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        車載加油油氣回收系統(tǒng)設(shè)計與研究

        2020-12-28 09:28:18王新超李睿哲宋杰薛國亮
        汽車零部件 2020年12期
        關(guān)鍵詞:炭粉排氣口油箱

        王新超,李睿哲,宋杰,薛國亮

        (北京汽車集團越野車有限公司,北京 101300)

        0 引言

        《GB18352.6—2016輕型車汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》法規(guī)中針對汽車燃油系統(tǒng)新增VII型加油污染物排放試驗,規(guī)定加油過程蒸發(fā)污染物排放量不得超過0.05 g/L(包括劣化系數(shù)0.01 g/L),此項規(guī)定旨在減少加油過程中油氣污染排放及能源浪費,要求2020年7月1日之后的國六新車型必須滿足此項法規(guī)要求。

        本文作者以此為目標,研究了車載加油油氣回收技術(shù)原理,對某項目中開發(fā)的車載加油油氣回收系統(tǒng)核心部件進行了設(shè)計闡述。

        1 ROVR系統(tǒng)原理

        為達到法規(guī)中要求的排放限值,整車需要安裝車載加油油氣回收系統(tǒng)(Onbord Refueling Vapor Recovery,ORVR),其原理如圖1所示[1]。

        圖1 ORVR加油原理

        加油時油箱內(nèi)油氣通過加油限量通氣閥(Fill Limit Vent Valve,F(xiàn)LVV)排至炭罐并被吸附,當炭罐吸附飽后,油氣會再次排放至大氣中。加油管較細,在加油時管內(nèi)形成液封,可以避免油氣由加油管逸出。當油液淹沒FLVV后,油氣無法排出使油箱內(nèi)氣壓升高,加油槍跳槍。

        文中以某項目國六燃油系統(tǒng)為例介紹ORVR系統(tǒng)及零部件設(shè)計,ORVR系統(tǒng)功能是將加油過程產(chǎn)生的油氣回收至炭罐,并能保證加油順暢,ORVR系統(tǒng)加油過程中燃油及油氣流動如圖2所示。

        圖2 加油時燃油油氣流動圖

        其加油流程為:

        (1)燃油注入加油管后沖擊加油止回閥(Inlet Check Valve,ICV),閥門打開,燃油進入油箱。加油完畢后,閥門關(guān)閉,防止油液反噴。

        (2)加油時產(chǎn)生的油氣經(jīng)FLVV進入蒸發(fā)管總成,油氣導出油箱后分兩路,一路進入循環(huán)管形成油氣循環(huán),另一路進入炭罐被吸附。

        (3)油箱內(nèi)液面高度超過FLVV關(guān)閉高度后,F(xiàn)LVV關(guān)閉,油氣不能導出,油箱內(nèi)氣壓升高,加油槍跳槍。

        (4)加油過程中,少部分油氣通過小流量蒸氣閥導出。加油跳槍后,F(xiàn)LVV關(guān)閉,補加油液產(chǎn)生的油氣由蒸氣閥導出。

        2 ORVR系統(tǒng)零部件設(shè)計

        2.1 FLVV設(shè)計

        FLVV用于控制油氣排放及加油量,其結(jié)構(gòu)如圖3所示,油液面低于FLVV時,浮子重力大于彈簧彈力,浮子位于閥體底部,油氣通過排氣口導出。之后油液面逐漸上升,浮子在油液中上浮,當浮子帶動密封圈關(guān)閉排氣口后,油氣無法排出,油箱內(nèi)氣壓升高,加油槍跳槍。

        圖3 FLVV結(jié)構(gòu)示意

        FLVV排氣口截面積與排氣流量相關(guān),當排氣口截面積較小時,排氣阻力增加,油箱壓力升高,可以抑制油氣揮發(fā),使用較小炭罐即可滿足排放要求,但油箱內(nèi)壓力升高時容易出現(xiàn)提前跳槍,因此設(shè)計排氣口時需要均衡兩方面影響。

        2.2 ICV設(shè)計

        ICV是一種單向閥,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

        圖4 ICV結(jié)構(gòu)示意

        不加油時,閥門在彈簧作用下關(guān)閉。加油時閥門被燃油沖開,燃油進入油箱。加油末期時,油箱內(nèi)油氣排氣不暢使壓力升高,油箱如無ICV,跳槍瞬間,加油管內(nèi)燃油可能被油箱內(nèi)高壓氣頂出,造成燃油反噴,加裝ICV后,閥門關(guān)閉,可以消除燃油反噴現(xiàn)象,一定程度上降低加油排放污染。

        2.3 加油管設(shè)計

        加油管由金屬加油管、橡膠加油管和油箱加油管組成,燃油依次注入燃油箱。由于加油管較細,燃油充滿加油管,形成液封,杜絕了油箱內(nèi)油氣由加油管排向大氣,但過小的加油管又會影響加油順暢性,造成無法加油甚至提前跳槍。

        金屬加油管和油箱之間還有循環(huán)管連接(圖5),循環(huán)管用于將油箱內(nèi)部分油氣輸送至加油口處,使油氣形成循環(huán)。加油時高速油液對氣體具有卷吸作用,在加油口處會將空氣帶入油箱,增加油箱內(nèi)油氣生成量,循環(huán)管出口一般設(shè)置在加油口導流管上方,循環(huán)管將來自油箱內(nèi)的油氣再次在循環(huán)管出口處射出,油氣再次進入油箱形成循環(huán),減少了進入油箱的純空氣,從而減少油箱內(nèi)油氣生成量。當循環(huán)管內(nèi)流量過大時,會使加油口處負壓過低,又會導致空氣被吸入油箱,致使排放增加。

        圖5 加油管示意

        2.4 炭罐設(shè)計

        炭罐內(nèi)填充炭粉,炭粉是一種多孔介質(zhì)材料,是一種相互貫通或封閉的孔洞構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的材料[2],如圖6所示。

        圖6 炭粉結(jié)構(gòu)示意

        由于范德華力的作用,油氣可以吸附在炭粉表面,脫附時在負壓作用下,油氣再從炭粉表面脫離。目前國六炭粉應(yīng)用較多的是由英杰維特公司生產(chǎn)的活性炭,常見型號及工作能力見表1,炭粉型號數(shù)字越大,工作能力越強。

        表1 炭粉ORVR工作能力 g/100 mL

        炭罐總成采用雙腔結(jié)構(gòu),如圖7所示,雙腔結(jié)構(gòu)增大了碳罐的長徑比,使炭粉被吸收的路徑加長,有利于充分吸附。雙腔中分別灌裝BAX1500和BAX1100LD炭粉,BAX1100LD炭粉吸附能力較弱,脫附能力也較弱,灌裝在炭罐大氣口一側(cè),可以防止油氣逸出。炭罐吸附口和脫附口共用,便于管路布置。

        圖7 炭罐結(jié)構(gòu)示意

        3 加油試驗

        3.1 加油順暢性試驗

        將燃油箱總成、加油管、炭罐和蒸發(fā)管路模擬整車裝配狀態(tài),在常溫條件下,以45 L/min速率加注燃油,加油至跳槍后再低速擋補加3次,試驗過程中觀察是否有異常跳槍反噴,記錄加油過程中數(shù)據(jù)。

        加油試驗數(shù)據(jù)如圖8所示,在加油初始階段(前10 s內(nèi))還出1次跳槍,壓力峰值5.2 kPa,這是因為油箱為空油箱,油箱內(nèi)存在大量空氣,加注燃油后又形成大量油氣,油氣與空氣混合速度慢,油箱內(nèi)大量氣體無法迅速排出,造成異常跳槍,此現(xiàn)象只在空油箱首次加油時出現(xiàn),解決措施是降低加油速率或降低加注燃油溫度,減少油氣生成量[3]。正常加油過程中油箱內(nèi)壓力在1.5 kPa左右。加油末期4次跳槍時油箱壓力峰值分別為6.2、4.0、6.0和3.8 kPa,3次跳槍后加油量可以達到額定容積(75±2)L。

        圖8 加油過程參數(shù)曲線

        3.2 加油污染物排放試驗

        試驗將整車按照GB 18352.6—2016標準中附錄I中規(guī)范進行VII加油過程污染物排放試驗,試驗結(jié)果見表2,整車污染物排放量為0.015 1 g/L,低于GB18352.6—2016中加油污染物排放0.05 g/L的要求,說明ORVR加油油氣回收效率較高,能夠達到法規(guī)要求。

        表2 VII加油污染物排放試驗結(jié)果

        4 結(jié)束語

        ORVR系統(tǒng)主要部件包括FLVV、ICV、加油管、炭罐及管路,該系統(tǒng)通過這些部件將加油時油箱內(nèi)產(chǎn)生的油氣回收至炭罐,可以有效降低加油過程中污染物排放,滿足國六法規(guī)要求。

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