賴煥萍， 孟平平， 莫 云， 時(shí)武林

(1.廣西汽車集團(tuán)有限公司， 廣西 柳州 545007； 2.柳州工學(xué)院， 廣西 柳州 545616)

為降低油箱內(nèi)壓力，使加油順暢，傳統(tǒng)汽油車在加油時(shí)產(chǎn)生的汽油蒸氣會(huì)通過加油循環(huán)和加油管內(nèi)徑的縫隙排放到大氣中，污染環(huán)境。國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)增加了加油排放污染物測(cè)試(Ⅶ型試驗(yàn))要求，為了收集車輛加油過程中從油箱中揮發(fā)出來的汽油蒸氣，汽車需要安裝車載加油油氣回收(ORVR)系統(tǒng)，以節(jié)約能源和降低蒸發(fā)排放。本文主要論述某客車在原國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)的加油系統(tǒng)上加裝車載加油油氣回收(ORVR)系統(tǒng)，使整車滿足國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)的加油排放要求。

1 ORVR系統(tǒng)配置技術(shù)

1.1 ORVR系統(tǒng)及工作原理

國(guó)Ⅴ汽車加裝ORVR系統(tǒng)主要是在原來的加油系統(tǒng)基礎(chǔ)上對(duì)通氣管、注油管、炭罐、炭罐脫附機(jī)制等方面進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并增加了ORVR配置技術(shù)的FLVV閥、ICV閥。配置ORVR系統(tǒng)的汽車加注汽油時(shí)，油箱中的汽油蒸氣會(huì)被碳罐強(qiáng)制吸收。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后，吸附在碳罐中的油氣會(huì)被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管作為燃料使用。其組成及工作原理如圖1所示。

圖1 ORVR系統(tǒng)組成及工作原理

本文配置ORVR系統(tǒng)的技術(shù)分為兩部分，一是對(duì)原有國(guó)Ⅴ系統(tǒng)部件的改進(jìn)，二是新增部件設(shè)計(jì)。

1.2 原燃油系統(tǒng)部件的改進(jìn)

1.2.1 通氣管的改進(jìn)

為降低油箱內(nèi)的通氣阻力，使炭罐的壓降小于注油管液封頭的壓力，降低在高速加油時(shí)產(chǎn)生的通氣阻力，改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)將油箱到炭罐的吸附管(通氣管)管徑從國(guó)Ⅴ的10 mm增大到15.82 mm；將炭罐到發(fā)動(dòng)機(jī)的脫附管徑從國(guó)Ⅴ的8 mm增大到11.8 mm，加快脫附速率，如圖1所示。

1.2.2 注油管的改進(jìn)

為使加油槍較深地插入到注油管頸部產(chǎn)生文氏管效應(yīng)把空氣吸入形成負(fù)壓，有效防止汽油蒸氣從注油管往外溢出，設(shè)計(jì)注油管時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及參考相關(guān)文獻(xiàn)，當(dāng)注油管管徑為25 mm左右時(shí)有助于注油管形成液封，因此將注油管管徑從國(guó)Ⅴ的34 mm變細(xì)為25.4 mm。

根據(jù)上述方案設(shè)計(jì)好注油管總成的三維模型，對(duì)額定容積為40 L的加油系統(tǒng)進(jìn)行液封CFD分析，結(jié)果如下：① 加油速率為38 L/min時(shí)，在5 s內(nèi)注油管中能形成液封(90%汽油體積分?jǐn)?shù))；② 加油速率為45 L/min時(shí)，加注過程不存在嗆油提前跳槍的問題。

1.2.3 炭罐的改進(jìn)

1) 炭粉改進(jìn)。國(guó)Ⅴ為顆粒炭粉，活性炭型號(hào)為WV-C1100；國(guó)Ⅵ采用柱狀炭粉，活性炭型號(hào)為BAX1100LD。這兩種炭粉在吸附能力上無太大差異，但柱狀炭粉在通氣阻力和耐久性能方面的表現(xiàn)均優(yōu)于顆粒炭粉。

2) 炭罐內(nèi)部壓降改進(jìn)。由于油箱內(nèi)的蒸氣與炭罐相通，如果炭罐的壓降大于注油口封頭的壓力，加油槍就無法加進(jìn)油，因此需要選擇背壓小的炭罐。國(guó)Ⅴ炭罐背壓一般要求≤0.98 kPa@10 L/min，而國(guó)Ⅵ炭罐背壓要求≤1 kPa@60 L/min。

3) 炭罐容積改進(jìn)。為保證炭罐能盡可能多地吸附油氣，炭罐改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)盡量增大容積，國(guó)Ⅴ一般≤1 L，國(guó)Ⅵ為2～2.5 L。計(jì)算公式如下：

式中：為加油時(shí)的蒸氣生成速率，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取1.5 g/L；為油箱因素，與油箱形狀有關(guān)，一般為0.95～1.05；0.9為加油量(油箱容積的90%)；為活性炭充填率等參數(shù)基于老化的安全系數(shù)，取 1.1～1.2；本文所選1100型活性炭炭罐的ORVR工作能力為 35～40 g/L，取35 g/L。

設(shè)計(jì)車輛油箱的額定容量為40 L，則車輛配置ORVR的炭罐容積：

=(1.5×1.05)×(40×0.9)×1.2/35=1.944(L)

考慮炭罐炭床長(zhǎng)寬比的影響，對(duì)炭罐容積進(jìn)行修正，增大10%的安全系數(shù)，則炭罐的容積應(yīng)為=1.944×1.1=2.14(L)，最終方案是炭罐容積從國(guó)Ⅴ的1 L增大到國(guó)Ⅵ的2.2 L,這樣既滿足性能要求又比較經(jīng)濟(jì)。

1.2.4 炭罐的脫附機(jī)制改進(jìn)

炭罐的脫附控制由發(fā)動(dòng)機(jī)ECU標(biāo)定來實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過測(cè)試，發(fā)現(xiàn)大量的汽油蒸氣被脫附后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒，會(huì)沖擊原來已經(jīng)標(biāo)定好的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)和空燃比，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。如果標(biāo)定得不精確，會(huì)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火、排放惡化、整車運(yùn)行不正常等情況，為此ECU針對(duì)炭罐脫附流量加大后的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行精確的標(biāo)定，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作及國(guó)Ⅵ的加油排放要求。主要進(jìn)行如下標(biāo)定改進(jìn)工作：

1) 國(guó)Ⅴ的蒸發(fā)排放和加油排放限值要求較低，一般在高速時(shí)才對(duì)炭罐脫附進(jìn)行控制，因此發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的標(biāo)定主要針對(duì)高速工況；而國(guó)Ⅵ幾乎要求所有的工況都需要脫附，同時(shí)又要保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作平穩(wěn)，因此發(fā)動(dòng)機(jī)ECU需要針對(duì)實(shí)際道路行駛工況進(jìn)行精細(xì)標(biāo)定。

2) 采取比國(guó)Ⅴ更長(zhǎng)的炭罐控制閥的開啟時(shí)間來控制國(guó)Ⅵ炭罐的脫附率。除不開空調(diào)的怠速不進(jìn)行脫附外，其他時(shí)刻均有不同占空比的脫附量，包括開啟空調(diào)的怠速都要進(jìn)行炭罐的脫附。

1.3 ORVR系統(tǒng)新增部件設(shè)計(jì)

1.3.1 新增FLVV閥設(shè)計(jì)

為了將加油時(shí)產(chǎn)生的油氣強(qiáng)制進(jìn)入炭罐，將國(guó)Ⅴ油箱的排氣閥(如圖2(a)所示)取消，新增FLVV閥(如圖2(b)所示)。

設(shè)計(jì)FLVV閥時(shí)使其具有以下功能：

1) 低阻力的防溢出功能。保證加油時(shí)油面的關(guān)閉高度，從而控制燃油箱的加油量，防止燃油進(jìn)入炭罐，引起炭罐工作能力降低和通氣阻力增大。國(guó)Ⅴ的排氣閥沒有此功能。

2) 排氣功能。將加油所產(chǎn)生的油氣排向炭罐，降低油箱內(nèi)的壓力，滿足車輛運(yùn)行過程中加油順暢的要求。

3) 降低炭罐載荷功能。將從油箱到加油管口的排氣管設(shè)計(jì)為直徑較小的循環(huán)管來減少油氣的生成，降低炭罐載荷，防止炭罐滿負(fù)荷或被擊穿。圖1中的循環(huán)管徑從國(guó)Ⅴ的10 mm減小為6 mm。

4) 保證一定流量的功能。FLVV閥體設(shè)計(jì)一個(gè)小孔，當(dāng)OBD檢測(cè)對(duì)供油系統(tǒng)抽真空時(shí)，可以保證一定的流量來滿足OBD的檢測(cè)要求。國(guó)Ⅴ的排氣閥沒有此功能。

1.3.2 新增ICV閥設(shè)計(jì)

國(guó)Ⅴ加油系統(tǒng)僅在油箱進(jìn)油口處安裝一般的單向閥(如圖2(a)所示)，單向閥安裝在油箱和注油管之間，以防止在加油結(jié)束后燃油因受壓力作用而從油箱流出。但由于其外圓與注油管配合處無密封圈，可能會(huì)有少量油氣或燃油從單向閥與注油管的配合間隙中溢出。而國(guó)Ⅵ配置ORVR系統(tǒng)時(shí)，將此單向閥取消，新增一個(gè)ICV止回閥(防回流單向閥)。該閥外圓與注油管配合處有密封圈，可有效阻止油氣或燃油溢出。另外，加油時(shí)ICV閥還可協(xié)助注油管內(nèi)形成液封，進(jìn)一步阻止油氣或燃油溢出。如圖1所示。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 炭罐脫附量標(biāo)定的驗(yàn)證試驗(yàn)

對(duì)標(biāo)定樣車和炭罐按國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)要求，進(jìn)行38 ℃行駛預(yù)處理循環(huán)41 min的炭罐脫附量測(cè)試，測(cè)量試驗(yàn)前后的炭罐重量得出脫附量為132 g。該脫附量接近炭罐工作能力133 g，表明炭罐脫附量標(biāo)定可以保證炭罐在加油過程中有足夠的能力來吸附汽油蒸氣。

2.2 加油驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證新設(shè)計(jì)的注油管及ICV閥的液封效果，把注油管靠近油箱進(jìn)油口的橡膠管更換為透明橡膠管，用國(guó)Ⅵ的加油槍進(jìn)行加油試驗(yàn)。在加油過程中，觀察透明的橡膠連接管處，可以看到能形成很好的液封。對(duì)兩次加油過程中炭罐吸附的油氣量進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表1。

表1 兩次加油前后炭罐的質(zhì)量變化情況 g

汽車所匹配的油箱是40 L，炭罐的工作能力是133 g，加油過程中油氣的蒸發(fā)量為45 g左右，炭罐的能力是足夠的，不會(huì)出現(xiàn)炭罐被擊穿油氣溢出的問題。

2.3 整車Ⅶ型加油排放試驗(yàn)

經(jīng)過以上摸底試驗(yàn)，將標(biāo)定數(shù)據(jù)穩(wěn)定后的車輛交由第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行整車Ⅶ型加油排放型式試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果為0.029 8 g/test，經(jīng)劣化系數(shù)0.01 g/test修正后為0.039 g/test，低于法規(guī)限值0.05 g/test，滿足要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了國(guó)Ⅴ加油系統(tǒng)改進(jìn)技術(shù)方案，經(jīng)驗(yàn)證該方案滿足國(guó)Ⅵ加油排放試驗(yàn)的要求，對(duì)同行有一定的指導(dǎo)意義。