国六车载加油蒸气回收系统研究

袁卫

摘 要：文章为国六车载加油蒸气回收系统提供了一种系统解决方案。该系统解决方案包含：炭罐和加油管设计方法，以获得较低的加油污染物排放;油箱油气分离器优化设计方法，以减少油箱动态泄漏以防止炭罐污染;主机厂生产线加油方法，以改善新油箱加油提前跳枪问题。关键词：国六;加油;排放;泄漏;炭罐中图分类号：U462.1  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）02-125-04

Abstract： The paper introduces a system solution for China 6 phase onboard refueling vapor recovery system. This system solution includes the design methods for charcoal canister and fuel filler pipe to gain a lower refueling emission， the liquid vapor separating vessel design optimization method to reduce fuel tank dynamic leakage to avoid charcoal canister pollution and the plant refueling solution to improve green tank refueling pre-shut off issue.Keywords： China 6; Refueling; Emission; Leakage; Charcoal canisterCLC NO.： U462.1  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）02-125-04

前言

為进一步减少汽车污染物排放，环保部于2016年12月23日发布了轻型汽车第六阶段排放法规GB18352.6-2016^[1] （以下简称国六）。

相较国五GB18352.5-2013 ^[2]，国六针对汽车燃油系统新增了加油排放污染物限值要求（VII型试验）。该要求规定燃油系统的加油污染物排放值小于0.05g/L（含推荐劣化系数0.01g/L）。

国五轻型汽车燃油系统（如图1所示）在使用加油站的加油枪加油时，汽油通过加油管进入油箱，汽油蒸气从加油管的排气管排入大气，对环境造成污染。

国六轻型汽车燃油系统（如图2所示）在加油时，汽油蒸气通过油箱液位控制阀排入炭罐，为ORVR（Onboard Refueling Vapor Recovery）车载加油蒸汽回收系统^[3]。

1 ORVR系统需要解决的几类问题

国六ORVR系统承担了加油蒸气回收功能，炭罐容积相比国五增加了2～3倍。为保证燃油系统功能和安全，需要解决以下三类问题：

1.1 如何控制加油污染物排放

国六ORVR系统虽然可以有效控制加油污染物排放，但影响排放的因素较多，如汽油RVP，加油速度，炭罐及加油管设计等。如何获得较低的加油污染物排放以及炭罐负载，成为了ORVR系统需解决的第一类问题。

1.2 如何控制油箱内动态泄漏

国六ORVR系统在油箱满油位附近，整车动态运行过程中，会出现汽油泄漏问题，从而污染炭罐。如何解决油箱动态泄漏问题成为ORVR系统需解决的第二类问题。

1.3 如何解决生产线新油箱加油跳枪

国六ORVR系统在加油排气路径上新增液位控制阀、油气分离器、油箱隔离阀（仅NICRO系统）、炭罐、OBD炭罐关闭阀（NICRO系统为空气泵）、初滤等部件，相比国五燃油系统，加油时系统背压大大增加。主机厂操作工人在给新油箱加油时，容易出现跳枪问题，影响了生产节拍。如何通过优化加油条件改善生产线加油跳枪问题成为ORVR系统需解决的第三类问题。

2 如何控制加油污染物排放

本文针一款MPV车型国六ORVR系统进行了加油污染物排放研究，其油箱容积为70L，炭罐容积为2.6升。

2.1 ORVR炭罐设计

ORVR系统加油过程中汽油蒸气生成率为：

R=W/V                                      （1）

式中：W表示实际加油过程中炭罐所吸收的汽油蒸气质量（g），即炭罐增重（负载）。V代表实际加油量（L）。

根据公式（1）和国六VII型试验流程，炭罐所需ORVR工作能力和装炭体积的经验计算公式分别为

W=0.9V_tRK                                  （2）

V_c=W/C                                      （3）

式中：W代表加油过程中所需炭罐ORVR工作能力（g）;V_t代表油箱额定容积（L）;R代表VII型试验过程中的加油蒸气生成率（g/L），可取1.32;V_c代表装炭体积（L）;K代表安全系数，考虑炭粉性能下降（10%）及装炭误差（10%），可取1.21;C代表炭粉ORVR工作能力（g/L），参见表1经验值。

根据公式（2），炭罐所需ORVR工作能力W_r=0.9x70Lx 1.32g/Lx1.21=100.6g。

該MPV炭罐分为两个内腔，包含1.15L的I型活性炭和1.45L的II型活性炭，见图3所示。

根据公式（3）和表2，

该炭罐所装I型活性炭的ORVR工作能力W₁=1.15Lx 35g/L=40.25g。

该炭罐所装II型活性炭的ORVR工作能力W₂=1.45Lx 45g/L=65.25g。

该MPV炭罐的设计ORVR工作能力W_d=W₁+W₂= 105.5g，大于所需ORVR工作能力W_r。

2.2 ORVR加油管设计

文献^[4]研究表明，国六加油管从内径30左右减小为25mm左右，可以在37L/min法规指定加油速度条件下，形成有效的液封，从而将油箱内的气体顺利导入炭罐而不从加油管头部溢出。

本文针对不同循环管内径，按国六 VII型试验要求用37L/min和15L/min加油速度对该MPV的ORVR系统进行了加油污染物排放试验（加油管内径为25.4mm）。根据公式（1），加油蒸气生成率和加油污染物排放结果见表2和表3。

以上试验结果表明：

（1）循环管内径相同的情况下，RVP值越高，汽油挥发性越强^[5]，蒸气生成率越高。

（2）RVP相当且循环管内径相同时，加油速度越高，汽油挥发性越强^[5]，蒸气生成率越高。

（3）无循环管ORVR系统的加油蒸汽生成率比有循环管ORVR系统的蒸汽生成率高;无循环管ORVR系统的加油蒸气生成率>1.32g/L，达到了1.53g/L;有循环管ORVR系统的加油蒸气生成率<1.32g/L，说明循环管可降低炭罐负载。

（4）循环管内径越大，则炭罐增重（负载）越小，蒸气生成率越低，加油污染物排放值增大。

（5）37L/min加油速度条件下，循环管缩孔内径为3.5 mm， 4.0mm和5.0mm孔对应的加油排放值，加上劣化系数0.01g/L，均小于国六加油污染物排放试验限值0.05g/L。循环管缩孔为3.5mm时，对应加油污染物排放值为最优。

（6）15L/min加油速度条件下，循环管缩孔内径为3.5 mm，4.0mm和5.0mm孔对应的加油排放值，即使不加劣化系数0.01g/L，均大于国六VII试验限值0.05g/L。这说明15L/min加油速度条件下，加油主管不能形成有效液封，导致加油管头部碳氢溢出。但循环管缩孔为3.5mm时，对应加油污染物排放值仍为最优。

3 如何解决油箱动态泄漏

国六ORVR系统中，以油箱液位控制阀为主的阀系，在整车运行过程中有动态泄漏问题。

通常情况下，油箱液位控制阀管路后端需要增加油气分离器（见图2），以防止汽油进入炭罐污染炭粉而影响炭罐工作能力，可保证炭罐及加油污染排放耐久性。

一般炭罐的油箱口（参见图3）会有15～30ml的集液器，以收集油箱动态泄漏或汽油蒸气冷凝的汽油。故而设计要求油箱在任何工况下汽油动态泄漏小于10ml，同时油箱内压力小于100hPa。

本文在一款SUV国六ORVR系统55L油箱开发过程中，按某山路路谱进行油箱动态泄漏六轴晃动试验时（见图4），就遇到了油箱油气分离器后端收集到大于10ml试验液体的问题。经分析，泄漏过多的原因在于油气分离器内部结构未能有效阻止液体回流至油箱。

因此，将油气分离器内部增加了几处挡板，形成迷宫结构，有效控制了动态泄漏，见图5改进方案和表4动态泄漏值对比情况。由此可见，方案2在方案1基础上优化挡板结构并去除死容积，油箱晃动动态泄漏值达到设计要求。

4 如何解决生产线新油箱加油跳枪

国六ORVR系统相较国五本身背压较大，加之新油箱加油时，油箱内有大量空气，汽油进入油箱后也会产生大量汽油蒸气，空气和蒸气混合气流量较大，导致系统背压过大，加油管内油压克服不了背压产生跳枪。

加油管内油压的简化公式为：

Ρ=ρgh                                       （4）

式中：P代表加油管内油压，ρ代表汽油密度，可取0.735g/m³;g=9.8m/s²;h为加油管第一个弯至油箱进油关闭阀的垂向高度，即油柱高度（文献^[4]研究表明液封形成在第一个弯之后）。

本文对一款乘用车国六ORVR系统进行新油箱（50L）加油试验，关键零部件背压见表5。

加油试验表明，油温为24℃，加油速度降低为10L/min时不会产生加油提前跳枪，见表6。

当加油速度为40L/min，该ORVR系统在加满油过程中，新油箱首次加油和油箱二次加油蒸气压力曲线见图6～7所示。

以上加油試验过程中的蒸气压力曲线表明：

（1）新油箱首次加油时，加油前期，出现加油提前跳枪现象，此时油箱蒸气包含空气和汽油蒸气，压力较高，为38～34hPa。该加油管油柱高度为0.36m，应用公式（4），加油管内油压为26hPa，小于油箱蒸气压力，因此产生跳枪。

加油中期，随着空气排尽，油箱内蒸气压力降低并稳定至24～16hPa（主要为关键零部件背压），小于加油管内油压26hPa，不会产生跳枪。

加油终了，油箱液位控制阀关闭，油箱内蒸气压力又上升到大于加油管内油压后产生加油跳枪，此时油箱内蒸气压力大于28hPa。

（2）油箱二次加油时不会出现提前跳枪，其原因在于油

箱中有残余汽油，仅含汽油蒸气而不会有空气存在。整个加油过程中油箱内蒸气压力仅为20hPa左右，小于加油管内油压。加油终了时，同样由于油箱液位控制阀关闭，油箱内蒸气压力上升大于加油管内油压导致加油终了跳枪。

如降低油温至8℃，该ORVR系统可满足加油速度30L/min不跳枪，见表7。因此降低加油速度和油温可以改善新油箱首次加油跳枪情况。

5 结论

（1）本文所述炭罐和加油管设计方法可以有效降低国六ORVR系统加油污染物排放值及炭罐负载，保证炭罐及加油污染物排放耐久性。

（2）本文所述油气分离器优化设计方法可以有效控制国六ORVR加油蒸气回收系统油箱内汽油动态泄漏，以防止炭罐污染。

（3）本文所述降低加油速度和油温方法可以改善国六ORVR系统工厂新车下线加油所面临的新油箱加油跳枪问题。

参考文献

[1] 国家环境保护部.国家质量监督检验检疫总局. 轻型汽车污染物排放限值及测量方法）（中国第五阶段）：GB18352.5-2013[S/OL]. http：//kjs.mee.gov.cn/hjbhbz/bzwb/dqhjbh/dqydywrwpfbz/201309/t20130917_260352.shtml.

[2] 国家环境保护部.国家质量监督检验检疫总局. 轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）：GB18352.6-2016[S/OL]. http：//kjs.mee.gov.cn/hjbhbz/bzwb/dqhjbh/dqydywrwpfbz/201612/t20161223_369476.shtml.

[3] 蔡锦榕，何仁，韦海燕.控制轿车加油排放的ORVR技术综述[J].车用发动机，2009，2.

[4] 汪智，何仁.基于Fluent仿真的ORVR加油管液封设计[J].重庆理工大学学报（自然科学），2014，2（28）.

[5] 陈家庆，汤水清，刘美丽等.基于集总参数模型的ORVR机动车加油过程模拟[J].环境工程学报，2018，2（12）.