浅析应对国Ⅵ排放标准的塑料燃油箱

陈 强，黄卫华，马国祥，穆海宁，范 标

浅析应对国Ⅵ排放标准的塑料燃油箱

陈 强1，黄卫华2，马国祥1，穆海宁1，范 标1

(1.安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，合肥 230601；2.合肥华昌汽车部件有限公司，合肥 230601)

简介燃油蒸发排放对环境的危害,分析了国Ⅵ与国Ⅴ排放标准的区别和塑料燃油箱的特点，重点阐述影响塑料燃油箱燃油蒸发排放的因素和应对国Ⅵ标准的塑料燃油箱设计的可行措施。

国Ⅵ排放标准；塑料燃油箱；燃油蒸发排放

燃油蒸发排放污染是指从汽油车燃油系统向大气中逸散出的汽油蒸发产生的污染，主要成分是HC，是机动车排放污染物的重要组成[1-2]。HC在阳光的作用下会发生一系列光化学反应生成臭氧、醛等有害物质，形成光化学烟雾，会对人体的健康造成极大的伤害[3-6]。以往，我国排放法规主要以欧洲排放法规为蓝本，对汽车排放的管控重点主要集中在尾气排放，而对于燃油蒸发排放的控制要求有所欠缺[7]。随着近年来环境的逐年恶化，对燃油蒸发排放控制的要求已经越来越迫切，国Ⅵ标准的发布直接标志着对燃油蒸发排放进入了严格控制阶段。

1 国Ⅵ标准的Ⅳ型试验要求

国Ⅵ标准将Ⅳ型试验指标按照车型及测试质量进行了区分，如表1所示[7-8]。与国Ⅴ标准相比，蒸发排放指标加严了40%～65%。表1中所述的第一类车是指设计成员数不超过6人（包括驾驶员），且最大总质量≤2.5 t的M1类车；第二类车是指除第一类车以外的其他所有最大总质量不超过3.5 t的M1类、M2类和N1类车辆。通过表1对比可以发现，国Ⅵ标准对大尺寸五座车型的要求是最为严格，此类车型多为大排量轿车或SUV车型。

表1 Ⅳ型试验要求对

国Ⅵ标准不仅对Ⅳ型试验的评价指标进行了加严，而且还提出了更加苛刻的热浸测试条件和昼夜换气测试条件，如表2所示。国Ⅵ标准Ⅳ型试验的总结果计算大致与国V相同，测试过程采用SHED密闭室法，按照热浸试验时HC排放质量与昼夜换气试验时HC排放质量的总和进行指标评价。国Ⅵ标准的昼夜换气试验结果计算与国Ⅴ不同，采用的是连续试验两天后分别记录第一天和第二天的试验数值，并取最大的值作为最终结果。热浸试验的温度也由23～31℃提升到了33～41℃，汽油的挥发性会随着温度的上升而提升[9]。

表2 Ⅳ型试验部分过程条件对比

2 塑料燃油箱蒸发排放影响因素及应对措施

2.1 塑料燃油箱本体结构分析

目前，我国汽油塑料燃油箱普遍采用六层吹塑共挤工艺，六层结构主要由外层、研磨层、粘结层、阻隔层、粘结层和内层组成[10]。外层与内层材料为高密度聚乙烯（HDPE），分别占厚度比重约为20%和30%左右；研磨层为燃油箱生产的箱体回料，占油箱厚度的比重为40%~50%，研磨层的应用既增加了燃油箱的结构强度又降低了生产成本；阻隔层材料为乙烯乙烯醇共聚物（EVOH），占油箱厚度的比重为1%~4%；粘结层采用线性低密度聚乙烯（LLDPE）材质，主要起到黏连HDPE和EVOH的作用。

塑料燃油箱的六层结构中对燃油蒸发排放起阻隔作用的主要是EVOH阻隔层，EVOH阻隔层的厚度占比决定了塑料燃油箱的燃油渗透值。图1为某供应商提供的塑料燃油箱燃油透测试数据，试验用塑料燃油箱额定容积为47 L，油箱平均壁厚6 mm，油箱表面无任何焊件，测试温度40℃，老化处理20周，每4周换一次油。从图1来看，塑料燃油箱的燃油渗透值会随着EVOH阻隔层厚度占比增加而降低，会随着EVOH中乙烯的摩尔百分比降低而降低，说明使用乙烯含量低的EVOH阻隔性更好。当测试燃油由E0（不含乙醇的汽油）改为E10（含10%乙醇的汽油，乙醇分子小，渗透性更强）时，塑料燃油箱的燃油渗透值会大幅提升。但是，无论测试燃油是E0还是E10，EVOH阻隔层厚度占比是2%还是4%，塑料燃油箱的燃油渗透值都没有超过10 mg/24 h。

为了满足燃油加注、换气、翻倒安全、安置油泵等功能需求，燃油箱必然会包含加油口单向阀、重力阀、加油限量阀以及油泵安装结构件等。国Ⅴ标准未对燃油蒸发进行严格的要求，这些结构普遍采用开口密封、穿透焊接等方式，且密封圈多采用NBR等低成本材质，焊接部件均用HDPE材料，燃油阻隔性能很低，燃油箱整体的燃油渗透值在300～500 mg/24 h（行业里都是在油箱老化后进行测定），其中这些位置直接贡献了90%以上的燃油渗透值。因此，燃油箱表面的开口数量是影响多层塑料燃油箱燃油蒸发排放水平的主要因素。

图1 塑料燃油箱测试数据

2.2 油泵安装结构分析

油泵安装结构是塑料燃油箱上的最大开口，是塑料燃油箱蒸发排放的主要贡献者。油泵安装结构的主要有锁紧螺母型式和金属卡盘型式，这两种结构的特点对比如表3所示。油泵安装结构的蒸发排放贡献主要取决于燃油泵法兰的阻隔性和所用密封圈的阻隔性，而燃油泵法兰材料普遍采用聚甲醛（POM），属于高阻隔性材料，与塑料燃油箱六层结构阻隔性相当。因此，油泵安装结构燃油蒸发水平主要取决于密封圈的材质的选择。密封圈的材质选择主要有两类：一类是耐油型，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；另一类是耐油阻隔性材料，采用FKM材料，耐油性阻隔性均非常良好，但价格昂贵。

表3 油泵安装结构型式对比

2.3 加油口单向阀、重力阀和加油限量阀结构分析

加油口单向阀、重力阀和加油限量阀虽然功能各不相同，但是对燃油蒸发排放的贡献原理是类似的。油汽分子均是通过油箱的开口经过焊接部件的法兰位置逸出，加油口单向阀、重力阀和加油限量阀的焊接法兰的燃油阻隔能力是影响其蒸发排放水平的主要因素。焊接法兰有两大类，一类是HDPE注塑，如图2所示，其阻隔能力低，但工艺简单、成本低；另一类是两种材质复合注塑2K工艺，如图3所示，其在HDPE表面增加了PA、POM、PPA等阻隔材质，提升法兰的燃油阻隔能力，但其工艺复杂，成本非常高。

图2 HDPE法兰结构

图3 2K法兰结构

2.4 国Ⅵ燃油箱应对措施

国Ⅵ标准只规定了整车的蒸发排放指标，并未直接规定燃油箱的蒸发排放指标，主机厂可以根据自身特点及技术方案确定燃油箱的蒸发排放指标。参考美国加州LEVⅡ标准的设计经验，燃油箱蒸发排放的指标一般设定低于100 mg/24 h，普遍在60～80 mg/24 h之间。

国Ⅵ标准塑料燃油箱的应对方案主要有两种：外焊接式和内焊接式。外焊接式技术方案为传统方案，与国Ⅴ塑料燃油箱结构类似，穿透式焊接部件采用2K工艺法兰，以及油泵安装结构采用FKM密封圈即可。内焊接式塑料燃油箱属于新型油箱工艺，是将阀类部件焊接在燃油箱内部的一种工艺。这种燃油箱只有油泵安装结构和ICV两个开口，可以将塑料燃油箱的燃油渗透值降低至10 mg/24 h以下，能够应对世界上最严格的PZEV标准。同时，内焊接式塑料燃油箱缺点也很鲜明，其制造成本非常高，对设备的工艺、精度控制都有非常严格的要求。因此，如仅应对国Ⅵ标准，更加推荐外焊接式燃油箱。

3 结束语

1）国Ⅵ标准对燃油蒸发排放的要求按照车型、车重进行控制，各挡指标均比国V标准严格，而且国Ⅵ标准的试验过程较国Ⅴ标准更加苛刻。

2）油泵安装结构的密封圈材料，加油口单向阀、重力阀和加油限量阀的焊接法兰结构型式的选择是影响塑料燃油箱蒸发排放水平的主要因素。

3）应对国Ⅵ标准，有外焊接式塑料燃油箱和内焊接式塑料燃油箱两种解决方案，本文推荐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

陈 强(1985-)，男，硕士；工程师；主要从事整车供油系统与冷却系统的设计与研究工作。

修改稿日期:2017-07-10