淺析應(yīng)對國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)的塑料燃油箱

陳 強，黃衛(wèi)華，馬國祥，穆海寧，范 標(biāo)

淺析應(yīng)對國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)的塑料燃油箱

陳 強1，黃衛(wèi)華2，馬國祥1，穆海寧1，范 標(biāo)1

(1.安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心，合肥 230601；2.合肥華昌汽車部件有限公司，合肥 230601)

簡介燃油蒸發(fā)排放對環(huán)境的危害,分析了國Ⅵ與國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別和塑料燃油箱的特點，重點闡述影響塑料燃油箱燃油蒸發(fā)排放的因素和應(yīng)對國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)的塑料燃油箱設(shè)計的可行措施。

國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)；塑料燃油箱；燃油蒸發(fā)排放

燃油蒸發(fā)排放污染是指從汽油車燃油系統(tǒng)向大氣中逸散出的汽油蒸發(fā)產(chǎn)生的污染，主要成分是HC，是機動車排放污染物的重要組成[1-2]。HC在陽光的作用下會發(fā)生一系列光化學(xué)反應(yīng)生成臭氧、醛等有害物質(zhì)，形成光化學(xué)煙霧，會對人體的健康造成極大的傷害[3-6]。以往，我國排放法規(guī)主要以歐洲排放法規(guī)為藍本，對汽車排放的管控重點主要集中在尾氣排放，而對于燃油蒸發(fā)排放的控制要求有所欠缺[7]。隨著近年來環(huán)境的逐年惡化，對燃油蒸發(fā)排放控制的要求已經(jīng)越來越迫切，國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布直接標(biāo)志著對燃油蒸發(fā)排放進入了嚴(yán)格控制階段。

1 國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)的Ⅳ型試驗要求

國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)將Ⅳ型試驗指標(biāo)按照車型及測試質(zhì)量進行了區(qū)分，如表1所示[7-8]。與國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)相比，蒸發(fā)排放指標(biāo)加嚴(yán)了40%～65%。表1中所述的第一類車是指設(shè)計成員數(shù)不超過6人（包括駕駛員），且最大總質(zhì)量≤2.5 t的M1類車；第二類車是指除第一類車以外的其他所有最大總質(zhì)量不超過3.5 t的M1類、M2類和N1類車輛。通過表1對比可以發(fā)現(xiàn)，國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)對大尺寸五座車型的要求是最為嚴(yán)格，此類車型多為大排量轎車或SUV車型。

表1 Ⅳ型試驗要求對

國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)不僅對Ⅳ型試驗的評價指標(biāo)進行了加嚴(yán)，而且還提出了更加苛刻的熱浸測試條件和晝夜換氣測試條件，如表2所示。國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ型試驗的總結(jié)果計算大致與國V相同，測試過程采用SHED密閉室法，按照熱浸試驗時HC排放質(zhì)量與晝夜換氣試驗時HC排放質(zhì)量的總和進行指標(biāo)評價。國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)的晝夜換氣試驗結(jié)果計算與國Ⅴ不同，采用的是連續(xù)試驗兩天后分別記錄第一天和第二天的試驗數(shù)值，并取最大的值作為最終結(jié)果。熱浸試驗的溫度也由23～31℃提升到了33～41℃，汽油的揮發(fā)性會隨著溫度的上升而提升[9]。

表2 Ⅳ型試驗部分過程條件對比

2 塑料燃油箱蒸發(fā)排放影響因素及應(yīng)對措施

2.1 塑料燃油箱本體結(jié)構(gòu)分析

目前，我國汽油塑料燃油箱普遍采用六層吹塑共擠工藝，六層結(jié)構(gòu)主要由外層、研磨層、粘結(jié)層、阻隔層、粘結(jié)層和內(nèi)層組成[10]。外層與內(nèi)層材料為高密度聚乙烯（HDPE），分別占厚度比重約為20%和30%左右；研磨層為燃油箱生產(chǎn)的箱體回料，占油箱厚度的比重為40%~50%，研磨層的應(yīng)用既增加了燃油箱的結(jié)構(gòu)強度又降低了生產(chǎn)成本；阻隔層材料為乙烯乙烯醇共聚物（EVOH），占油箱厚度的比重為1%~4%；粘結(jié)層采用線性低密度聚乙烯（LLDPE）材質(zhì)，主要起到黏連HDPE和EVOH的作用。

塑料燃油箱的六層結(jié)構(gòu)中對燃油蒸發(fā)排放起阻隔作用的主要是EVOH阻隔層，EVOH阻隔層的厚度占比決定了塑料燃油箱的燃油滲透值。圖1為某供應(yīng)商提供的塑料燃油箱燃油透測試數(shù)據(jù)，試驗用塑料燃油箱額定容積為47 L，油箱平均壁厚6 mm，油箱表面無任何焊件，測試溫度40℃，老化處理20周，每4周換一次油。從圖1來看，塑料燃油箱的燃油滲透值會隨著EVOH阻隔層厚度占比增加而降低，會隨著EVOH中乙烯的摩爾百分比降低而降低，說明使用乙烯含量低的EVOH阻隔性更好。當(dāng)測試燃油由E0（不含乙醇的汽油）改為E10（含10%乙醇的汽油，乙醇分子小，滲透性更強）時，塑料燃油箱的燃油滲透值會大幅提升。但是，無論測試燃油是E0還是E10，EVOH阻隔層厚度占比是2%還是4%，塑料燃油箱的燃油滲透值都沒有超過10 mg/24 h。

為了滿足燃油加注、換氣、翻倒安全、安置油泵等功能需求，燃油箱必然會包含加油口單向閥、重力閥、加油限量閥以及油泵安裝結(jié)構(gòu)件等。國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)未對燃油蒸發(fā)進行嚴(yán)格的要求，這些結(jié)構(gòu)普遍采用開口密封、穿透焊接等方式，且密封圈多采用NBR等低成本材質(zhì)，焊接部件均用HDPE材料，燃油阻隔性能很低，燃油箱整體的燃油滲透值在300～500 mg/24 h（行業(yè)里都是在油箱老化后進行測定），其中這些位置直接貢獻了90%以上的燃油滲透值。因此，燃油箱表面的開口數(shù)量是影響多層塑料燃油箱燃油蒸發(fā)排放水平的主要因素。

圖1 塑料燃油箱測試數(shù)據(jù)

2.2 油泵安裝結(jié)構(gòu)分析

油泵安裝結(jié)構(gòu)是塑料燃油箱上的最大開口，是塑料燃油箱蒸發(fā)排放的主要貢獻者。油泵安裝結(jié)構(gòu)的主要有鎖緊螺母型式和金屬卡盤型式，這兩種結(jié)構(gòu)的特點對比如表3所示。油泵安裝結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)排放貢獻主要取決于燃油泵法蘭的阻隔性和所用密封圈的阻隔性，而燃油泵法蘭材料普遍采用聚甲醛（POM），屬于高阻隔性材料，與塑料燃油箱六層結(jié)構(gòu)阻隔性相當(dāng)。因此，油泵安裝結(jié)構(gòu)燃油蒸發(fā)水平主要取決于密封圈的材質(zhì)的選擇。密封圈的材質(zhì)選擇主要有兩類：一類是耐油型，主要采用耐油材料NBR、NBR+PVC、ECO等，都是耐汽油材料，阻隔性一般，成本低廉；另一類是耐油阻隔性材料，采用FKM材料，耐油性阻隔性均非常良好，但價格昂貴。

表3 油泵安裝結(jié)構(gòu)型式對比

2.3 加油口單向閥、重力閥和加油限量閥結(jié)構(gòu)分析

加油口單向閥、重力閥和加油限量閥雖然功能各不相同，但是對燃油蒸發(fā)排放的貢獻原理是類似的。油汽分子均是通過油箱的開口經(jīng)過焊接部件的法蘭位置逸出，加油口單向閥、重力閥和加油限量閥的焊接法蘭的燃油阻隔能力是影響其蒸發(fā)排放水平的主要因素。焊接法蘭有兩大類，一類是HDPE注塑，如圖2所示，其阻隔能力低，但工藝簡單、成本低；另一類是兩種材質(zhì)復(fù)合注塑2K工藝，如圖3所示，其在HDPE表面增加了PA、POM、PPA等阻隔材質(zhì)，提升法蘭的燃油阻隔能力，但其工藝復(fù)雜，成本非常高。

圖2 HDPE法蘭結(jié)構(gòu)

圖3 2K法蘭結(jié)構(gòu)

2.4 國Ⅵ燃油箱應(yīng)對措施

國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了整車的蒸發(fā)排放指標(biāo)，并未直接規(guī)定燃油箱的蒸發(fā)排放指標(biāo)，主機廠可以根據(jù)自身特點及技術(shù)方案確定燃油箱的蒸發(fā)排放指標(biāo)。參考美國加州LEVⅡ標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計經(jīng)驗，燃油箱蒸發(fā)排放的指標(biāo)一般設(shè)定低于100 mg/24 h，普遍在60～80 mg/24 h之間。

國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)塑料燃油箱的應(yīng)對方案主要有兩種：外焊接式和內(nèi)焊接式。外焊接式技術(shù)方案為傳統(tǒng)方案，與國Ⅴ塑料燃油箱結(jié)構(gòu)類似，穿透式焊接部件采用2K工藝法蘭，以及油泵安裝結(jié)構(gòu)采用FKM密封圈即可。內(nèi)焊接式塑料燃油箱屬于新型油箱工藝，是將閥類部件焊接在燃油箱內(nèi)部的一種工藝。這種燃油箱只有油泵安裝結(jié)構(gòu)和ICV兩個開口，可以將塑料燃油箱的燃油滲透值降低至10 mg/24 h以下，能夠應(yīng)對世界上最嚴(yán)格的PZEV標(biāo)準(zhǔn)。同時，內(nèi)焊接式塑料燃油箱缺點也很鮮明，其制造成本非常高，對設(shè)備的工藝、精度控制都有非常嚴(yán)格的要求。因此，如僅應(yīng)對國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)，更加推薦外焊接式燃油箱。

3 結(jié)束語

1）國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)對燃油蒸發(fā)排放的要求按照車型、車重進行控制，各擋指標(biāo)均比國V標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格，而且國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)的試驗過程較國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)更加苛刻。

2）油泵安裝結(jié)構(gòu)的密封圈材料，加油口單向閥、重力閥和加油限量閥的焊接法蘭結(jié)構(gòu)型式的選擇是影響塑料燃油箱蒸發(fā)排放水平的主要因素。

3）應(yīng)對國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)，有外焊接式塑料燃油箱和內(nèi)焊接式塑料燃油箱兩種解決方案，本文推薦采用外焊接式塑料燃油箱。

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Brief Analysis of Plastic Fuel Tank for the GBⅥEmission Standard of China

Chen Qiang1,Huang Weihua2,Ma Guoxiang1,Mu Haining1,Fan Biao1
（1.Technology Research Center,An hui Jianghuai Automobile Co.,Ltd,Hefei 230601,China；2.Hefei Huachang Auto Parts Co.,Ltd,HeFei 230601,China)

The authors briefly introduce the harm to environment of fuel evaporative emission,analyze the difference between the GBⅥand GBⅤemission standards and the characteristics of the plastic fuel tank.They emphasize on the factors affecting the plastic fuel tank fuel evaporative emission and the feasible measures of plastic fuel tank design dealing with the GBⅥstandard.

GB VI emission standard；plastic fuel tank；fuel evaporative emissions

U464.136+.5

B

1006-3331（2017）05-0044-03

陳 強(1985-)，男，碩士；工程師；主要從事整車供油系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)的設(shè)計與研究工作。

修改稿日期:2017-07-10