車載加油油氣回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

王新超,李睿哲,宋杰,薛國亮

(北京汽車集團(tuán)越野車有限公司,北京 101300)

0 引言

《GB18352.6—2016輕型車汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》法規(guī)中針對(duì)汽車燃油系統(tǒng)新增VII型加油污染物排放試驗(yàn)，規(guī)定加油過程蒸發(fā)污染物排放量不得超過0.05 g/L(包括劣化系數(shù)0.01 g/L)，此項(xiàng)規(guī)定旨在減少加油過程中油氣污染排放及能源浪費(fèi)，要求2020年7月1日之后的國六新車型必須滿足此項(xiàng)法規(guī)要求。

本文作者以此為目標(biāo)，研究了車載加油油氣回收技術(shù)原理，對(duì)某項(xiàng)目中開發(fā)的車載加油油氣回收系統(tǒng)核心部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)闡述。

1 ROVR系統(tǒng)原理

為達(dá)到法規(guī)中要求的排放限值，整車需要安裝車載加油油氣回收系統(tǒng)(Onbord Refueling Vapor Recovery，ORVR)，其原理如圖1所示[1]。

圖1 ORVR加油原理

加油時(shí)油箱內(nèi)油氣通過加油限量通氣閥(Fill Limit Vent Valve，F(xiàn)LVV)排至炭罐并被吸附，當(dāng)炭罐吸附飽后，油氣會(huì)再次排放至大氣中。加油管較細(xì)，在加油時(shí)管內(nèi)形成液封，可以避免油氣由加油管逸出。當(dāng)油液淹沒FLVV后，油氣無法排出使油箱內(nèi)氣壓升高，加油槍跳槍。

文中以某項(xiàng)目國六燃油系統(tǒng)為例介紹ORVR系統(tǒng)及零部件設(shè)計(jì)，ORVR系統(tǒng)功能是將加油過程產(chǎn)生的油氣回收至炭罐，并能保證加油順暢，ORVR系統(tǒng)加油過程中燃油及油氣流動(dòng)如圖2所示。

圖2 加油時(shí)燃油油氣流動(dòng)圖

其加油流程為：

(1)燃油注入加油管后沖擊加油止回閥(Inlet Check Valve，ICV)，閥門打開，燃油進(jìn)入油箱。加油完畢后，閥門關(guān)閉，防止油液反噴。

(2)加油時(shí)產(chǎn)生的油氣經(jīng)FLVV進(jìn)入蒸發(fā)管總成，油氣導(dǎo)出油箱后分兩路，一路進(jìn)入循環(huán)管形成油氣循環(huán)，另一路進(jìn)入炭罐被吸附。

(3)油箱內(nèi)液面高度超過FLVV關(guān)閉高度后，F(xiàn)LVV關(guān)閉，油氣不能導(dǎo)出，油箱內(nèi)氣壓升高，加油槍跳槍。

(4)加油過程中，少部分油氣通過小流量蒸氣閥導(dǎo)出。加油跳槍后，F(xiàn)LVV關(guān)閉，補(bǔ)加油液產(chǎn)生的油氣由蒸氣閥導(dǎo)出。

2 ORVR系統(tǒng)零部件設(shè)計(jì)

2.1 FLVV設(shè)計(jì)

FLVV用于控制油氣排放及加油量，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，油液面低于FLVV時(shí)，浮子重力大于彈簧彈力，浮子位于閥體底部，油氣通過排氣口導(dǎo)出。之后油液面逐漸上升，浮子在油液中上浮，當(dāng)浮子帶動(dòng)密封圈關(guān)閉排氣口后，油氣無法排出，油箱內(nèi)氣壓升高，加油槍跳槍。

圖3 FLVV結(jié)構(gòu)示意

FLVV排氣口截面積與排氣流量相關(guān)，當(dāng)排氣口截面積較小時(shí)，排氣阻力增加，油箱壓力升高，可以抑制油氣揮發(fā)，使用較小炭罐即可滿足排放要求，但油箱內(nèi)壓力升高時(shí)容易出現(xiàn)提前跳槍，因此設(shè)計(jì)排氣口時(shí)需要均衡兩方面影響。

2.2 ICV設(shè)計(jì)

ICV是一種單向閥，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 ICV結(jié)構(gòu)示意

不加油時(shí)，閥門在彈簧作用下關(guān)閉。加油時(shí)閥門被燃油沖開，燃油進(jìn)入油箱。加油末期時(shí)，油箱內(nèi)油氣排氣不暢使壓力升高，油箱如無ICV，跳槍瞬間，加油管內(nèi)燃油可能被油箱內(nèi)高壓氣頂出，造成燃油反噴，加裝ICV后，閥門關(guān)閉，可以消除燃油反噴現(xiàn)象，一定程度上降低加油排放污染。

2.3 加油管設(shè)計(jì)

加油管由金屬加油管、橡膠加油管和油箱加油管組成，燃油依次注入燃油箱。由于加油管較細(xì)，燃油充滿加油管，形成液封，杜絕了油箱內(nèi)油氣由加油管排向大氣，但過小的加油管又會(huì)影響加油順暢性，造成無法加油甚至提前跳槍。

金屬加油管和油箱之間還有循環(huán)管連接(圖5)，循環(huán)管用于將油箱內(nèi)部分油氣輸送至加油口處，使油氣形成循環(huán)。加油時(shí)高速油液對(duì)氣體具有卷吸作用，在加油口處會(huì)將空氣帶入油箱，增加油箱內(nèi)油氣生成量，循環(huán)管出口一般設(shè)置在加油口導(dǎo)流管上方，循環(huán)管將來自油箱內(nèi)的油氣再次在循環(huán)管出口處射出，油氣再次進(jìn)入油箱形成循環(huán)，減少了進(jìn)入油箱的純空氣，從而減少油箱內(nèi)油氣生成量。當(dāng)循環(huán)管內(nèi)流量過大時(shí)，會(huì)使加油口處負(fù)壓過低，又會(huì)導(dǎo)致空氣被吸入油箱，致使排放增加。

圖5 加油管示意

2.4 炭罐設(shè)計(jì)

炭罐內(nèi)填充炭粉，炭粉是一種多孔介質(zhì)材料，是一種相互貫通或封閉的孔洞構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的材料[2]，如圖6所示。

圖6 炭粉結(jié)構(gòu)示意

由于范德華力的作用，油氣可以吸附在炭粉表面，脫附時(shí)在負(fù)壓作用下，油氣再從炭粉表面脫離。目前國六炭粉應(yīng)用較多的是由英杰維特公司生產(chǎn)的活性炭，常見型號(hào)及工作能力見表1，炭粉型號(hào)數(shù)字越大，工作能力越強(qiáng)。

表1 炭粉ORVR工作能力 g/100 mL

炭罐總成采用雙腔結(jié)構(gòu)，如圖7所示，雙腔結(jié)構(gòu)增大了碳罐的長徑比，使炭粉被吸收的路徑加長，有利于充分吸附。雙腔中分別灌裝BAX1500和BAX1100LD炭粉，BAX1100LD炭粉吸附能力較弱，脫附能力也較弱，灌裝在炭罐大氣口一側(cè)，可以防止油氣逸出。炭罐吸附口和脫附口共用，便于管路布置。

圖7 炭罐結(jié)構(gòu)示意

3 加油試驗(yàn)

3.1 加油順暢性試驗(yàn)

將燃油箱總成、加油管、炭罐和蒸發(fā)管路模擬整車裝配狀態(tài)，在常溫條件下，以45 L/min速率加注燃油，加油至跳槍后再低速擋補(bǔ)加3次，試驗(yàn)過程中觀察是否有異常跳槍反噴，記錄加油過程中數(shù)據(jù)。

加油試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8所示，在加油初始階段(前10 s內(nèi))還出1次跳槍，壓力峰值5.2 kPa，這是因?yàn)橛拖錇榭沼拖?，油箱?nèi)存在大量空氣，加注燃油后又形成大量油氣，油氣與空氣混合速度慢，油箱內(nèi)大量氣體無法迅速排出，造成異常跳槍，此現(xiàn)象只在空油箱首次加油時(shí)出現(xiàn)，解決措施是降低加油速率或降低加注燃油溫度，減少油氣生成量[3]。正常加油過程中油箱內(nèi)壓力在1.5 kPa左右。加油末期4次跳槍時(shí)油箱壓力峰值分別為6.2、4.0、6.0和3.8 kPa，3次跳槍后加油量可以達(dá)到額定容積(75±2)L。

圖8 加油過程參數(shù)曲線

3.2 加油污染物排放試驗(yàn)

試驗(yàn)將整車按照GB 18352.6—2016標(biāo)準(zhǔn)中附錄I中規(guī)范進(jìn)行VII加油過程污染物排放試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2，整車污染物排放量為0.015 1 g/L，低于GB18352.6—2016中加油污染物排放0.05 g/L的要求，說明ORVR加油油氣回收效率較高，能夠達(dá)到法規(guī)要求。

表2 VII加油污染物排放試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語

ORVR系統(tǒng)主要部件包括FLVV、ICV、加油管、炭罐及管路，該系統(tǒng)通過這些部件將加油時(shí)油箱內(nèi)產(chǎn)生的油氣回收至炭罐，可以有效降低加油過程中污染物排放，滿足國六法規(guī)要求。