何彥彬 李長(zhǎng)江 劉衛(wèi)

（長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心；河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

國(guó)家環(huán)保部于2016年12月23日發(fā)布了《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》法規(guī)（簡(jiǎn)稱國(guó)Ⅵ法規(guī)），其要求自2020年7月1日起，所有銷售、注冊(cè)車輛應(yīng)滿足國(guó)6a要求。該法規(guī)關(guān)于燃油系統(tǒng)的要求由原來參考?xì)W系法規(guī)調(diào)整為參考美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，整體法規(guī)要求將把燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶入另一條技術(shù)路線；且因?qū)嵤r(shí)間距今僅有2.5年，工程師需盡快具備其設(shè)計(jì)及開發(fā)能力。文章通過對(duì)燃油系統(tǒng)主要部件的研究，結(jié)合碳?xì)浠衔铮℉C）測(cè)試試驗(yàn)，通過改變?nèi)加拖到y(tǒng)各零部件材質(zhì)、結(jié)構(gòu)及炭粉組合方式等方案，使燃油系統(tǒng)各部件的HC滲透量得到有效的控制，從而滿足國(guó)Ⅵ法規(guī)要求。

1 國(guó)Ⅵ法規(guī)介紹

1）與第五階段蒸發(fā)排放限值相比，在不考慮更加嚴(yán)格的測(cè)試條件和程序的情況下，HC的單日晝間排放加上熱浸排放限值從2 g/d降至0.70 g/次[1]11，標(biāo)準(zhǔn)限值加嚴(yán)了65%。如果考慮到測(cè)試程序的嚴(yán)格程度也在提高，預(yù)測(cè)第六階段法規(guī)對(duì)蒸發(fā)排放的控制要求至少提高80%。

2）整車增加車載燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)（ORVR系統(tǒng)）[1]13。此系統(tǒng)要求燃油系統(tǒng)HC的蒸發(fā)須滿足0.05 g/L（累加劣化修正值0.01 g/L）的限值要求。

3）整車增加燃油系統(tǒng)泄露在線檢測(cè)系統(tǒng)（OBDII）[1]270，對(duì)燃油系統(tǒng)密封性實(shí)施行車監(jiān)測(cè)，如果監(jiān)測(cè)到超過泄漏閥值，將點(diǎn)亮儀表OBD故障燈。

4）整車增加16萬km耐久性要求[1]20。對(duì)燃油系統(tǒng)零部件構(gòu)成提出更高的可靠性要求。

2 第五階段與第六階段法規(guī)燃油系統(tǒng)變化點(diǎn)對(duì)比

燃油系統(tǒng)第六階段與第五階段的設(shè)計(jì)差異，如圖1所示。圖1b中，紅色圈內(nèi)為第六階段與第五階段燃油系統(tǒng)顯著部位變化點(diǎn)。

圖1 第五階段與第六階段法規(guī)燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)比

1）油箱增加加油截止閥（FLVV閥），代替原加油回氣嘴，連接至炭罐總成，起到加油排氣作用，如有需求需增加油氣分離器（LVS）；

2）油箱ICV閥門增加氟化橡膠（FKM）材質(zhì)密封圈，避免油箱翻轉(zhuǎn)后炭罐處出現(xiàn)燃油泄漏；

3）炭罐總成體積在原有基礎(chǔ)上加大2倍以上，滿足加油過程中HC呼出限值要求；

4）燃油系統(tǒng)各部件采用低HC滲透設(shè)計(jì)方案，減少因材料原因?qū)е碌腍C滲透；

5）調(diào)整加油管直徑，使用8 mm內(nèi)徑循環(huán)管路取代加油通氣管；

6）通過調(diào)整各部件材質(zhì)及進(jìn)行表面處理，提升部件的可靠性及耐用性，以滿足整車16萬km耐久要求。

3 燃油系統(tǒng)碳?xì)浠衔镎舭l(fā)控制

整車HC測(cè)試主要監(jiān)控的是，整車熱浸排放及2晝夜排放限值（取其最大值）相加的總和不能超過0.7g/次。整車主要的HC蒸發(fā)位置有4處，如圖2所示。

圖2 整車碳?xì)浠衔铮℉C）蒸發(fā)位置示意圖

3.1 燃油箱總成主要采取措施

基于油箱20周HC老化滲透試驗(yàn)，對(duì)燃油箱總成采取3種主要措施。

1）增加阻隔層厚度[2]。燃油箱層材料分布及每層材料占油箱總壁厚的百分比，如圖3所示，將阻隔層厚度由總壁厚的1.5%升級(jí)到3%，可以使油箱殼體的HC滲透量有5 mg/（m2·d）的下降。

圖3 燃油箱層材料分布圖

2）將所有焊接閥門升級(jí)為雙層注塑閥門（簡(jiǎn)稱2K閥），主要涉及閥門有ICV閥、ROV閥及FLVV閥。預(yù)期采用2K閥后，每個(gè)閥門HC滲透量可以下降19mg/d。

另外可以將所有閥門內(nèi)置于燃油箱，如圖4所示，徹底消除因閥門導(dǎo)致的油箱HC滲透，但此技術(shù)對(duì)油箱工藝要求較高，需要增加工裝設(shè)備在油箱吹塑過程中將閥門放入油箱內(nèi)部，且油箱模具需制作相應(yīng)結(jié)構(gòu)特征來配合閥門的固定。在燃油系統(tǒng)分配限值允許的前提下，暫不推薦采用該方法。

圖4 閥門內(nèi)置于油箱圖

3）調(diào)整燃油箱油泵固定法蘭及密封圈。圖5示出燃油泵法蘭密封結(jié)構(gòu)調(diào)整前后對(duì)比。由原來的高密度聚乙烯（HDPE）鎖緊法蘭調(diào)整為金屬卡盤式結(jié)構(gòu)，從而避免因HDPE法蘭加工公差、材料變形及安裝誤差導(dǎo)致的HC滲透。

圖5 燃油泵法蘭密封結(jié)構(gòu)調(diào)整前后對(duì)比

密封圈材質(zhì)也由原NBR（丁腈橡膠）或EPDM（三元乙丙橡膠）的Y型圈變更為FKM的O型圈，利用FKM的高阻隔性及優(yōu)良的耐油性能，防止燃油的HC滲透。且通過密封圈形狀的變化，一方面提升了密封性（由原面密封調(diào)整為類線型密封）；另一方面降低了材料的使用量，緩解了因材質(zhì)變化導(dǎo)致的成本壓力。

通過以上的調(diào)整，可以將HC滲透量由100 mg/d下降到4 mg/d。

3.2 炭罐總成應(yīng)對(duì)措施

3.2.1 體積計(jì)算

由于整車加嚴(yán)晝夜HC測(cè)試，由原來的1晝夜測(cè)試變更為2晝夜測(cè)試，且燃油系統(tǒng)增加ORVR系統(tǒng)要求，故炭罐的總體積需加大，可以參照以下公式進(jìn)行初步測(cè)算。

參考美國(guó)ORVR的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一般加油過程中會(huì)以1.4 g/L左右的速率產(chǎn)生燃油蒸氣。采用液封式加油管系統(tǒng)并匹配燃油蒸氣循環(huán)管可以將產(chǎn)生速率降低15%左右。

同時(shí)炭粉能力的利用效率不但和加油速率有關(guān)，而且和炭罐的結(jié)構(gòu)也強(qiáng)相關(guān)，其中圓桶結(jié)構(gòu)腔里的炭粉能力利用率最高。此外燃油蒸氣在炭罐中路徑的延長(zhǎng)可使蒸氣在溢出過程中更多地接觸柱狀碳，提升燃油蒸氣的被吸附率，因此在滿足流阻的前提下增加長(zhǎng)徑比可顯著提升柱狀碳能力的利用率[3]。如炭罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在加油過程中柱狀碳能力的利用率可達(dá)60%以上。

3.2.2 體積縮小方案

為滿足日益緊張的整車空間要求，且滿足設(shè)定的丁烷的工作能力，可以通過填充工作能力更強(qiáng)的炭粉，來縮小炭罐的體積，但同時(shí)相應(yīng)的炭粉成本也將增加。

在相同的丁烷工作能力下，采用BAX1100LD型炭粉，炭罐體積為2.1 L，質(zhì)量為672 g；采用BAX1500型炭粉，炭罐體積將下降至1.7 L，同時(shí)質(zhì)量下降至493 g；當(dāng)采用BAX1700型炭粉時(shí)，炭罐體積下降至1.5 L，同時(shí)質(zhì)量下降至450 g。

3.2.3 排放控制

由于國(guó)內(nèi)車型普遍采用小型增壓式發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)運(yùn)行在第六階段法規(guī)下的路況時(shí)，其脫附空氣抽取能力較弱。在脫附流量提升有限時(shí)，可以通過不同規(guī)格的柱狀碳分層布置，優(yōu)先提升通氣口位置柱狀碳的再生率，來降低炭罐通氣口的燃油蒸氣逸出量。部分炭粉組合方案，如圖6所示。

圖6 2晝夜排放測(cè)試炭罐采用不同炭粉組合后HC呼出量對(duì)比

3.3 燃油管路升級(jí)方案

采用2種方案對(duì)燃油管路進(jìn)行升級(jí)。

1）管路接頭。在燃油管用快插接頭與管路配合部位增加O型FKM密封圈，HC滲透量可由原來的2 mg/d下降至0。

2）燃油管體。尼龍管由原單層管路調(diào)整為多層管路，HC滲透量可以下降至0.05 g/（m2·d）。

橡膠管路由原來的NBR+PVC結(jié)構(gòu)，調(diào)整為增加FKM或THV（FTPV）阻隔層管路結(jié)構(gòu)，從而將其HC滲透量由原來的40 g/（m2·d）降低至6 g/（m2·d）。

加油管總成推薦采用金屬管路為基礎(chǔ)材質(zhì)。利用金屬的HC零滲透特性，使加油管總成實(shí)現(xiàn)零滲透。

4 結(jié)論

文章對(duì)采用不同材質(zhì)的相同零部件及采用相同材質(zhì)不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的零部件HC滲透進(jìn)行了試驗(yàn)比對(duì)分析；采用2晝夜HC呼出試驗(yàn)，對(duì)炭罐采用不同炭粉組合方案進(jìn)行驗(yàn)證。經(jīng)過試驗(yàn)分析得出，燃油系統(tǒng)部件降低碳?xì)錆B透可以采取的方案為：采用高阻隔性材料和優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)汽油HC滲透量的降低；對(duì)炭罐采用不同炭粉組合的方案可以實(shí)現(xiàn)低質(zhì)量、小體積與高工作能力的設(shè)計(jì)方案。