淺談國六供油系統設計

《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（*六階段）》標準中整車蒸發污染物排放試驗限值由第五階段的2g/test降至0.7g/次[1]，且測試時間為第五階段要求的2倍，同時增加了車載加油油氣回收系統，是一種車輛排放控制系統，它能夠收集加油過程中從油箱中揮發出來的燃油蒸氣，加油排放限值不得超過0.05g/L[2]。汽車企業需在有限的開發周期內，大限度的節約開發成本，克服開發資源稀缺，開發經驗不足等難題的情況下，突破所有的技術壁壘，完成國六供油系統的全新升級，以滿足汽車產品的使用要求。針對第六階段目前的研究有通過測量加油管內油液壓力的變化來監控液封狀態[3]，以控制加油時污染物的排放，還有供油系統核心部件炭罐的設計要點解析。本文針對蒸發污染物排放和加油污染物排放兩方面剖析供油系統的設計。
1 涉及蒸發污染物排放的設計
為了更準確的控制系統限值，需重新對供油系統各個零部件進行了蒸發排放限值分配，并要求每個零部件的排放限值到1mg，如此苛刻的要求對供油系統零部件的設計能力和制造能力均提出了更高的挑戰。
供油系統的基本結構[4]如圖1所示，下面針對國六供油系統關鍵零部件的設計方案進行詳細的分析，并指出設計要素。

1-燃油箱總成；2-加油管總成；3-加油口蓋；4-蒸發管路；5-炭罐總成；6-油箱后吊帶；7-燃油泵；8-油箱前吊帶；9-供油管路；10-汽油濾清器
圖1供油系統的結構
1.1燃油箱總成的設計
燃油箱總成是燃油系統的關鍵件，分為金屬燃油箱及塑
料燃油箱兩種。為滿足法規第六階段的要求，塑料燃油箱的關鍵設計要素如下：
1.1.1塑料燃油箱為六層結構材料
由內向外分別為內層、粘合層、阻隔層、粘合層、回料層和外層[5]。其中油箱阻隔層EVOH的厚度與國五油箱相比有所增加，并需保證阻隔層的連續性，使油箱殼體的滲透值較低。
1.1.2油箱上的閥體有GRV、FLVV和ICV
根據油箱的大小和布置位置不同，GRV有時可不用。閥體均采用雙層注塑材料，內層由POM保證阻隔性，外層使用HDPE保證與油箱的焊接性能。其中FLVV是油箱上的重要部件，不僅要保證排放滲透值，還需保證達到設計的關閉高度，以控制油箱的加油量。同時在OBD檢測對供油系統抽真空時，FLVV閥體還需保證一定的流量來滿足OBD的檢測要求。
1.1.3油箱上安裝油泵的泵口采用cam-lock型式鎖緊結構
泵口的密封采用含氟量大于70%的FKM材料O型圈，泵口處與O型圈配合的密封溝槽的設計尺寸按照SEAJ2587標準執行，以保證O型圈的壓縮比，實現低滲透。安裝油泵的裝配步驟如圖2所示。

圖2安裝油泵的裝配步驟
①將O型圈裝配在密封溝槽中；
②正確裝配油泵，注意安裝方向；
③裝入cam-lock卡盤，順時針旋轉到位。
金屬燃油箱相對于塑料燃油箱不存在油箱本體蒸發排放問題，并且可以將GRV、FLVV閥體集成在油泵法蘭上或者置于金屬油箱內部；ICV閥同樣也內置在油箱中；油泵安裝型式與塑料油箱相同，均采用cam-lock卡盤安裝方式。這樣整個金屬燃油箱的蒸發排放僅存在于泵口一個位置。
因此總體來說，國六金屬燃油箱蒸發排放易于控制，技術方案可行性高，工藝成熟、簡單。且開發階段不需要進行油箱老化后的蒸發排放試驗，縮短油箱的開發周期并節約開發成本。
1.2燃油泵的設計
燃油泵采用大尺寸法蘭盤，盡可能將傳感器、閥等零部件集成在油泵上。如圖2為例，圖中油泵就集成了監測油箱壓力的壓力傳感器，結構簡單、緊湊，同時方便供應商管理。
1.3管路設計
管路采用低滲透的多層材料，由內向外分別為PA12/粘合層/PA6/阻隔層/PA6。管路的所有連接處均帶有O型圈密封結構，以降低系統排放；相比國五系統，為實現低排放性能，國六管路應盡量避免使用橡膠管路，以便降低成本，提高裝配性。
1.4炭罐總成的設計
為滿足國六法規要求，燃油蒸氣全部由炭罐吸附，不能排出到大氣中，炭罐吸附燃油蒸氣的能力必須大大提高。故需增大活性炭的體積，將炭罐的容積加大到2-3倍[6]。
影響炭罐工作能力的主要因素是活性炭選擇，活性炭的配比不同，炭罐總成的污染物排放值也不同，具體關系見圖3。為滿足排放、車輛成本控制和降低加油時通氣阻力等要求。國六炭罐活性炭型號一般選為BAX1100LD和BAX1500組合，材料必須干燥。

圖3炭罐的排放值與活性炭配比關系
①150BV脫附量&24h熱浸；
②四個炭罐的容積均為2.1L；
③第2種活性炭容積0.3L在通大氣口位置；
1.5加油管總成的設計
加油管采用金屬管為加油主管，無滲透，采用快插尼龍管為循環管，低滲透，與油箱連接端的加油軟管采用NBR/THV815/NBR/CSM材料，其中THV815為阻隔燃油滲透材料。
2 涉及車載加油油氣回收系統設計
車載加油油氣回收系統在國六法規中是新增要求，要求加油過程中產生的燃油蒸氣必須經過炭罐回收凈化，不能直接從加油管口排到大氣中，在加油過程中蒸發污染物排放量不得超過0.05g/L。
加油試驗時，是在油箱里有死油的情況下進行加油，先往油箱里加10%額定容積的國六汽油，再加85%額定容積的國六汽油。如在加油過程中，加油槍跳槍時，加油量沒有達到標準要求，則加油污染物排放試驗只能中斷，試驗無法通過；或者加油跳槍次數過多，蒸發污染物排放值超標，試驗也無法通過。
為使試驗順利進行并且試驗結果合格，需考慮以下三個設計要素：
2.1加油主管的設計需要保證液封且加油順暢，不能提前跳槍加油污染物排放限值不超過0.05g/L，則在加油過程中加注管內必須實現液封，產生的燃油蒸氣不能將排入大氣中，而是被炭罐吸附，試驗才能通過。因此要減小加油管的內部管徑實現液封，內徑尺寸設計為φ25.4mm，液封位置在距離油箱較近的加注管中下部。?
加油順暢性主要受到?個參數的影響，參數對應加注管上的位置見圖4。
①首段直管長度；
②首段直管與水平面夾角
③首段直管與第二段直管的夾角
④首段彎管半徑
⑤加油口管口到ICV中心的Z向高度

圖4參數對應加注管上的位置
2.2加油產生的燃油蒸氣必須快速的從炭罐及管路系統中排出

圖5國六系統                圖6國五系統
此要求需要蒸氣通路上的零部件具備盡量小的壓降性能，包括油箱上的加油控制閥（FLVVorMFCV）的要達到一定的流量；油箱到炭罐的蒸發管路和炭罐到電磁閥的蒸發管路需要擴大管徑，內徑由原來的φ6增大到φ10；及炭罐總成的接口尺寸也有原來的φ7.89增大到φ9.89；炭罐則采用壓降更低的柱狀活性炭代替國五時使用的顆粒碳；國五及國六系統對比見圖5和圖6。
2.3炭罐具備足夠的燃油吸附能力
由于加油過程中產生的燃油蒸氣需要通過炭罐回收凈化，不能直接排放到大氣中；炭罐設計需要考慮具備足夠的燃油吸附能力。炭罐的吸附能力評估需要考慮油箱的加油容積，油箱內的燃油蒸氣生成速率，碳粉的工作能力及安全系數；由于加油過程中蒸氣迅速進入炭罐，此時的碳粉工作能力約為晝間行車時工作能力的65%。
加油時油氣產生的速率是晝間蒸發時速率的幾百倍，見圖7所示，所以炭罐的工作能力以計算ORVR的工作能力為準。一般炭罐容積和工作能力計算公式：
炭罐容積（L）=油箱額定容積×油箱中油氣發生率÷活性炭工作能力
ORVR工作能力（g）=油箱加油量×油箱中油氣發生率×安全系數
EPA工作能力（g）=ORVR工作能力（g）÷65%

圖7油氣產生速率對比
通常來說，炭罐的體積由加油時產生的燃油蒸氣決定，如果可以滿足加油時的蒸氣吸附要求，則2晝間排放炭罐不會飽和。
3 結論
為了人類可持續發展，實現汽車工業的“*”，我們在大力借簽發達國家先進技術的同時，通過不斷的技術革新和完善的法規約束，才能實現令人滿意的成果。因此供油系統的設計改進和優化勢在必行，從而使國內汽車排放水平提升到更高的階梯，希望本文對供油系統的設計分析對業內人員起到借鑒作用。