(jìn)行降溫，使燃油揮發(fā)速率降低，消除炭罐易飽和問題。但冷卻設(shè)備較重，增加車輛功耗，后期維護(hù)較為復(fù)雜。

3.1.2 車載油氣回收系統(tǒng)的控制

車載油氣回收系統(tǒng)相關(guān)配套軟硬件仍存在諸多不足，無法滿足當(dāng)下電子控制復(fù)雜化和高精度化要求。ORVR系統(tǒng)中控制閥體均為機(jī)械閥門，不僅外形尺寸和所需安裝的空間較大，而且控制精度低；傳感器的數(shù)量也無法滿足系統(tǒng)對油氣信息的獲取。

3.2 未來發(fā)展趨勢

要解決混動(dòng)汽車復(fù)雜的油氣排放問題，以上兩種方案目前均不適合推廣。因此，應(yīng)設(shè)計(jì)出區(qū)別于傳統(tǒng)思路的新裝置，從抑制燃油箱內(nèi)油液分子揮發(fā)角度出發(fā)，取消易飽和的炭罐，實(shí)現(xiàn)油氣動(dòng)態(tài)循環(huán)。

電子控制技術(shù)在油氣回收系統(tǒng)的運(yùn)用主要體現(xiàn)在電磁閥和傳感器。集成式電磁閥的應(yīng)用為電子控制技術(shù)提供支撐，促進(jìn)結(jié)構(gòu)簡單化；加裝新的傳感器以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的更精準(zhǔn)的監(jiān)測。電子控制技術(shù)的運(yùn)用是主動(dòng)抑制油氣生成裝置的核心，基于電子控制的控制達(dá)到油氣動(dòng)態(tài)平衡復(fù)雜且嚴(yán)苛的要求。

車輛運(yùn)行損失指汽車運(yùn)行期間產(chǎn)生的油氣排放。美國EPA運(yùn)行試驗(yàn)3晝間排放限值為0.031 g/km，限值較嚴(yán)格，中國在未來排放標(biāo)準(zhǔn)中必然也會(huì)加入運(yùn)行損失試驗(yàn)[22]，而基于電子控制技術(shù)的主動(dòng)抑制油氣裝置能根本解決車輛運(yùn)行油氣排放問題。

4 結(jié)論

簡述了國內(nèi)外油氣排放控制技術(shù)的發(fā)展歷程及相關(guān)法規(guī)實(shí)施進(jìn)程，對現(xiàn)有汽車油氣排放控制技術(shù)研究成果進(jìn)行系統(tǒng)梳理。

燃油系統(tǒng)油氣排放控制技術(shù)仍存在諸多問題。混動(dòng)汽車采用密閉高壓控制系統(tǒng)無法根本解決油氣產(chǎn)生的問題；ORVR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電子控制的所需的軟硬件未進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)。

油氣排放控制技術(shù)未來應(yīng)向著輕量化和自動(dòng)化方向發(fā)展。抑制燃油箱內(nèi)油液自由液面油氣分子的逃逸是降低油氣產(chǎn)生的本質(zhì)問題，應(yīng)結(jié)合電子控制技術(shù)進(jìn)行主動(dòng)抑制油氣生成方法和裝置的研究，而這也是解決汽車運(yùn)行排放的關(guān)鍵。