满足国Ⅵ排放法规的车载油气回收系统

孙建刚

（中国第一汽车股份有限公司天津技术开发分公司）

在大气污染日趋严重，雾霾持续不断的情况下，北京从2017年1月1日起，施行了国Ⅵ法规，即轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）。国Ⅵ法规对于汽油车燃油系统来说，主要体现在燃油蒸发控制的加严，即从国Ⅴ法规的2 g/test（试验循环）降低到国Ⅵ法规的0.7 g/test，并且增加了加油污染物排放试验，其限值规定，校正后的加油过程蒸发污染物排放量不得超过0.05 g/L。基于以上要求，文章对车载油气回收（ORVR）燃油系统与非ORVR燃油系统进行对比，根据对比结果，总结出ORVR系统对目前整车燃油系统减少排放量的重要意义。

1 ORVR系统发展进程及意义

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,该系统安装在油箱和加油口上，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，在避免了大气污染的同时也节约了能源。该技术是由美国环境保护署（EPA）在1994年推出的，以作为二级油气回收系统的一种替代选择[1]。到1998年，美国已经在超过1.5×108辆汽车上安装了ORVR系统，没有遇到任何障碍，证实了ORVR具有非常可靠的技术[2]。2012年ORVR系统被广泛地应用在美国整车上，而国内整车尚未实施ORVR方案。根据美国EPA统计，每加1 L汽油，损失1.5 g油气，损失率达到0.2%，按照美国汽车在用量1亿辆计算，每年加油蒸发损失的汽油，可以供20万辆汽车行驶1年。根据美国实施ORVR的经验，ORVR可以回收98%的加油蒸发损失，大大减少了汽油车燃油系统挥发性有机化合物的排放，对改善大气环境具有重大意义。

2 ORVR燃油系统与非ORVR燃油系统的区别

2.1 加油管总成区别

加油管总成按材料分为2种：一种是金属加油管，另一种是塑料加油管，而塑料加油管又分为注塑加油管和波纹加油管2种。目前，由于波纹加油管质量轻和成本低而被广泛应用。但在整车搭载ORVR系统后，由于波纹加油管渗透量相对较大，因此无法再被整车使用。而注塑加油管可采用多层结构，并可使用阻隔剂以达到降低燃油渗透量的目的，但成本比金属加油管高。因此，ORVR燃油系统通常采用金属加油管，金属加油管的渗透量为0，并且加工工艺简单，设计重点有2个。

1）管径的设计。图1示出加油管总成对比图，其中从图1a可以看出，非ORVR加油管的注油管道管径一般为φ（28～35）mm，排气管道为φ16 mm。从图1b可以看出，ORVR加油管的注油管道管径缩小到φ25.4 mm，以达到油液密封的效果，防止燃油蒸气从注油管道排放到大气中，油液密封示意图，如图2所示。同时排气管道缩小到φ（2～3）mm，以保证加油的顺利进行和降低碳罐的工作负荷。

图1 加油管总成对比示意图

图2 油液密封示意图

2）连接燃油箱软管材料的选择。非ORVR系统加油软管材料一般为NBR和PVC的混合胶，而ORVR系统加油软管按照蒸发要求可以设为5层管，由内层到外层分别为丁腈橡胶（NBR），氢化丁腈橡胶（HNBR），（氟橡胶）FKM，四氟乙烯、六氟丙烯和偏二氟乙烯的聚合物（THV）及海普隆（CSM），以降低加油软管的燃油渗透量。

2.2 燃油箱区别

燃油箱分为金属燃油箱和塑料燃油箱，由于金属燃油箱的渗透量为0，因此这里主要介绍塑料燃油箱的区别。目前整车上的塑料燃油箱采用多层材料结构，一般从内层到外层分别为高密度聚乙烯（HDPE），线性低密度聚乙烯（LLDPE），阻隔层（EVOH），LLDPE，回料（REGRIND）及HDPE。在ORVR燃油系统中，燃油箱增加了EVOH的厚度，以降低燃油渗透量。同时，对汽油泵的安装方式进行调整，由目前的锁盖式更改为卡盘式，密封圈材料由NBR改为FKM或THV，以降低安装口的燃油渗透量。另外，对控制燃油箱加油量的排气阀进行了结构调整，图3示出非ORVR燃油箱与ORVR燃油箱对比图，从图3a可以看出，非ORVR燃油箱的加油量是通过重力阀（GVV）来控制的，燃油箱内大量气体通过GVV排出，少量气体通过旋转阀（ROV）被吸附到碳罐。从图3b可以看出，ORVR燃油箱的加油量是通过限位阀(FLVV)来控制的，ROV与注油FLVV连通，燃油箱内大量气体通过FLVV被吸附到碳罐，少量气体通过FLVV流向加油管排气管道进行循环。同时ORVR燃油箱加油口必须有单向阀（ICV），而非ORVR燃油箱可选择增加单向阀。

图3 燃油箱对比示意图

2.3 碳罐区别

碳罐在燃油系统中尤为重要，它是整个燃油蒸发控制系统的关键部件，在ORVR燃油系统中更是重中之重。目前，整车燃油系统使用的碳罐基本在1 L左右，活性炭多采用WV-A1100型号，空气压降大，内部结构简单。图4示出加油时燃油蒸气流动图，从图4a可以看出，非ORVR燃油系统加油时，燃油箱中产生的燃油蒸气一部分被碳罐吸收，另一部分从加油管排放到大气中。而从图4b可以看出，ORVR燃油系统在加油时，燃油箱中产生的燃油蒸气全部被碳罐吸收。因此ORVR碳罐设计时需要注意以下2点：1）确保碳罐总成的有效容积，即碳罐要有足够的内部空间去装填活性炭，以保证活性炭能够完全吸附加油过程中产生的燃油蒸气；2）碳罐需具备很低的通气阻力，以保证加油的顺利进行，防止出现外溢或反喷的现象。

a 非ORVR燃油系统

图4 加油时燃油蒸气流动对比示意图

由于ORVR碳罐需要吸附加油时产生的全部燃油蒸气，因此ORVR碳罐的有效容积一般为非ORVR碳罐的2倍，且活性炭选用柱状炭，以降低碳罐的通气阻力。不同的柱状炭其工作能力不同，如图5所示。相同体积的碳罐装填不同型号的活性炭，其工作能力有很大的区别。因此，将活性炭进行合理的组合可降低碳罐的体积，从而降低碳罐布置的难度。

图5 同体积碳罐填装不同规格活性炭工作能力比较图

2.4 管路的区别

管路按照材料分为金属管路、尼龙管路及橡胶软管。金属管路一般用在车身地板下部，由于金属管路耐腐蚀性要求较高、成本较大，且相对尼龙管路来说，质量较重，因此从目前车辆设计注重低油耗，零部件的轻量化设计角度出发，尼龙管路更佳，它具有耐腐蚀性能高，且质量轻的特点，但由于抗石击能力稍弱，因此当尼龙管用于车身地板下部时，通常用保护板加以防护，因此在ORVR系统中，可采用金属管路，若使用尼龙管路需要提高阻隔层厚度，以降低燃油渗透量。

橡胶软管，由于工艺简单，模具开发周期时间短，被广泛应用于汽车领域。在普通的燃油系统中，橡胶软管材料一般分为2种，一种是用于燃油蒸气的软管，其材料一般由内层到外层分别为NBR和CSM；另一种是用于燃油的软管，其材料一般从内层到外层分别为FKM、表氯醇橡胶（ECO）、增强层及ECO。为了降低橡胶软管的燃油渗透量，ORVR系统可采用5层材料软管，从内层到外层分别为FKM，THV，ECO，增强层及ECO。

3 结论

文章通过对ORVR燃油系统的加油管总成、燃油箱、碳罐和管路4个方面的结构、性能及工艺对比分析，说明该系统可以避免将加油过程中产生的燃油蒸气排放到大气中，能有效地降低污染，满足国Ⅵ排放法规的要求。但是，ORVR系统作为应对国Ⅵ法规要求的措施，合资企业可以直接引进国外的成熟技术，而自主品牌企业，还需要进行更多的整车试验验证，以便顺利搭载。