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        滿足國Ⅵ排放法規(guī)的車載油氣回收系統(tǒng)

        2017-08-20 01:22:18孫建剛
        汽車工程師 2017年5期
        關(guān)鍵詞:燃油箱蒸氣軟管

        孫建剛

        (中國第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開發(fā)分公司)

        在大氣污染日趨嚴重,霧霾持續(xù)不斷的情況下,北京從2017年1月1日起,施行了國Ⅵ法規(guī),即輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)。國Ⅵ法規(guī)對于汽油車燃油系統(tǒng)來說,主要體現(xiàn)在燃油蒸發(fā)控制的加嚴,即從國Ⅴ法規(guī)的2 g/test(試驗循環(huán))降低到國Ⅵ法規(guī)的0.7 g/test,并且增加了加油污染物排放試驗,其限值規(guī)定,校正后的加油過程蒸發(fā)污染物排放量不得超過0.05 g/L?;谝陨弦?,文章對車載油氣回收(ORVR)燃油系統(tǒng)與非ORVR燃油系統(tǒng)進行對比,根據(jù)對比結(jié)果,總結(jié)出ORVR系統(tǒng)對目前整車燃油系統(tǒng)減少排放量的重要意義。

        1 ORVR系統(tǒng)發(fā)展進程及意義

        ORVR系統(tǒng)是一種在加油過程中能夠回收大部分汽油蒸氣的系統(tǒng),該系統(tǒng)安裝在油箱和加油口上,能使加油過程中的汽油蒸氣幾乎不會從加油口排放到大氣中,在避免了大氣污染的同時也節(jié)約了能源。該技術(shù)是由美國環(huán)境保護署(EPA)在1994年推出的,以作為二級油氣回收系統(tǒng)的一種替代選擇[1]。到1998年,美國已經(jīng)在超過1.5×108輛汽車上安裝了ORVR系統(tǒng),沒有遇到任何障礙,證實了ORVR具有非??煽康募夹g(shù)[2]。2012年ORVR系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用在美國整車上,而國內(nèi)整車尚未實施ORVR方案。根據(jù)美國EPA統(tǒng)計,每加1 L汽油,損失1.5 g油氣,損失率達到0.2%,按照美國汽車在用量1億輛計算,每年加油蒸發(fā)損失的汽油,可以供20萬輛汽車行駛1年。根據(jù)美國實施ORVR的經(jīng)驗,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)性有機化合物的排放,對改善大氣環(huán)境具有重大意義。

        2 ORVR燃油系統(tǒng)與非ORVR燃油系統(tǒng)的區(qū)別

        2.1 加油管總成區(qū)別

        加油管總成按材料分為2種:一種是金屬加油管,另一種是塑料加油管,而塑料加油管又分為注塑加油管和波紋加油管2種。目前,由于波紋加油管質(zhì)量輕和成本低而被廣泛應(yīng)用。但在整車搭載ORVR系統(tǒng)后,由于波紋加油管滲透量相對較大,因此無法再被整車使用。而注塑加油管可采用多層結(jié)構(gòu),并可使用阻隔劑以達到降低燃油滲透量的目的,但成本比金屬加油管高。因此,ORVR燃油系統(tǒng)通常采用金屬加油管,金屬加油管的滲透量為0,并且加工工藝簡單,設(shè)計重點有2個。

        1)管徑的設(shè)計。圖1示出加油管總成對比圖,其中從圖1a可以看出,非ORVR加油管的注油管道管徑一般為φ(28~35)mm,排氣管道為φ16 mm。從圖1b可以看出,ORVR加油管的注油管道管徑縮小到φ25.4 mm,以達到油液密封的效果,防止燃油蒸氣從注油管道排放到大氣中,油液密封示意圖,如圖2所示。同時排氣管道縮小到φ(2~3)mm,以保證加油的順利進行和降低碳罐的工作負荷。

        圖1 加油管總成對比示意圖

        圖2 油液密封示意圖

        2)連接燃油箱軟管材料的選擇。非ORVR系統(tǒng)加油軟管材料一般為NBR和PVC的混合膠,而ORVR系統(tǒng)加油軟管按照蒸發(fā)要求可以設(shè)為5層管,由內(nèi)層到外層分別為丁腈橡膠(NBR),氫化丁腈橡膠(HNBR),(氟橡膠)FKM,四氟乙烯、六氟丙烯和偏二氟乙烯的聚合物(THV)及海普?。–SM),以降低加油軟管的燃油滲透量。

        2.2 燃油箱區(qū)別

        燃油箱分為金屬燃油箱和塑料燃油箱,由于金屬燃油箱的滲透量為0,因此這里主要介紹塑料燃油箱的區(qū)別。目前整車上的塑料燃油箱采用多層材料結(jié)構(gòu),一般從內(nèi)層到外層分別為高密度聚乙烯(HDPE),線性低密度聚乙烯(LLDPE),阻隔層(EVOH),LLDPE,回料(REGRIND)及HDPE。在ORVR燃油系統(tǒng)中,燃油箱增加了EVOH的厚度,以降低燃油滲透量。同時,對汽油泵的安裝方式進行調(diào)整,由目前的鎖蓋式更改為卡盤式,密封圈材料由NBR改為FKM或THV,以降低安裝口的燃油滲透量。另外,對控制燃油箱加油量的排氣閥進行了結(jié)構(gòu)調(diào)整,圖3示出非ORVR燃油箱與ORVR燃油箱對比圖,從圖3a可以看出,非ORVR燃油箱的加油量是通過重力閥(GVV)來控制的,燃油箱內(nèi)大量氣體通過GVV排出,少量氣體通過旋轉(zhuǎn)閥(ROV)被吸附到碳罐。從圖3b可以看出,ORVR燃油箱的加油量是通過限位閥(FLVV)來控制的,ROV與注油FLVV連通,燃油箱內(nèi)大量氣體通過FLVV被吸附到碳罐,少量氣體通過FLVV流向加油管排氣管道進行循環(huán)。同時ORVR燃油箱加油口必須有單向閥(ICV),而非ORVR燃油箱可選擇增加單向閥。

        圖3 燃油箱對比示意圖

        2.3 碳罐區(qū)別

        碳罐在燃油系統(tǒng)中尤為重要,它是整個燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,在ORVR燃油系統(tǒng)中更是重中之重。目前,整車燃油系統(tǒng)使用的碳罐基本在1 L左右,活性炭多采用WV-A1100型號,空氣壓降大,內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單。圖4示出加油時燃油蒸氣流動圖,從圖4a可以看出,非ORVR燃油系統(tǒng)加油時,燃油箱中產(chǎn)生的燃油蒸氣一部分被碳罐吸收,另一部分從加油管排放到大氣中。而從圖4b可以看出,ORVR燃油系統(tǒng)在加油時,燃油箱中產(chǎn)生的燃油蒸氣全部被碳罐吸收。因此ORVR碳罐設(shè)計時需要注意以下2點:1)確保碳罐總成的有效容積,即碳罐要有足夠的內(nèi)部空間去裝填活性炭,以保證活性炭能夠完全吸附加油過程中產(chǎn)生的燃油蒸氣;2)碳罐需具備很低的通氣阻力,以保證加油的順利進行,防止出現(xiàn)外溢或反噴的現(xiàn)象。

        a 非ORVR燃油系統(tǒng)

        圖4 加油時燃油蒸氣流動對比示意圖

        由于ORVR碳罐需要吸附加油時產(chǎn)生的全部燃油蒸氣,因此ORVR碳罐的有效容積一般為非ORVR碳罐的2倍,且活性炭選用柱狀炭,以降低碳罐的通氣阻力。不同的柱狀炭其工作能力不同,如圖5所示。相同體積的碳罐裝填不同型號的活性炭,其工作能力有很大的區(qū)別。因此,將活性炭進行合理的組合可降低碳罐的體積,從而降低碳罐布置的難度。

        圖5 同體積碳罐填裝不同規(guī)格活性炭工作能力比較圖

        2.4 管路的區(qū)別

        管路按照材料分為金屬管路、尼龍管路及橡膠軟管。金屬管路一般用在車身地板下部,由于金屬管路耐腐蝕性要求較高、成本較大,且相對尼龍管路來說,質(zhì)量較重,因此從目前車輛設(shè)計注重低油耗,零部件的輕量化設(shè)計角度出發(fā),尼龍管路更佳,它具有耐腐蝕性能高,且質(zhì)量輕的特點,但由于抗石擊能力稍弱,因此當尼龍管用于車身地板下部時,通常用保護板加以防護,因此在ORVR系統(tǒng)中,可采用金屬管路,若使用尼龍管路需要提高阻隔層厚度,以降低燃油滲透量。

        橡膠軟管,由于工藝簡單,模具開發(fā)周期時間短,被廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。在普通的燃油系統(tǒng)中,橡膠軟管材料一般分為2種,一種是用于燃油蒸氣的軟管,其材料一般由內(nèi)層到外層分別為NBR和CSM;另一種是用于燃油的軟管,其材料一般從內(nèi)層到外層分別為FKM、表氯醇橡膠(ECO)、增強層及ECO。為了降低橡膠軟管的燃油滲透量,ORVR系統(tǒng)可采用5層材料軟管,從內(nèi)層到外層分別為FKM,THV,ECO,增強層及ECO。

        3 結(jié)論

        文章通過對ORVR燃油系統(tǒng)的加油管總成、燃油箱、碳罐和管路4個方面的結(jié)構(gòu)、性能及工藝對比分析,說明該系統(tǒng)可以避免將加油過程中產(chǎn)生的燃油蒸氣排放到大氣中,能有效地降低污染,滿足國Ⅵ排放法規(guī)的要求。但是,ORVR系統(tǒng)作為應(yīng)對國Ⅵ法規(guī)要求的措施,合資企業(yè)可以直接引進國外的成熟技術(shù),而自主品牌企業(yè),還需要進行更多的整車試驗驗證,以便順利搭載。

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