满足国Ⅵ标准的汽车加油排放控制技术

赖焕萍， 孟平平， 莫 云， 时武林

(1.广西汽车集团有限公司， 广西 柳州 545007； 2.柳州工学院， 广西 柳州 545616)

为降低油箱内压力，使加油顺畅，传统汽油车在加油时产生的汽油蒸气会通过加油循环和加油管内径的缝隙排放到大气中，污染环境。国Ⅵ标准增加了加油排放污染物测试(Ⅶ型试验)要求，为了收集车辆加油过程中从油箱中挥发出来的汽油蒸气，汽车需要安装车载加油油气回收(ORVR)系统，以节约能源和降低蒸发排放。本文主要论述某客车在原国Ⅴ标准的加油系统上加装车载加油油气回收(ORVR)系统，使整车满足国Ⅵ标准的加油排放要求。

1 ORVR系统配置技术

1.1 ORVR系统及工作原理

国Ⅴ汽车加装ORVR系统主要是在原来的加油系统基础上对通气管、注油管、炭罐、炭罐脱附机制等方面进行改进设计，并增加了ORVR配置技术的FLVV阀、ICV阀。配置ORVR系统的汽车加注汽油时，油箱中的汽油蒸气会被碳罐强制吸收。发动机运转后，吸附在碳罐中的油气会被吸入发动机进气管作为燃料使用。其组成及工作原理如图1所示。

图1 ORVR系统组成及工作原理

本文配置ORVR系统的技术分为两部分，一是对原有国Ⅴ系统部件的改进，二是新增部件设计。

1.2 原燃油系统部件的改进

1.2.1 通气管的改进

为降低油箱内的通气阻力，使炭罐的压降小于注油管液封头的压力，降低在高速加油时产生的通气阻力，改进设计时将油箱到炭罐的吸附管(通气管)管径从国Ⅴ的10 mm增大到15.82 mm；将炭罐到发动机的脱附管径从国Ⅴ的8 mm增大到11.8 mm，加快脱附速率，如图1所示。

1.2.2 注油管的改进

为使加油枪较深地插入到注油管颈部产生文氏管效应把空气吸入形成负压，有效防止汽油蒸气从注油管往外溢出，设计注油管时，根据经验及参考相关文献，当注油管管径为25 mm左右时有助于注油管形成液封，因此将注油管管径从国Ⅴ的34 mm变细为25.4 mm。

根据上述方案设计好注油管总成的三维模型，对额定容积为40 L的加油系统进行液封CFD分析，结果如下：① 加油速率为38 L/min时，在5 s内注油管中能形成液封(90%汽油体积分数)；② 加油速率为45 L/min时，加注过程不存在呛油提前跳枪的问题。

1.2.3 炭罐的改进

1) 炭粉改进。国Ⅴ为颗粒炭粉，活性炭型号为WV-C1100；国Ⅵ采用柱状炭粉，活性炭型号为BAX1100LD。这两种炭粉在吸附能力上无太大差异，但柱状炭粉在通气阻力和耐久性能方面的表现均优于颗粒炭粉。

2) 炭罐内部压降改进。由于油箱内的蒸气与炭罐相通，如果炭罐的压降大于注油口封头的压力，加油枪就无法加进油，因此需要选择背压小的炭罐。国Ⅴ炭罐背压一般要求≤0.98 kPa@10 L/min，而国Ⅵ炭罐背压要求≤1 kPa@60 L/min。

3) 炭罐容积改进。为保证炭罐能尽可能多地吸附油气，炭罐改进设计时尽量增大容积，国Ⅴ一般≤1 L，国Ⅵ为2～2.5 L。计算公式如下：

式中：为加油时的蒸气生成速率，根据经验取1.5 g/L；为油箱因素，与油箱形状有关，一般为0.95～1.05；0.9为加油量(油箱容积的90%)；为活性炭充填率等参数基于老化的安全系数，取 1.1～1.2；本文所选1100型活性炭炭罐的ORVR工作能力为 35～40 g/L，取35 g/L。

设计车辆油箱的额定容量为40 L，则车辆配置ORVR的炭罐容积：

=(1.5×1.05)×(40×0.9)×1.2/35=1.944(L)

考虑炭罐炭床长宽比的影响，对炭罐容积进行修正，增大10%的安全系数，则炭罐的容积应为=1.944×1.1=2.14(L)，最终方案是炭罐容积从国Ⅴ的1 L增大到国Ⅵ的2.2 L,这样既满足性能要求又比较经济。

1.2.4 炭罐的脱附机制改进

炭罐的脱附控制由发动机ECU标定来实现，经过测试，发现大量的汽油蒸气被脱附后进入发动机内燃烧，会冲击原来已经标定好的发动机运行参数和空燃比，影响发动机的正常工作。如果标定得不精确，会出现发动机熄火、排放恶化、整车运行不正常等情况，为此ECU针对炭罐脱附流量加大后的发动机参数进行精确的标定，以满足发动机的正常工作及国Ⅵ的加油排放要求。主要进行如下标定改进工作：

1) 国Ⅴ的蒸发排放和加油排放限值要求较低，一般在高速时才对炭罐脱附进行控制，因此发动机ECU的标定主要针对高速工况；而国Ⅵ几乎要求所有的工况都需要脱附，同时又要保证发动机工作平稳，因此发动机ECU需要针对实际道路行驶工况进行精细标定。

2) 采取比国Ⅴ更长的炭罐控制阀的开启时间来控制国Ⅵ炭罐的脱附率。除不开空调的怠速不进行脱附外，其他时刻均有不同占空比的脱附量，包括开启空调的怠速都要进行炭罐的脱附。

1.3 ORVR系统新增部件设计

1.3.1 新增FLVV阀设计

为了将加油时产生的油气强制进入炭罐，将国Ⅴ油箱的排气阀(如图2(a)所示)取消，新增FLVV阀(如图2(b)所示)。

设计FLVV阀时使其具有以下功能：

1) 低阻力的防溢出功能。保证加油时油面的关闭高度，从而控制燃油箱的加油量，防止燃油进入炭罐，引起炭罐工作能力降低和通气阻力增大。国Ⅴ的排气阀没有此功能。

2) 排气功能。将加油所产生的油气排向炭罐，降低油箱内的压力，满足车辆运行过程中加油顺畅的要求。

3) 降低炭罐载荷功能。将从油箱到加油管口的排气管设计为直径较小的循环管来减少油气的生成，降低炭罐载荷，防止炭罐满负荷或被击穿。图1中的循环管径从国Ⅴ的10 mm减小为6 mm。

4) 保证一定流量的功能。FLVV阀体设计一个小孔，当OBD检测对供油系统抽真空时，可以保证一定的流量来满足OBD的检测要求。国Ⅴ的排气阀没有此功能。

1.3.2 新增ICV阀设计

国Ⅴ加油系统仅在油箱进油口处安装一般的单向阀(如图2(a)所示)，单向阀安装在油箱和注油管之间，以防止在加油结束后燃油因受压力作用而从油箱流出。但由于其外圆与注油管配合处无密封圈，可能会有少量油气或燃油从单向阀与注油管的配合间隙中溢出。而国Ⅵ配置ORVR系统时，将此单向阀取消，新增一个ICV止回阀(防回流单向阀)。该阀外圆与注油管配合处有密封圈，可有效阻止油气或燃油溢出。另外，加油时ICV阀还可协助注油管内形成液封，进一步阻止油气或燃油溢出。如图1所示。

2 试验验证

2.1 炭罐脱附量标定的验证试验

对标定样车和炭罐按国Ⅵ标准要求，进行38 ℃行驶预处理循环41 min的炭罐脱附量测试，测量试验前后的炭罐重量得出脱附量为132 g。该脱附量接近炭罐工作能力133 g，表明炭罐脱附量标定可以保证炭罐在加油过程中有足够的能力来吸附汽油蒸气。

2.2 加油验证试验

为了验证新设计的注油管及ICV阀的液封效果，把注油管靠近油箱进油口的橡胶管更换为透明橡胶管，用国Ⅵ的加油枪进行加油试验。在加油过程中，观察透明的橡胶连接管处，可以看到能形成很好的液封。对两次加油过程中炭罐吸附的油气量进行测试，结果见表1。

表1 两次加油前后炭罐的质量变化情况 g

汽车所匹配的油箱是40 L，炭罐的工作能力是133 g，加油过程中油气的蒸发量为45 g左右，炭罐的能力是足够的，不会出现炭罐被击穿油气溢出的问题。

2.3 整车Ⅶ型加油排放试验

经过以上摸底试验，将标定数据稳定后的车辆交由第三方机构进行整车Ⅶ型加油排放型式试验，测试结果为0.029 8 g/test，经劣化系数0.01 g/test修正后为0.039 g/test，低于法规限值0.05 g/test，满足要求。

3 结束语

本文提出了国Ⅴ加油系统改进技术方案，经验证该方案满足国Ⅵ加油排放试验的要求，对同行有一定的指导意义。