汽車(chē)加油污染物排放控制研究

李長(zhǎng)江，劉新明

(1.長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

汽車(chē)加油污染物排放控制研究

李長(zhǎng)江1,2，劉新明1,2

(1.長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)的出臺(tái)，預(yù)示著汽車(chē)燃油揮發(fā)污染物控制將進(jìn)入到一個(gè)全新階段。通對(duì)法規(guī)的解讀識(shí)別出加油污染物排放試驗(yàn)(Ⅶ型試驗(yàn))過(guò)程中可能造成燃油蒸發(fā)排放超標(biāo)的影響因素，并針對(duì)各影響因素制定了不同的應(yīng)對(duì)措施，為燃油新系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供參考。

輕型車(chē)國(guó)六法規(guī)；加油污染物；排放控制

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2015年底全國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量達(dá)2.79億量，其中汽車(chē)1.72億量，僅2015年就銷(xiāo)售汽車(chē)2 459.76萬(wàn)輛。隨著汽車(chē)保有量的增加 ，汽車(chē)燃油揮發(fā)污染物對(duì)我國(guó)能源、環(huán)境帶來(lái)巨大的壓力[1]，而《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》報(bào)批稿(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“輕型車(chē)國(guó)六法規(guī)”)的下發(fā)預(yù)示著汽車(chē)燃油揮發(fā)污染物控制將進(jìn)入到一個(gè)全新階段。相對(duì)輕型車(chē)第五階段法規(guī)，除了提高了蒸發(fā)污染物排放試驗(yàn)(Ⅳ型試驗(yàn))的試驗(yàn)條件和限值以外，最大的變化就是增加加油污染物排放試驗(yàn)(Ⅶ型試驗(yàn))并提出了苛刻的排放限值要求。

1 法規(guī)解讀

針對(duì)加油污染物排放試驗(yàn)，從輕型車(chē)國(guó)六法規(guī)可知以下試驗(yàn)過(guò)程細(xì)節(jié)：

(1)整車(chē)級(jí)密閉測(cè)試試驗(yàn)；

(2)試驗(yàn)用燃油RVP56～60 kPa；

(3)試驗(yàn)前進(jìn)行碳罐再生處理(行車(chē)工況)；

(4)加油速率(37 ± 1)L/min；

(5)測(cè)試前底油為V·10% ±0.5 L(其中V為油箱額定容積)；

(6)加油測(cè)試前常溫浸車(chē)6～36 h；

(7)測(cè)試中加油量至少為V·85%±0.5 L(其中V為額定容積)；

(8)中途跳槍需3～15 s內(nèi)重新啟動(dòng)加油；

(9)以自動(dòng)跳槍結(jié)束加油過(guò)程；

(10)輸油結(jié)束后0～60 s內(nèi)讀取最終排放參數(shù)；

(11)讀取最終排放參數(shù)前加油槍無(wú)需拔出加油管。

依據(jù)試驗(yàn)細(xì)節(jié)采用魚(yú)骨刺法提煉出影響加油污染物排放的主要因素，如圖1所示。

圖1 加油蒸發(fā)排放影響因素魚(yú)骨刺圖

由圖1可知：影響加油排放的主要因素為非加油環(huán)節(jié)蒸汽產(chǎn)生量、加油環(huán)節(jié)蒸汽產(chǎn)生量以及碳罐吸附能力。

2 零部件設(shè)計(jì)

燃油系統(tǒng)如達(dá)到輕型車(chē)國(guó)六法規(guī)規(guī)定的加油排放限值必須匹配ORVR(車(chē)載加油油氣回收系統(tǒng))。帶ORVR的燃油系統(tǒng)常用結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖2。

圖2 帶ORVR的燃油系統(tǒng)常用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

通過(guò)燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化來(lái)降低各階段的蒸汽產(chǎn)生量將有助于降低對(duì)碳罐工作能力的要求，從而實(shí)現(xiàn)成本最小化。

2.1 非加油環(huán)節(jié)蒸汽產(chǎn)生量控制方案

由圖1可知影響非加油環(huán)節(jié)蒸汽產(chǎn)生量的因素主要有熱浸期間(行車(chē)熄火后)排放和常溫浸車(chē)期間排放，由于常溫浸車(chē)時(shí)間主要受認(rèn)證試驗(yàn)室資源數(shù)量有限影響，不具有可控性，所以設(shè)計(jì)燃油系統(tǒng)時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)控制熱浸期間蒸汽產(chǎn)生量。

熱浸期間發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，由于迎面風(fēng)的冷卻能力消失，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)余熱通過(guò)排氣管傳遞至油箱處，導(dǎo)致油箱溫度短暫升高，燃油箱產(chǎn)生大量蒸汽并進(jìn)入碳罐，而此期間碳罐并不進(jìn)行脫附，這將降低加油過(guò)程中碳罐可用的吸附能力，進(jìn)而影響到最終的加油排放值。降低行車(chē)及熱浸期間燃油箱溫度將有利于控制蒸汽產(chǎn)生量。燃油箱溫度降低可通過(guò)以下方案實(shí)現(xiàn)：

(1)降低燃油泵功率、提升工作效率來(lái)降低發(fā)熱量；

(2)優(yōu)化排氣管隔熱罩避免熱空氣侵襲燃油箱；

(3)增加排氣管和燃油箱布置間隙，建議不小于60 mm；

(4)選用優(yōu)質(zhì)燃油箱隔熱板材料，降低熱傳遞。

燃油泵選取應(yīng)依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油需求量來(lái)確認(rèn)選型，不應(yīng)設(shè)置太高的流量安全系數(shù)以免造成燃油泵功率過(guò)高，重點(diǎn)應(yīng)從提升初級(jí)過(guò)濾器的容塵量來(lái)避免壽命期間內(nèi)的流量衰減問(wèn)題，此外引入按需供油控制模塊也能極大地降低燃油泵工作功率，降低發(fā)熱量。

排氣隔熱罩優(yōu)先選用壓花鋁制隔熱板，它具有反射率高、易冷卻、易加工以及質(zhì)量輕等特點(diǎn)，目前在燃油箱隔熱板方面應(yīng)用廣泛。燃油箱隔熱板應(yīng)該和前側(cè)排氣隔熱板搭接布置，避免預(yù)留間隙導(dǎo)致熱空氣侵?jǐn)_燃油箱，如圖3所示。

圖3 燃油箱隔熱板搭接示意圖

如果采用以上隔熱板布置方案依然無(wú)法達(dá)到燃油箱降溫的預(yù)期效果，可以考慮在燃油箱和隔熱板之間布置耐火隔熱棉。

2.2 加油環(huán)節(jié)蒸汽產(chǎn)生量控制方案

由圖1可知：影響加油環(huán)節(jié)蒸汽產(chǎn)生量的主要因素有蒸汽逃逸、新鮮空氣裹入[2]以及加油不暢等。

2.2.1 蒸汽逃逸控制

燃油蒸汽逃逸指燃油蒸汽未通過(guò)碳罐過(guò)濾直接排入環(huán)境中的現(xiàn)象，主要發(fā)生在燃油加注口和燃油系統(tǒng)泄漏位置。泄漏問(wèn)題可以通過(guò)控制零部件產(chǎn)品質(zhì)量、選取適當(dāng)?shù)呐浜辖Y(jié)構(gòu)和公差來(lái)解決。燃油加注口外溢的燃油蒸汽主要來(lái)源于燃油箱內(nèi)部，可以從以下幾個(gè)方面著手；

(1)關(guān)閉加油過(guò)程中加注口和燃油箱的氣體通道；

(2)優(yōu)化燃油加注閥布置位置。

關(guān)閉加油管和燃油箱的氣體通道一般通過(guò)機(jī)械密封和液體密封來(lái)實(shí)現(xiàn)。機(jī)械密封即在加油口位置增加橡膠密封件，將加油槍和加油管管體之間的間隙封堵住來(lái)防止燃油蒸汽外逸，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 機(jī)械密封加油管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

機(jī)械密封采用的橡膠密封件，易磨損耐久性差。據(jù)統(tǒng)計(jì)美國(guó)市場(chǎng)占有率僅在1%左右，而且國(guó)內(nèi)加油槍規(guī)格差異大，更易出現(xiàn)密封件損壞現(xiàn)象，因此國(guó)內(nèi)建議采用加油管液體密封方式。液體密封需要結(jié)合細(xì)管徑實(shí)施，加油管主管內(nèi)徑一般在25 mm左右，加油管結(jié)構(gòu)需要基于仿真分析和試驗(yàn)測(cè)試確認(rèn)是否可以形成液體密封，液體密封位置應(yīng)處于燃油加注閥上側(cè)管體位置。

燃油加注閥盡量布置在燃油箱的低位，以便加油過(guò)程中它盡快被燃油淹沒(méi)，防止加油管液封短暫失效導(dǎo)致的燃油箱內(nèi)燃油蒸汽外溢；另外燃油盡快淹沒(méi)燃油加注閥也能減少燃油沖擊液面造成的飛濺，從而控制燃油蒸汽產(chǎn)生量。

2.2.2 新鮮空氣裹入量控制

在加油過(guò)程中,加油槍出來(lái)的高速燃油流過(guò)加油口時(shí)會(huì)在加油口內(nèi)側(cè)形成負(fù)壓區(qū)，加油口外側(cè)的新鮮空氣受壓差影響會(huì)進(jìn)入加油口并被燃油裹入燃油箱。如果進(jìn)入燃油箱的空氣量較大，勢(shì)必會(huì)稀釋燃油箱內(nèi)部的燃油蒸汽，從而加快燃油從液面上的揮發(fā)速度，進(jìn)而產(chǎn)生更多的燃油蒸汽，因此降低新鮮空氣裹入量對(duì)控制加油過(guò)程中燃油蒸汽的產(chǎn)生量至關(guān)重要。

機(jī)械式密封加油管(詳見(jiàn)圖4)由于阻隔了外部空間和加油管內(nèi)側(cè)的通道，不但可以防止油箱內(nèi)燃油蒸汽外溢，也可以有效控制空氣裹入量，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油蒸汽生成量的控制。

針對(duì)液封式加油管，可通過(guò)布置蒸汽循環(huán)管將燃油箱內(nèi)高濃度的燃油蒸汽填充加油過(guò)程中形成的負(fù)壓區(qū)，并使其重新進(jìn)入燃油箱。由于進(jìn)入的空氣中攜帶有高濃度的燃油蒸汽，對(duì)油箱內(nèi)燃油蒸汽濃度的影響減小，從而抑制了油箱內(nèi)燃油揮發(fā)速度，實(shí)現(xiàn)了燃油蒸汽生成量控制。蒸汽循環(huán)管布置及工作原理詳見(jiàn)圖5。

圖5 蒸汽循環(huán)管布置及工作原理

蒸汽循環(huán)管一般采用內(nèi)徑為6 mm的管路，但為防止出氣量太大導(dǎo)致蒸汽從加油口外溢到環(huán)境中，需要在其通往加注口末端或前段設(shè)置截流口，截流口的橫截面積可依據(jù)加油試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

2.2.3 針對(duì)加油不暢優(yōu)化設(shè)計(jì)

加油不暢主要表現(xiàn)在加油過(guò)程中出現(xiàn)反噴、反濺、提前跳槍等問(wèn)題。

反噴主要出現(xiàn)在加油槍跳槍后，此時(shí)加油口壓力低于燃油箱內(nèi)部壓力 ，受油箱內(nèi)高壓影響燃油會(huì)從油箱快速涌向加油管，不加阻擋可能會(huì)導(dǎo)致燃油從加油管口噴出。防止反噴主要

通過(guò)在燃油加注閥上布置單向閥來(lái)解決。

反濺主要是由加油管口設(shè)計(jì)不合理以及燃油加注閥布置不合理導(dǎo)致的。可按照?qǐng)D6及表1對(duì)應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行加油管上端設(shè)計(jì)來(lái)降低反濺風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 加油管上端結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖表1 加油管上端設(shè)計(jì)參數(shù)表

位置最佳尺寸可行尺寸加油槍至第一拐角距離LL≥70mm70mm>L≥31mm第一拐角的彎管半徑RR≥100mm100mm>R≥50mm第一拐角的角度θθ≤45°45°<θ≤70°加油槍和第一直管段的軸心夾角αα=0°0°<α≤4°

燃油加注閥布置除了需要保證首次加油跳槍后其出口沒(méi)入燃油中外，還應(yīng)控制其向油箱內(nèi)注油的角度以及和油箱內(nèi)結(jié)構(gòu)的布置間隙，要求詳見(jiàn)圖7和表2。

圖7 燃油加注閥布置簡(jiǎn)圖表2 燃油加注閥布置參數(shù)表

位置尺寸要求燃油加注閥和油箱底面夾角θ30°≥θ≥3.5°(約6%的斜度)燃油加注閥和前面障礙物距離LL≥100mm

提前跳槍主要原因是排氣通道氣阻大、加油流阻大以及加油限量閥非正常等，可以采用表3中措施優(yōu)化相關(guān)零部件設(shè)計(jì)、降低故障發(fā)生率。

表3 降低提前跳槍的措施對(duì)照表

2.3 碳罐吸附能力設(shè)計(jì)及優(yōu)化

加油過(guò)程中碳罐吸附能力不足主要是由碳罐的設(shè)計(jì)容積小及加油前行車(chē)工況下碳罐再生率低導(dǎo)致的。ORVR系統(tǒng)碳罐容積計(jì)算應(yīng)該基于以下計(jì)算公式求得：

(1)

式中：V為碳罐設(shè)計(jì)容積(L)；C為燃油箱額定容積(L)；η為蒸汽產(chǎn)生率(g/L)；χ為柱狀碳GWC工作能力(g/L)；ω為柱狀碳能力利用效率(%)；a為安全系數(shù)。

依據(jù)美國(guó)ORVR的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一般加油過(guò)程中會(huì)以1.4 g/L左右的速率產(chǎn)生燃油蒸汽。針對(duì)液封式加油管系統(tǒng)，如匹配好蒸汽循環(huán)管可以將產(chǎn)生速率降低15%左右。碳粉能力的利用效率不但和加油速率有關(guān)，和碳罐的結(jié)構(gòu)也有關(guān)，其中圓桶結(jié)構(gòu)腔里的碳粉能力利用率最高。此外燃油蒸汽在碳罐中路徑的延長(zhǎng)可使蒸汽溢出過(guò)程中更多地接觸柱狀碳，可提升燃油蒸汽的被吸附率，因此在滿(mǎn)足流阻的前提下增加長(zhǎng)徑比可顯著提升柱狀碳能力的利用率[3]。如碳罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在加油過(guò)程中柱狀碳能力的利用率可達(dá)60%以上。

碳罐再生率主要取決于加油前行車(chē)工況的脫附流量，在脫

附流量提升有限時(shí)，可以通過(guò)不同規(guī)格的柱狀碳分層布置，優(yōu)先提升通氣口位置柱狀碳的再生率來(lái)降低碳罐通氣口的燃油蒸汽逸出量，分層布置方式詳見(jiàn)圖8。柱狀碳B應(yīng)相對(duì)柱狀碳A在GWC工作能力上略弱，以便確保其更易脫附再生。

圖8 碳罐中柱狀碳分層布置簡(jiǎn)圖

3 結(jié)束語(yǔ)

2015年我國(guó)石油對(duì)外依存度已至60.6%，為緩解能源和環(huán)境壓力并推動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，國(guó)家對(duì)汽車(chē)燃油蒸發(fā)損失量的控制要求必將越來(lái)越嚴(yán)，因此各整車(chē)企業(yè)需要提前規(guī)劃技術(shù)路線(xiàn)來(lái)滿(mǎn)足未來(lái)法規(guī)的要求。

【1】輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)(征求意見(jiàn)稿)編制說(shuō)明[M],2016.

【2】何仁，蔡錦榕，梁琳林.汽油車(chē)加油排放影響因素分析[J].交通科學(xué)與工程，2010,26(3):60-65. HE R,CAI J R,LIANG L L.Analysis of the Factors Impacting on Refueling Emissions of Gasoline Vehicle[J].Journal of Transport Science and Engineering，2010,26(3):60-65.

【3】高俊華.減少整車(chē)蒸發(fā)排放的技術(shù)策略研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2007.

Gas Emissions Control Research

LI Changjiang1，2, LIU Xinming1，2

(1.Research & Development Center of Great Wall Motor company, Baoding Hebei 071000,China;2.Automotive Engineering Technical Center of Hebei, Baoding Hebei 071000,China)

The promulgation of the CHINA VI emission standard predicts that the car fuel volatile pollutants control will enter a new stage.Through interpreting rules, the influencing factors may causing fuel evaporative excessive emission in the refueling process were identified. Aiming at each influence factor, different measures to cope with the situation were made.It provides reference for the development of new fuel system.

CHINA VI emission standard for car; Gas pollutants; Emission control

2016-10-18

李長(zhǎng)江(1984—)，男，學(xué)士，助理工程師，研究方向?yàn)槠?chē)燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。E-mail：bdchj@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.03.010

U461.11+4

B

1674-1986(2017)03-040-04