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        淺談國六供油系統(tǒng)設(shè)計

        2018-05-28 01:39:43趙闖秦昊趙群
        汽車實用技術(shù) 2018年9期
        關(guān)鍵詞:燃油箱蒸氣供油

        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)污染物排放試驗限值由第五階段的2g/test降至0.7g/次[1],且測試時間為第五階段要求的2倍,同時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],以控制加油時污染物的排放,還有供油系統(tǒng)核心部件炭罐的設(shè)計要點解析。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。

        1 涉及蒸發(fā)污染物排放的設(shè)計

        為了更準(zhǔn)確的控制系統(tǒng)限值,需重新對供油系統(tǒng)各個零部件進(jìn)行了蒸發(fā)排放限值分配,并要求每個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)計方案進(jìn)行詳細(xì)的分析,并指出設(shè)計要素。

        圖1 供油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

        1.1 燃油箱總成的設(shè)計

        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)計的關(guān)閉高度,以控制油箱的加油量。同時在 OBD檢測對供油系統(tǒng)抽真空時,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)計尺寸按照SEA J2587標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,以保證O型圈的壓縮比,實現(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。這樣整個金屬燃油箱的蒸發(fā)排放僅存在于泵口一個位置。

        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,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

        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,同時方便供應(yīng)商管理。

        1.3 管路設(shè)計

        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

        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

        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

        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。

        加油試驗時,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,加油量沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求,則加油污染物排放試驗只能中斷,試驗無法通過;或者加油跳槍次數(shù)過多,蒸發(fā)污染物排放值超標(biāo),試驗也無法通過。

        為使試驗順利進(jìn)行并且試驗結(jié)果合格,需考慮以下三個設(shè)計要素:

        2.1 加油主管的設(shè)計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,試驗才能通過。因此要減小加油管的內(nèi)部管徑實現(xiàn)液封,內(nèi)徑尺寸設(shè)計為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,此時的碳粉工作能力約為晝間行車時工作能力的65%。

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

        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產(chǎn)生的燃油蒸氣決定,如果可以滿足加油時的蒸氣吸附要求,則2晝間排放炭罐不會飽和。

        3 結(jié)論

        為了人類可持續(xù)發(fā)展,實現(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,通過不斷的技術(shù)革新和完善的法規(guī)約束,才能實現(xiàn)令人滿意的成果。因此供油系統(tǒng)的設(shè)計改進(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.中國公路學(xué)報.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.

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