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談車載加油油氣回收系統設計

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談車載加油油氣回收系統設計

摘要:針對國六對汽車加油污染排放要求不超過0.05g/L的目標,研究了車載加油油氣回收技術原理,對某項目中開發的車載加油油氣回收系統核心部件進行設計闡述,并通過試驗結果證明該系統可以滿足法規要求。

關鍵詞:車載加油油氣回收系統;污染排放要求

引言

《GB18352.6—2016輕型車汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》法規中針對汽車燃油系統新增VII型加油污染物排放試驗,規定加油過程蒸發污染物排放量不得超過0.05g/L(包括劣化系數0.01g/L),此項規定旨在減少加油過程中油氣污染排放及能源浪費,要求2020年7月1日之后的國六新車型必須滿足此項法規要求。本文作者以此為目標,研究了車載加油油氣回收技術原理,對某項目中開發的車載加油油氣回收系統核心部件進行了設計闡述。

1ROVR系統原理

為達到法規中要求的排放限值,整車需要安裝車載加油油氣回收系統(OnbordRefuelingVaporRecovery,ORVR),其原理如圖1所示[1]。圖1ORVR加油原理加油時油箱內油氣通過加油限量通氣閥(FillLimitVentValve,FLVV)排至炭罐并被吸附,當炭罐吸附飽后,油氣會再次排放至大氣中。加油管較細,在加油時管內形成液封,可以避免油氣由加油管逸出。當油液淹沒FLVV后,油氣無法排出使油箱內氣壓升高,加油槍跳槍。文中以某項目國六燃油系統為例介紹ORVR系統及零部件設計,ORVR系統功能是將加油過程產生的油氣回收至炭罐,并能保證加油順暢,ORVR系統加油過程中燃油及油氣流動如圖2所示。其加油流程為:(1)燃油注入加油管后沖擊加油止回閥(InletCheckValve,ICV),閥門打開,燃油進入油箱。加油完畢后,閥門關閉,防止油液反噴。(2)加油時產生的油氣經FLVV進入蒸發管總成,油氣導出油箱后分兩路,一路進入循環管形成油氣循環,另一路進入炭罐被吸附。(3)油箱內液面高度超過FLVV關閉高度后,FLVV關閉,油氣不能導出,油箱內氣壓升高,加油槍跳槍。(4)加油過程中,少部分油氣通過小流量蒸氣閥導出。加油跳槍后,FLVV關閉,補加油液產生的油氣由蒸氣閥導出。

2ORVR系統零部件設計

2.1FLVV設計

FLVV用于控制油氣排放及加油量,其結構如圖3所示,油液面低于FLVV時,浮子重力大于彈簧彈力,浮子位于閥體底部,油氣通過排氣口導出。之后油液面逐漸上升,浮子在油液中上浮,當浮子帶動密封圈關閉排氣口后,油氣無法排出,油箱內氣壓升高,加油槍跳槍。FLVV排氣口截面積與排氣流量相關,當排氣口截面積較小時,排氣阻力增加,油箱壓力升高,可以抑制油氣揮發,使用較小炭罐即可滿足排放要求,但油箱內壓力升高時容易出現提前跳槍,因此設計排氣口時需要均衡兩方面影響。

2.2ICV設計

ICV是一種單向閥,其結構如圖4所示。不加油時,閥門在彈簧作用下關閉。加油時閥門被燃油沖開,燃油進入油箱。加油末期時,油箱內油氣排氣不暢使壓力升高,油箱如無ICV,跳槍瞬間,加油管內燃油可能被油箱內高壓氣頂出,造成燃油反噴,加裝ICV后,閥門關閉,可以消除燃油反噴現象,一定程度上降低加油排放污染。

2.3加油管設計

加油管由金屬加油管、橡膠加油管和油箱加油管組成,燃油依次注入燃油箱。由于加油管較細,燃油充滿加油管,形成液封,杜絕了油箱內油氣由加油管排向大氣,但過小的加油管又會影響加油順暢性,造成無法加油甚至提前跳槍。金屬加油管和油箱之間還有循環管連接(圖5),循環管用于將油箱內部分油氣輸送至加油口處,使油氣形成循環。加油時高速油液對氣體具有卷吸作用,在加油口處會將空氣帶入油箱,增加油箱內油氣生成量,循環管出口一般設置在加油口導流管上方,循環管將來自油箱內的油氣再次在循環管出口處射出,油氣再次進入油箱形成循環,減少了進入油箱的純空氣,從而減少油箱內油氣生成量。當循環管內流量過大時,會使加油口處負壓過低,又會導致空氣被吸入油箱,致使排放增加。

2.4炭罐設計

炭罐內填充炭粉,炭粉是一種多孔介質材料,是一種相互貫通或封閉的孔洞構成網絡的材料[2],如圖6所示。由于范德華力的作用,油氣可以吸附在炭粉表面,脫附時在負壓作用下,油氣再從炭粉表面脫離。目前國六炭粉應用較多的是由英杰維特公司生產的活性炭,常見型號及工作能力見表1,炭粉型號數字越大,工作能力越強。炭罐總成采用雙腔結構,如圖7所示,雙腔結構增大了碳罐的長徑比,使炭粉被吸收的路徑加長,有利于充分吸附。雙腔中分別灌裝BAX1500和BAX1100LD炭粉,BAX1100LD炭粉吸附能力較弱,脫附能力也較弱,灌裝在炭罐大氣口一側,可以防止油氣逸出。炭罐吸附口和脫附口共用,便于管路布置。

3加油試驗

3.1加油順暢性試驗

將燃油箱總成、加油管、炭罐和蒸發管路模擬整車裝配狀態,在常溫條件下,以45L/min速率加注燃油,加油至跳槍后再低速擋補加3次,試驗過程中觀察是否有異常跳槍反噴,記錄加油過程中數據。加油試驗數據如圖8所示,在加油初始階段(前10s內)還出1次跳槍,壓力峰值5.2kPa,這是因為油箱為空油箱,油箱內存在大量空氣,加注燃油后又形成大量油氣,油氣與空氣混合速度慢,油箱內大量氣體無法迅速排出,造成異常跳槍,此現象只在空油箱首次加油時出現,解決措施是降低加油速率或降低加注燃油溫度,減少油氣生成量[3]。正常加油過程中油箱內壓力在1.5kPa左右。加油末期4次跳槍時油箱壓力峰值分別為6.2、4.0、6.0和3.8kPa,3次跳槍后加油量可以達到額定容積(75±2)L。

3.2加油污染物排放試驗

試驗將整車按照GB18352.6—2016標準中附錄I中規范進行VII加油過程污染物排放試驗,試驗結果見表2,整車污染物排放量為0.0151g/L,低于GB18352.6—2016中加油污染物排放0.05g/L的要求,說明ORVR加油油氣回收效率較高,能夠達到法規要求。

4結束語

ORVR系統主要部件包括FLVV、ICV、加油管、炭罐及管路,該系統通過這些部件將加油時油箱內產生的油氣回收至炭罐,可以有效降低加油過程中污染物排放,滿足國六法規要求。

參考文獻:

[1]陳革.車用油氣回收系統管路優化研究[D].大連:大連理工大學,2018.

[2]鄧海文,祝思敏,彭義增.汽車國六碳罐全新開發流程[J].汽車零部件,2019(2):48-50.

[3]袁衛.國六車載加油蒸汽回收系統研究[J].汽車實用技術,2020(2):125-128.

作者:王新超 李睿哲 宋杰 薛國亮 單位:北京汽車集團越野車有限公司

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