车载加油蒸气回收系统技术研究

王昊 曾贤勇 彭麟骅 沈志刚

（东风日产乘用车技术中心，广州 510800）

车载加油蒸气回收系统技术研究

王昊 曾贤勇 彭麟骅 沈志刚

（东风日产乘用车技术中心，广州 510800）

介绍了轿车采用的车载加油蒸气回收（ORVR）系统的由来和美国ORVR法规的要求，同时对北京即将实施的ORVR法规标准进行了简要说明。然后分析了ORVR燃油系统的原理、功用和关键技术，其中关键技术包括油箱、加油管、组合油管3个总成件与传统汽车的不同点，同时介绍了ORVR系统的标定技术。最后提出汽车要采用ORVR系统需在新车型设计时考虑碳罐和油箱的布置。

1 前言

随着排放法规的日益严格,尾气排放得到控制，但汽油蒸发排放在汽车排放中的比例显著增加，其中加油过程中挥发的汽油量占汽车汽油挥发总量的20%[1]。为控制加油排放，美国在1998年开始要求汽车厂生产带有油气回收装置和处理系统的车辆。采用该系统后美国每年大约减少3×105～4×105t VOC和有毒物质排放，节约汽油2.952×107L，具有巨大的环保效益和经济效益。我国预计从2020年1月1日开始强制实施加油排放控制法规并要求汽车厂生产带有车载加油蒸气回收（Onboard Refueling Vapor Recovery,ORVR）系统的车辆。本文主要对ORVR系统的原理、功用和关键技术进行分析。

2 ORVR系统的由来和法规要求

ORVR法规最早是美国的环保要求。1970年，美国颁布了联邦法案——清洁空气法案，由美国环保署（EPA）制定了国家空气环境质量标准，对6种常见污染物的排放量进行限制，其中包括加油站在加油和卸油期间产生的HC排放。1997年，EPA修改了国家空气环境质量标准，要求在污染物排放量非达标区强制执行在加油站使用油气回收设备，要求汽车制造商生产带有OR⁃VR系统的车辆[2]。1998年，美国联邦政府颁布了ORVR排放法规，要求车辆在整个寿命期内加油过程中HC的排放量必须控制在0.053 g/L以内，2000年以后销售的轿车必须加装ORVR系统[2]。ORVR排放法规的内容记录在美国联邦法规法典（CFR）的汽车环保法规40CFR80～40CFR86中。

为了使汽车的ORVR系统充分发挥作用，美国EPA对市场上影响加油排放的要素做了如下规定。

a.加油枪的尺寸要求

带有ORVR系统汽车的加油管内径约为25 mm，而不带ORVR系统的为35～40 mm。由于汽车加油管的直径减小，加油站应配备合适尺寸的加油枪。美国EPA对加油枪的具体要求见文献[3]，可知加油枪外径小于21.3 mm，加油枪直线部分长度大于63.4 mm，加油枪嘴到弹簧部分长度大于76.2 mm。

b.加油速率要求

由于加油时可能会发生提前跳枪或回油返喷的现象，因此需要加油站控制合适的加油速率，美国规定加油速率应约为15～38 L/min[3]。

c.汽油蒸气压要求

美国EPA规定汽油的夏季蒸气压“臭氧达标地区”应不超过62.1 kPa，“臭氧不达标地区”则应不超过53.8 kPa[3]。

2016年5月国家环境保护部发布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（简称国Ⅵ标准）征求意见稿，标准增加了加油过程污染物排放试验（Ⅶ型试验），这是我国首次将ORVR法规写入国家标准。标准中规定除单一气体燃料车外，所有装点燃式发动机的汽车均应进行此项试验。加油过程蒸发排放试验结果应采用Ⅶ型试验劣化系数进行加和校正，校正后的加油过程蒸发污染物排放量不得超过0.05 g/L[4]。

国Ⅵ标准中ORVR法规规定加油枪外径不大于2.15 cm，加油枪直线部分长度不少于6.35 cm，加油枪嘴到弹簧部分长度大于7.60 cm[4]。加油时环境温度为23± 3℃，汽油温度为20±1℃，加油速率为37±1 L/min，与美国ORVR排放法规要求基本一致。国Ⅵ标准中规定汽油蒸气压为56～60 kPa，加油排放试验预处理行驶由全球轻型车统一测试循环（WLTC）的低速段、中速段、高速段和超高速段4部分组成，与美国ORVR排放法规略有不同。

3 ORVR系统的原理及功用

ORVR系统是一种在加油过程中能够回收大部分汽油蒸气的系统，该系统能使加油过程中的汽油蒸气几乎不会从加油口排放到大气中，避免大气污染，同时也节约了能源。该技术是由美国EPA在1994年推出的，作为二级油气回收系统的一种替代选择[2]。

3.1 ORVR系统的原理

ORVR系统的作用是收集和储存加油过程中汽油蒸气，然后脱附到发动机中燃烧，以节约能源[2]。ORVR系统工作原理见图1。可知，在加油过程中汽油首先经过加油单向阀（ICV）到达油箱，油箱里的汽油蒸气和少量空气通过加油限位通气阀（FLVV）和通气管到达碳罐储存起来，车辆行驶时脱附到发动机中去燃烧，这样就把原来加油时逃逸到大气中的大部分汽油蒸气回收利用起来，达到了节能和环保的目的。加油管的回气管是利用文氏效应工作的。文氏效应是指流体在通过缩小的过流断面流速增大的现象，同时流速的增大伴随着流体压力的降低，从而产生吸附作用的现象。回气管可以将加油时油箱中的汽油蒸气吹入加油管，吹入的高速气流在加油管口形成负压，这样加油管口气压低于周围大气压力，有效防止了汽油蒸气从加油管口往外溢出。

图1 ORVR系统工作原理示意

3.2 ORVR系统的功用

ORVR系统的功用如下：

a.将来自油箱的汽油蒸气排出并送到碳罐[2]。

b.加油管上的回气管可以将加油时油箱中的汽油蒸气吹入加油管中，排挤加油管中的空气，并与加注的汽油混合，一起进入油箱。从加油管进入的汽油蒸气占据了油箱液面上方的空间，防止汽油与空气接触加剧挥发。因此，液面上方的汽油蒸气很快达到饱和，可降低油箱内汽油的蒸发速度和蒸发量，减轻碳罐的负荷。

c.FLVV保证油箱与碳罐的连接处于长通状态。FLVV的通气管直径比当前燃油系统蒸发管路直径要大，有利于减少通气阻力，便于汽油蒸气进入碳罐。

d.加油管直径变细，加油时液体流动阻力增加，液体流动到加油管出口处遇到ICV的阻挡，便在ICV上方形成液体密封。

e.加油时加油管中形成液封，防止油箱内的汽油蒸气直接从加油口逃逸到大气中。油箱内的汽油蒸气只能通过FLVV的通气管进入到碳罐中。

对于ORVR系统需要注意以下几点：

a.碳罐系统的压力降必需小于液封液面高度差的压力，确保系统排气通畅。

b.由于ICV上方存在液封作用的汽油液体，这部分液体也会有很小部分的蒸发。

c.当加油流速很低时，加油管中无法形成液封，油箱内的汽油蒸气从加油管逃逸到大气中。因此，为了减小加油时的排放，加油时不要涓流加油。

4 ORVR系统的关键技术

ORVR燃油系统在油箱、加油管、组合油管3个总成件上与传统汽车不同，具体的技术变更点体现在以下几个方面。

4.1 油箱总成

4.1.1 ICV

ICV又称加油止回阀，其作用是确保燃油单向通过，阻止回流。ORVR燃油系统加油时要形成液封有2种方式。其中一种是采用完全密封的ICV，并且增大ICV的开启压力。加油时在ICV上方形成一定量的汽油，随着汽油的不断流入，汽油液面的压差大于ICV的开启压力，ICV便会打开；ICV打开后液面下降，液面的压差小于ICV的开启压力，ICV便会关闭；当液面的压差与ICV的开启压力达到平衡时，加油管中便形成稳定的液封。另一种是利用加油管自身的内径和结构在加油时产生液封[5]。ICV管径需配合加油管径同时变细，内径一般由非ORVR的29.4 mm变为ORVR的23.4 mm，相应外径一般由38 mm变为32 mm。由于加油管内径变细，加油时液体流动阻力增大，ICV的开启压力需做相应调整，防止加油时发生提前跳枪或回油返喷的现象。为了避免汽油从ICV进入油箱时产生飞溅，减少汽油的挥发，ICV出油口不能设计成平面，需要设计成斜面或导流的形状。

4.1.2 FLVV

ORVR油箱需要增加FLVV。FLVV的通气管内径一般为14 mm，外径一般为16 mm，非ORVR燃油系统蒸发管路内径一般为6 mm，内径的增大有利于减少气阻，便于汽油蒸气进入碳罐。ORVR油箱加油时主要通过FLVV排气，FLVV可以起到控制油箱液面高度和加油跳枪的作用。汽车发生倾斜或翻转时，FLVV还可以防止油箱中的汽油流入碳罐。

4.1.3 碳罐

碳罐的设计对ORVR燃油系统的功能和控制加油排放的效率至关重要。碳罐需有足够的工作能力以满足排放标准的要求，同时还要有足够小的通气阻力以避免油箱在加油过程中升压。为了满足这些要求，碳罐容积需加大至非ORVR燃油系统碳罐的2～3倍，且应使用通气阻力较低的活性炭，例如直径为2 mm的柱状活性炭[3]。由于碳罐体积的增大，原来布置在油箱上或发动机舱的需要改到底盘下或后轮罩内。碳罐的排水管连通大气，内径一般由非ORVR的7.5 mm变为ORVR的14.5 mm，外径一般由13.5 mm变为20.5 mm，管径的增大有利于减少通气阻力，便于加油时油箱内汽油蒸气顺畅地进入碳罐。

4.2 加油管总成

4.2.1 进油管

目前国内加油站加油枪流速范围为30～60 L/min，加油管内径一般为26.6～36.0 mm。带有ORVR系统汽车的加油速度为15.9～37.2 L/min，要想ORVR加油管形成液封，需要降低汽油在加油管中的流速，调整加油管的弯道设计；同时减小加油管的内径，使汽油形成液封[5]。所以，ORVR加油管内径一般采用23.4～25.4 mm。

4.2.2 回气管

加油管的回气管连接着油箱和加油管的进油管。回气管的油箱端与油箱上的通气短管连接，加油时将油箱内的汽油蒸气排入加油管。回气管内径一般由非ORVR的13.4～13.5 mm变为ORVR的4.95～6.00 mm，外径一般由15.00 mm变为6.35 mm，油箱上通气短管的内径一般由非ORVR的8 mm变为ORVR的3 mm。加油时非ORVR加油管的回气管是为了将油箱内的汽油蒸气排放到大气中，以降低油箱内的压力，控制加油跳枪。ORVR系统是通过FLVV和通气管排出加油时油箱内的汽油蒸气，其与非ORVR系统有着本质的不同。ORVR加油管的回气管较细，提高了加油时回气管中气流的流速，在加油管口形成文氏效应，从而减少从加油管口的挥发汽油。

4.2.3 加油管颈部

一般加油管口都设计有加油枪限位的导套，加油管颈部设计如图2所示。非ORVR加油管导套下端开口在回气管的上方，便于回气管的排气。ORVR加油管导套下端开口在回气管的下方，同时导套与加油管密封连接，阻止回气管将汽油蒸气排放到大气中。

图2 加油管颈部设计

4.3 组合油管总成

组合油管的脱附管连接碳罐与发动机，将碳罐内的汽油蒸气输送至发动机去燃烧。脱附管内径一般由非ORVR的4.95～6.00 mm变为ORVR的8.0～9.5 mm，外径一般由6.35 mm变为10.00 mm。脱附管内径增大提高了脱附效率，以满足ORVR碳罐容积增大的需求。

4.4 ORVR燃油系统的标定

ORVR燃油系统开发过程包括：依据理论计算选择碳罐的型号，零部件的设计和管路走向的设计，手工样件的制作，ORVR系统的标定试验，制作正规的模具件，最后的认可试验。

ORVR燃油系统在FLVV管路和加油管回气管上都设计有限流阀（或称孔阀），ORVR系统的标定试验需要反复调整这两个限流阀的孔径，直至加油排放试验通过。FLVV管路的限流阀设计在FLVV出口处或通气管中间，加油管回气管的限流阀则设计在回气管与油箱连接的通气短管上,以便于ORVR系统标定试验的调整。FLVV管路限流阀的作用是加油时控制FLVV向碳罐排气的速度，适当提高油箱内的压力，抑制汽油的蒸发，减少加油过程中油箱向碳罐排出汽油蒸气的总量，减轻碳罐的负荷。因此，选择稍小的碳罐也可以满足加油排放试验的要求，且有利于碳罐在整车上的布置。加油管回气管限流阀的作用是提高回气管中气流的流速，其工作原理与回气管的文氏效应原理相同，可促进回气管在加油管口形成负压，进一步减少加油时的排放。

FLVV管路限流阀和加油管回气管限流阀的孔径要适当，FLVV管路限流阀孔径过小会导致加油时油箱内压偏高，发生提前跳枪或回油返喷的现象。加油管回气管限流阀的孔径过小会导致喷出的气体流速过快，加油管口负压增大，大量的空气从加油管进入油箱，加剧油箱内汽油的蒸发，增加碳罐的负荷。不同车型由于油箱形状、加油管形状、FLVV管路走向等的差异，导致加油阻力、油箱内压和FLVV管路通气阻力不同，所以不同车型的ORVR系统需要分别标定。

5 结束语

介绍了美国ORVR排放法规的要求和我国即将实施的国Ⅵ标准中的ORVR法规要求。分析了ORVR燃油系统的原理、功用和关键技术，其中关键技术在于油箱、加油管、组合油管3个总成件与传统汽车的不同点，以及ORVR系统的标定方法。各汽车厂家要采用ORVR系统需在新车型设计时考虑碳罐和油箱的布置，并对不同车型的ORVR系统分别进行标定。

1 姜国华.控制车辆油气排放的0RVR系统技术.轻型汽车技术，2006（11）：29～31．

2 蔡锦榕，何仁，韦海燕.控制轿车加油排放的ORVR技术综述.车用发动机,2009（2）：1～5.

3 杜建波，方茂东，陆红雨，等.加油排放试验程序的设计和车载油气回收系统开发的建议.汽车工程，2014,36（5）：537～541.

4 中华人民共和国环境保护部.轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）（征求意见稿）.2016.

5 汪智，何仁.基于Fluent仿真的ORVR加油管液封设计．重庆理工大学学报（自然科学版），2014,28（2）：16～21.

（责任编辑晨 曦）

修改稿收到日期为2016年5月1日。

Technical Research on Onboard Refueling Vapor Recovery System

Wang Hao,Zeng Xianyong,Peng Linhua,Shen Zhigang
（Dongfeng Nissan Technical Center,Guangzhou 510800）

In this paper,the origin of car onboard refueling vapor recovery system(ORVR)and the US ORVR regulation were introduced,as well as the Beijing ORVR regulation which would be implemented soon was briefly described.Then the operating principle,functions and key technologies of ORVR fuel system were analyzed.The key technologies include difference of three assembly parts of fuel tanks,filler tubes,fuel piping with the traditional vehicle, and ORVR system’s calibration technology was also introduced.Finally,it proposed to consider the package of canister and fuel tank in new car design if the car would use ORVR system.

Refueling vapor recovery,Fuel tank,Filler tube

加油蒸气回收 油箱 加油管

U464.136+.5

A

1000-3703（2016）12-0055-04