基于国六法规的燃油系统蒸发排放解决方案

秦昊，周维，王雷，赵闯，赵群，夏雁冰

（华晨汽车工程研究院动力总成综合技术处，辽宁 沈阳 110141）

前言

为了加强对机动车排放污染物控制，改善空气质量，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），要求自2020年7月1日起，所有销售，注册车辆应满足国Ⅵ要求[1]。该法规对燃油系统的要求由原来国Ⅴ参考欧系法规调整为参考美国标准，完全改变燃油系统设计思路及路线，中国行业内缺乏开发经验，且技术升级周期短，急需各企业具备其开发能力。文章结合实际项目开发经验，总结出满足国Ⅵ法规的燃油系统蒸发排放解决方案。

1 国Ⅵ法规介绍

我国轻型汽油车自2000年实施国Ⅰ排放标准以来，经过15年的发展，目前，全国范围内已经全面实施国Ⅴ排放标准。但国Ⅴ法规采用要求较低的欧洲标准，据估测目前的汽油车年均油气挥发 8.8kg/辆，而在法规更加严苛的美国，整车年蒸发排放值仅为 0.5kg/辆[2]。因此，即将实施的国Ⅵ法规加严了对蒸发污染物排放的控制要求，同时还要求车辆加装车载加油油气回收系统（ORVR）。

与国Ⅴ蒸发排放限值相比，即便不考虑加严的测试循环和条件，国六蒸发排放限值为 0.7g/test，比原国Ⅴ限值的2g/test[3]加严了 65%，测试时间为国Ⅴ时的 2倍。且加严值基本需要由燃油系统完成，如表1所示，据经验，燃油系统的排放水平需要控制在国Ⅴ时的25%以下，对蒸发排放控制水平提出了更高的要求。

新增ORVR要求，ORVR是一种车辆排放控制系统，它要求供油系统能够收集加油过程中从油箱中挥发出来的燃油蒸气，在避免了大气污染的同时也节约了能源。根据美国实施ORVR的经验，ORVR可以回收98%的加油蒸发损失，大大减少了汽油车燃油系统挥发性有机物的排放，对改善大气环境意义重大。

文章针对燃油系统蒸发排放的解决方案进行说明。

表1 国Ⅴ与国Ⅵ蒸发排放限值对比

2 燃油系统蒸发排放控制方案

整车蒸发排放测试主要监控的是，整车1小时热浸排放及2昼夜排放限值（取24小时最大值）相加的总和不能超过0.7g/test。整车主要的排放来源可分为燃油系统，动力总成和非燃料系（轮胎，内外饰，油漆及胶粘剂等），各主机厂需根据车型实际情况确定限值分配策略。考虑到燃油系统排放主要来源于燃油箱总成，基于沿用国Ⅴ燃油箱生产工艺的前提，将燃油系统排放限值设定为0.25g/test，各零部件限值分配如图1所示。

图1 国Ⅵ燃油系统限值分配

2.1 燃油箱总成控制方案

采用3种方案控制燃油箱总成排放。

1）增加阻隔层（EVOH）厚度

塑料燃油箱壳体通常采用高分子量聚乙烯（HDPE）作为基材，中间添加阻隔层以降低燃油渗透排放。目前典型结构为6层，即HDPE层/粘结层/阻隔层/粘结层/回料层/HDPE层，其中HDPE作为内外层，起成型，加强等作用；阻隔层采用较强阻隔作用的树脂，常用EVOH材料；粘结层对HDPE层和阻隔层起粘结作用。所以，降低塑料燃油箱总成的渗透性，主要考虑增加阻隔层成分比例[4]。综合成本因素，国Ⅴ燃油箱EVOH层比例通常控制在 1.5%，国Ⅵ燃油箱需要增加到2.5%以上，建议增加到3%。同时，燃油箱制造必须保证EVOH层的连续性，考虑20周老化后，阻隔层不能出现断层。

2）采用特殊材料阀体，控制阀体焊接处排放

将燃油箱上所有阀体升级为双层注塑阀体（简称2K阀），内层采用POM材料保证阻隔性，外层采用HDPE材料保证和油箱壳体的焊接性能，涉及阀体有 ICV，ROV及 FLVV（MFCV）。

同时，在保证燃油箱通气性能的前提下，设计时需要尽量考虑减少燃油箱表面的开孔数量，即 ROV阀体数量，可以更有效的控制燃油箱总成排放。

另外如果将阀体内置于燃油箱内部，可以彻底消除因阀体开孔导致的渗透，但此技术对塑料燃油箱生产工艺要求很高，在燃油箱总成分配限值允许的前提下，不推荐采用此方案。但金属油箱制作工艺不同，阀体内置的方案比较容易实现。如图2所示，金属油箱采用阀体内置方案可以将燃油箱总成排放控制在15mg/test以下。

图2 金属燃油箱阀体内置方案

3）更改燃油泵安装方式

如图3所示，国Ⅴ燃油泵采用锁紧法兰的形式安装，出于法兰加工公差，材料变形，安装误差等因素，排放控制困难。国Ⅵ安装方式调整为图4中的金属卡盘结构，同时密封圈也由原来的NBR变更为FKM的O型圈，建议FKM的氟含量控制在69%以上。

图3 国Ⅴ锁紧法兰安装结构

图4 国Ⅵ金属卡盘安装结构

通过以上3项调整，塑料燃油箱的排放水平可以控制在70mg以下，金属燃油箱可以控制在15mg以下，满足国Ⅵ法规要求。

2.2 加油管路总成控制方案

加油管总成建议采用金属材质，实现零渗透。如果排放限值分配充裕，也可以采用塑料吹塑加注管。塑料加注管和燃油箱采用相同材料结构，通过 EVOH阻隔层控制排放性能，不过其渗透大于金属材料且工艺较复杂，一般不推荐使用。

加注管与燃油箱连接橡胶管路材料由国Ⅴ的 NBR或FKM调整为THV或CPT阻隔层结构，将排放量降低到10mg以下。

管路系统采用低渗透的多层尼龙材料及带O型FKM密封圈的快插连接结构来降低系统排放；相比国五系统，国六管路应尽量避免使用橡胶管路，因为可以实现低排放性能的橡胶管路成本非常高，且装配性较差。

2.3 碳罐总成控制方案

碳罐设计需要考虑以下3个参数，通过优化3个参数间的关系，可以有效控制碳罐排放。

2.3.1 碳罐工作能力

国Ⅵ法规碳罐工作能力由ORVR系统决定，可以参照以下公式进行计算。

碳罐工作能力=燃油箱额定容积x0.9x蒸气生成率x安全系数

参考美国ORVR设计经验，一般加油过程中的蒸气生成率在1.1～1.5g/L之间，初期可以使用1.4g/L进行计算，后期依据实际试验数值进行调整。安全系数建议使用1.1数值。

2.3.2 碳罐容积及碳粉配比

碳罐容积大小取决于采用活性炭型号的工作能力。在相同的碳罐工作能力下，可以通过填充工作能力更强的碳粉来缩小碳罐容积[5]。与采用BAX1100LD型碳粉相比，BAX1500型碳粉可以减小碳罐容积约20%，BAX1700型碳粉可以减小近30%。适当的减小碳罐容积对碳罐排放有利，但相应的碳粉成本也将增加。

如图5所示，通过不同规格的碳粉分层布置，优先提升碳罐通大气口处碳粉的再生率，同样可以降低碳罐的排放。

图5 不同碳粉组合与碳罐排放的关系

2.3.3 整车脱附能力

碳罐的排放性能并不完全由碳罐本身决定，还取决于整车的脱附能力，即国Ⅵ测试预处理行驶循环下的碳罐脱附体积[6]。碳罐设计需要避免 breakthrough的发生，但 bleed emissions的多少取决于碳罐脱附体积，如图6所示，碳罐脱附体积越大，碳罐排放值越低。

图6 碳罐脱附体积与碳罐排放的关系

Breakthrough：碳罐饱和，吸附能力达到临界点；

Bleed emissions：并非由于碳粉中的碳氢化合物饱和引起，在breakthrough之前发生。

国六车型开发时，需要考虑尽可能增大整车脱附能力，如发动机端增加文丘里管等措施，一般整车脱附能力要求大于200倍碳罐容积。

5 结论

文章通过分析燃油系统主要零部件燃油箱总成，加注管总成和碳罐总成在蒸发排放方面的影响，提出了各零部件详细的优化方向并推荐了部分国Ⅵ方案。各车型开发可以结合自身实际情况，成本等因素，选择性确定国Ⅵ方案。燃油系统国Ⅵ蒸发排放性能升级主要体现在采用高阻隔性材料，优化设计及制造工艺提升，其中相对国Ⅴ法规，对制造工艺的一致性控制提出了更高的要求。

[1] GB 18352.6-2016,轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）[S].

[2] 王小臣.欧美轻型车蒸发排放法规的异同分析[J].北京汽车,2013（5）：1-7.

[3] GB 18352.5-2013,轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五阶段）[S].

[4] 朱芝培.国内外汽车用塑料的现状和展望[J].化工新型材料,2001（5）：9-12.

[5] 石磊.汽车燃油蒸发排放控制系统[J].汽车工程师,2013（1）：50-52.

[6] 李国良.汽车蒸发排放控制技术的研究[J].机械工程学报,2002（8）：147-150.