基于国Ⅵ法规的燃油系统蒸发控制

何彦彬 李长江 刘卫

（长城汽车股份有限公司技术中心；河北省汽车工程技术研究中心）

国家环保部于2016年12月23日发布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》法规（简称国Ⅵ法规），其要求自2020年7月1日起，所有销售、注册车辆应满足国6a要求。该法规关于燃油系统的要求由原来参考欧系法规调整为参考美国标准，整体法规要求将把燃油系统设计带入另一条技术路线；且因实施时间距今仅有2.5年，工程师需尽快具备其设计及开发能力。文章通过对燃油系统主要部件的研究，结合碳氢化合物（HC）测试试验，通过改变燃油系统各零部件材质、结构及炭粉组合方式等方案，使燃油系统各部件的HC渗透量得到有效的控制，从而满足国Ⅵ法规要求。

1 国Ⅵ法规介绍

1）与第五阶段蒸发排放限值相比，在不考虑更加严格的测试条件和程序的情况下，HC的单日昼间排放加上热浸排放限值从2 g/d降至0.70 g/次[1]11，标准限值加严了65%。如果考虑到测试程序的严格程度也在提高，预测第六阶段法规对蒸发排放的控制要求至少提高80%。

2）整车增加车载燃油蒸发控制系统（ORVR系统）[1]13。此系统要求燃油系统HC的蒸发须满足0.05 g/L（累加劣化修正值0.01 g/L）的限值要求。

3）整车增加燃油系统泄露在线检测系统（OBDII）[1]270，对燃油系统密封性实施行车监测，如果监测到超过泄漏阀值，将点亮仪表OBD故障灯。

4）整车增加16万km耐久性要求[1]20。对燃油系统零部件构成提出更高的可靠性要求。

2 第五阶段与第六阶段法规燃油系统变化点对比

燃油系统第六阶段与第五阶段的设计差异，如图1所示。图1b中，红色圈内为第六阶段与第五阶段燃油系统显著部位变化点。

图1 第五阶段与第六阶段法规燃油系统设计对比

1）油箱增加加油截止阀（FLVV阀），代替原加油回气嘴，连接至炭罐总成，起到加油排气作用，如有需求需增加油气分离器（LVS）；

2）油箱ICV阀门增加氟化橡胶（FKM）材质密封圈，避免油箱翻转后炭罐处出现燃油泄漏；

3）炭罐总成体积在原有基础上加大2倍以上，满足加油过程中HC呼出限值要求；

4）燃油系统各部件采用低HC渗透设计方案，减少因材料原因导致的HC渗透；

5）调整加油管直径，使用8 mm内径循环管路取代加油通气管；

6）通过调整各部件材质及进行表面处理，提升部件的可靠性及耐用性，以满足整车16万km耐久要求。

3 燃油系统碳氢化合物蒸发控制

整车HC测试主要监控的是，整车热浸排放及2昼夜排放限值（取其最大值）相加的总和不能超过0.7g/次。整车主要的HC蒸发位置有4处，如图2所示。

图2 整车碳氢化合物（HC）蒸发位置示意图

3.1 燃油箱总成主要采取措施

基于油箱20周HC老化渗透试验，对燃油箱总成采取3种主要措施。

1）增加阻隔层厚度[2]。燃油箱层材料分布及每层材料占油箱总壁厚的百分比，如图3所示，将阻隔层厚度由总壁厚的1.5%升级到3%，可以使油箱壳体的HC渗透量有5 mg/（m2·d）的下降。

图3 燃油箱层材料分布图

2）将所有焊接阀门升级为双层注塑阀门（简称2K阀），主要涉及阀门有ICV阀、ROV阀及FLVV阀。预期采用2K阀后，每个阀门HC渗透量可以下降19mg/d。

另外可以将所有阀门内置于燃油箱，如图4所示，彻底消除因阀门导致的油箱HC渗透，但此技术对油箱工艺要求较高，需要增加工装设备在油箱吹塑过程中将阀门放入油箱内部，且油箱模具需制作相应结构特征来配合阀门的固定。在燃油系统分配限值允许的前提下，暂不推荐采用该方法。

图4 阀门内置于油箱图

3）调整燃油箱油泵固定法兰及密封圈。图5示出燃油泵法兰密封结构调整前后对比。由原来的高密度聚乙烯（HDPE）锁紧法兰调整为金属卡盘式结构，从而避免因HDPE法兰加工公差、材料变形及安装误差导致的HC渗透。

图5 燃油泵法兰密封结构调整前后对比

密封圈材质也由原NBR（丁腈橡胶）或EPDM（三元乙丙橡胶）的Y型圈变更为FKM的O型圈，利用FKM的高阻隔性及优良的耐油性能，防止燃油的HC渗透。且通过密封圈形状的变化，一方面提升了密封性（由原面密封调整为类线型密封）；另一方面降低了材料的使用量，缓解了因材质变化导致的成本压力。

通过以上的调整，可以将HC渗透量由100 mg/d下降到4 mg/d。

3.2 炭罐总成应对措施

3.2.1 体积计算

由于整车加严昼夜HC测试，由原来的1昼夜测试变更为2昼夜测试，且燃油系统增加ORVR系统要求，故炭罐的总体积需加大，可以参照以下公式进行初步测算。

参考美国ORVR的设计经验，一般加油过程中会以1.4 g/L左右的速率产生燃油蒸气。采用液封式加油管系统并匹配燃油蒸气循环管可以将产生速率降低15%左右。

同时炭粉能力的利用效率不但和加油速率有关，而且和炭罐的结构也强相关，其中圆桶结构腔里的炭粉能力利用率最高。此外燃油蒸气在炭罐中路径的延长可使蒸气在溢出过程中更多地接触柱状碳，提升燃油蒸气的被吸附率，因此在满足流阻的前提下增加长径比可显著提升柱状碳能力的利用率[3]。如炭罐结构设计合理，在加油过程中柱状碳能力的利用率可达60%以上。

3.2.2 体积缩小方案

为满足日益紧张的整车空间要求，且满足设定的丁烷的工作能力，可以通过填充工作能力更强的炭粉，来缩小炭罐的体积，但同时相应的炭粉成本也将增加。

在相同的丁烷工作能力下，采用BAX1100LD型炭粉，炭罐体积为2.1 L，质量为672 g；采用BAX1500型炭粉，炭罐体积将下降至1.7 L，同时质量下降至493 g；当采用BAX1700型炭粉时，炭罐体积下降至1.5 L，同时质量下降至450 g。

3.2.3 排放控制

由于国内车型普遍采用小型增压式发动机，当运行在第六阶段法规下的路况时，其脱附空气抽取能力较弱。在脱附流量提升有限时，可以通过不同规格的柱状碳分层布置，优先提升通气口位置柱状碳的再生率，来降低炭罐通气口的燃油蒸气逸出量。部分炭粉组合方案，如图6所示。

图6 2昼夜排放测试炭罐采用不同炭粉组合后HC呼出量对比

3.3 燃油管路升级方案

采用2种方案对燃油管路进行升级。

1）管路接头。在燃油管用快插接头与管路配合部位增加O型FKM密封圈，HC渗透量可由原来的2 mg/d下降至0。

2）燃油管体。尼龙管由原单层管路调整为多层管路，HC渗透量可以下降至0.05 g/（m2·d）。

橡胶管路由原来的NBR+PVC结构，调整为增加FKM或THV（FTPV）阻隔层管路结构，从而将其HC渗透量由原来的40 g/（m2·d）降低至6 g/（m2·d）。

加油管总成推荐采用金属管路为基础材质。利用金属的HC零渗透特性，使加油管总成实现零渗透。

4 结论

文章对采用不同材质的相同零部件及采用相同材质不同结构设计的零部件HC渗透进行了试验比对分析；采用2昼夜HC呼出试验，对炭罐采用不同炭粉组合方案进行验证。经过试验分析得出，燃油系统部件降低碳氢渗透可以采取的方案为：采用高阻隔性材料和优化设计，实现汽油HC渗透量的降低；对炭罐采用不同炭粉组合的方案可以实现低质量、小体积与高工作能力的设计方案。