浅谈国六供油系统设计

《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（*六阶段）》标准中整车蒸发污染物排放试验限值由第五阶段的2g/test降至0.7g/次[1]，且测试时间为第五阶段要求的2倍，同时增加了车载加油油气回收系统，是一种车辆排放控制系统，它能够收集加油过程中从油箱中挥发出来的燃油蒸气，加油排放限值不得超过0.05g/L[2]。汽车企业需在有限的开发周期内，大限度的节约开发成本，克服开发资源稀缺，开发经验不足等难题的情况下，突破所有的技术壁垒，完成国六供油系统的全新升级，以满足汽车产品的使用要求。针对第六阶段目前的研究有通过测量加油管内油液压力的变化来监控液封状态[3]，以控制加油时污染物的排放，还有供油系统核心部件炭罐的设计要点解析。本文针对蒸发污染物排放和加油污染物排放两方面剖析供油系统的设计。
1 涉及蒸发污染物排放的设计
为了更准确的控制系统限值，需重新对供油系统各个零部件进行了蒸发排放限值分配，并要求每个零部件的排放限值到1mg，如此苛刻的要求对供油系统零部件的设计能力和制造能力均提出了更高的挑战。
供油系统的基本结构[4]如图1所示，下面针对国六供油系统关键零部件的设计方案进行详细的分析，并指出设计要素。

1-燃油箱总成；2-加油管总成；3-加油口盖；4-蒸发管路；5-炭罐总成；6-油箱后吊带；7-燃油泵；8-油箱前吊带；9-供油管路；10-汽油滤清器
图1供油系统的结构
1.1燃油箱总成的设计
燃油箱总成是燃油系统的关键件，分为金属燃油箱及塑
料燃油箱两种。为满足法规第六阶段的要求，塑料燃油箱的关键设计要素如下：
1.1.1塑料燃油箱为六层结构材料
由内向外分别为内层、粘合层、阻隔层、粘合层、回料层和外层[5]。其中油箱阻隔层EVOH的厚度与国五油箱相比有所增加，并需保证阻隔层的连续性，使油箱壳体的渗透值较低。
1.1.2油箱上的阀体有GRV、FLVV和ICV
根据油箱的大小和布置位置不同，GRV有时可不用。阀体均采用双层注塑材料，内层由POM保证阻隔性，外层使用HDPE保证与油箱的焊接性能。其中FLVV是油箱上的重要部件，不仅要保证排放渗透值，还需保证达到设计的关闭高度，以控制油箱的加油量。同时在OBD检测对供油系统抽真空时，FLVV阀体还需保证一定的流量来满足OBD的检测要求。
1.1.3油箱上安装油泵的泵口采用cam-lock型式锁紧结构
泵口的密封采用含氟量大于70%的FKM材料O型圈，泵口处与O型圈配合的密封沟槽的设计尺寸按照SEAJ2587标准执行，以保证O型圈的压缩比，实现低渗透。安装油泵的装配步骤如图2所示。

图2安装油泵的装配步骤
①将O型圈装配在密封沟槽中；
②正确装配油泵，注意安装方向；
③装入cam-lock卡盘，顺时针旋转到位。
金属燃油箱相对于塑料燃油箱不存在油箱本体蒸发排放问题，并且可以将GRV、FLVV阀体集成在油泵法兰上或者置于金属油箱内部；ICV阀同样也内置在油箱中；油泵安装型式与塑料油箱相同，均采用cam-lock卡盘安装方式。这样整个金属燃油箱的蒸发排放仅存在于泵口一个位置。
因此总体来说，国六金属燃油箱蒸发排放易于控制，技术方案可行性高，工艺成熟、简单。且开发阶段不需要进行油箱老化后的蒸发排放试验，缩短油箱的开发周期并节约开发成本。
1.2燃油泵的设计
燃油泵采用大尺寸法兰盘，尽可能将传感器、阀等零部件集成在油泵上。如图2为例，图中油泵就集成了监测油箱压力的压力传感器，结构简单、紧凑，同时方便供应商管理。
1.3管路设计
管路采用低渗透的多层材料，由内向外分别为PA12/粘合层/PA6/阻隔层/PA6。管路的所有连接处均带有O型圈密封结构，以降低系统排放；相比国五系统，为实现低排放性能，国六管路应尽量避免使用橡胶管路，以便降低成本，提高装配性。
1.4炭罐总成的设计
为满足国六法规要求，燃油蒸气全部由炭罐吸附，不能排出到大气中，炭罐吸附燃油蒸气的能力必须大大提高。故需增大活性炭的体积，将炭罐的容积加大到2-3倍[6]。
影响炭罐工作能力的主要因素是活性炭选择，活性炭的配比不同，炭罐总成的污染物排放值也不同，具体关系见图3。为满足排放、车辆成本控制和降低加油时通气阻力等要求。国六炭罐活性炭型号一般选为BAX1100LD和BAX1500组合，材料必须干燥。

图3炭罐的排放值与活性炭配比关系
①150BV脱附量&24h热浸；
②四个炭罐的容积均为2.1L；
③第2种活性炭容积0.3L在通大气口位置；
1.5加油管总成的设计
加油管采用金属管为加油主管，无渗透，采用快插尼龙管为循环管，低渗透，与油箱连接端的加油软管采用NBR/THV815/NBR/CSM材料，其中THV815为阻隔燃油渗透材料。
2 涉及车载加油油气回收系统设计
车载加油油气回收系统在国六法规中是新增要求，要求加油过程中产生的燃油蒸气必须经过炭罐回收净化，不能直接从加油管口排到大气中，在加油过程中蒸发污染物排放量不得超过0.05g/L。
加油试验时，是在油箱里有死油的情况下进行加油，先往油箱里加10%额定容积的国六汽油，再加85%额定容积的国六汽油。如在加油过程中，加油枪跳枪时，加油量没有达到标准要求，则加油污染物排放试验只能中断，试验无法通过；或者加油跳枪次数过多，蒸发污染物排放值超标，试验也无法通过。
为使试验顺利进行并且试验结果合格，需考虑以下三个设计要素：
2.1加油主管的设计需要保证液封且加油顺畅，不能提前跳枪加油污染物排放限值不超过0.05g/L，则在加油过程中加注管内必须实现液封，产生的燃油蒸气不能将排入大气中，而是被炭罐吸附，试验才能通过。因此要减小加油管的内部管径实现液封，内径尺寸设计为φ25.4mm，液封位置在距离油箱较近的加注管中下部。
加油顺畅性主要受到个参数的影响，参数对应加注管上的位置见图4。
①首段直管长度；
②首段直管与水平面夹角
③首段直管与第二段直管的夹角
④首段弯管半径
⑤加油口管口到ICV中心的Z向高度

图4参数对应加注管上的位置
2.2加油产生的燃油蒸气必须快速的从炭罐及管路系统中排出

图5国六系统                图6国五系统
此要求需要蒸气通路上的零部件具备尽量小的压降性能，包括油箱上的加油控制阀（FLVVorMFCV）的要达到一定的流量；油箱到炭罐的蒸发管路和炭罐到电磁阀的蒸发管路需要扩大管径，内径由原来的φ6增大到φ10；及炭罐总成的接口尺寸也有原来的φ7.89增大到φ9.89；炭罐则采用压降更低的柱状活性炭代替国五时使用的颗粒碳；国五及国六系统对比见图5和图6。
2.3炭罐具备足够的燃油吸附能力
由于加油过程中产生的燃油蒸气需要通过炭罐回收净化，不能直接排放到大气中；炭罐设计需要考虑具备足够的燃油吸附能力。炭罐的吸附能力评估需要考虑油箱的加油容积，油箱内的燃油蒸气生成速率，碳粉的工作能力及安全系数；由于加油过程中蒸气迅速进入炭罐，此时的碳粉工作能力约为昼间行车时工作能力的65%。
加油时油气产生的速率是昼间蒸发时速率的几百倍，见图7所示，所以炭罐的工作能力以计算ORVR的工作能力为准。一般炭罐容积和工作能力计算公式：
炭罐容积（L）=油箱额定容积×油箱中油气发生率÷活性炭工作能力
ORVR工作能力（g）=油箱加油量×油箱中油气发生率×安全系数
EPA工作能力（g）=ORVR工作能力（g）÷65%

图7油气产生速率对比
通常来说，炭罐的体积由加油时产生的燃油蒸气决定，如果可以满足加油时的蒸气吸附要求，则2昼间排放炭罐不会饱和。
3 结论
为了人类可持续发展，实现汽车工业的“*”，我们在大力借签发达国家先进技术的同时，通过不断的技术革新和完善的法规约束，才能实现令人满意的成果。因此供油系统的设计改进和优化势在必行，从而使国内汽车排放水平提升到更高的阶梯，希望本文对供油系统的设计分析对业内人员起到借鉴作用。