車載加油蒸氣回收系統(tǒng)技術研究

王昊 曾賢勇 彭麟驊 沈志剛

（東風日產乘用車技術中心，廣州 510800）

車載加油蒸氣回收系統(tǒng)技術研究

王昊 曾賢勇 彭麟驊 沈志剛

（東風日產乘用車技術中心，廣州 510800）

介紹了轎車采用的車載加油蒸氣回收（ORVR）系統(tǒng)的由來和美國ORVR法規(guī)的要求，同時對北京即將實施的ORVR法規(guī)標準進行了簡要說明。然后分析了ORVR燃油系統(tǒng)的原理、功用和關鍵技術，其中關鍵技術包括油箱、加油管、組合油管3個總成件與傳統(tǒng)汽車的不同點，同時介紹了ORVR系統(tǒng)的標定技術。最后提出汽車要采用ORVR系統(tǒng)需在新車型設計時考慮碳罐和油箱的布置。

1 前言

隨著排放法規(guī)的日益嚴格,尾氣排放得到控制，但汽油蒸發(fā)排放在汽車排放中的比例顯著增加，其中加油過程中揮發(fā)的汽油量占汽車汽油揮發(fā)總量的20%[1]。為控制加油排放，美國在1998年開始要求汽車廠生產帶有油氣回收裝置和處理系統(tǒng)的車輛。采用該系統(tǒng)后美國每年大約減少3×105～4×105t VOC和有毒物質排放，節(jié)約汽油2.952×107L，具有巨大的環(huán)保效益和經濟效益。我國預計從2020年1月1日開始強制實施加油排放控制法規(guī)并要求汽車廠生產帶有車載加油蒸氣回收（Onboard Refueling Vapor Recovery,ORVR）系統(tǒng)的車輛。本文主要對ORVR系統(tǒng)的原理、功用和關鍵技術進行分析。

2 ORVR系統(tǒng)的由來和法規(guī)要求

ORVR法規(guī)最早是美國的環(huán)保要求。1970年，美國頒布了聯邦法案——清潔空氣法案，由美國環(huán)保署（EPA）制定了國家空氣環(huán)境質量標準，對6種常見污染物的排放量進行限制，其中包括加油站在加油和卸油期間產生的HC排放。1997年，EPA修改了國家空氣環(huán)境質量標準，要求在污染物排放量非達標區(qū)強制執(zhí)行在加油站使用油氣回收設備，要求汽車制造商生產帶有OR?VR系統(tǒng)的車輛[2]。1998年，美國聯邦政府頒布了ORVR排放法規(guī)，要求車輛在整個壽命期內加油過程中HC的排放量必須控制在0.053 g/L以內，2000年以后銷售的轎車必須加裝ORVR系統(tǒng)[2]。ORVR排放法規(guī)的內容記錄在美國聯邦法規(guī)法典（CFR）的汽車環(huán)保法規(guī)40CFR80～40CFR86中。

為了使汽車的ORVR系統(tǒng)充分發(fā)揮作用，美國EPA對市場上影響加油排放的要素做了如下規(guī)定。

a.加油槍的尺寸要求

帶有ORVR系統(tǒng)汽車的加油管內徑約為25 mm，而不帶ORVR系統(tǒng)的為35～40 mm。由于汽車加油管的直徑減小，加油站應配備合適尺寸的加油槍。美國EPA對加油槍的具體要求見文獻[3]，可知加油槍外徑小于21.3 mm，加油槍直線部分長度大于63.4 mm，加油槍嘴到彈簧部分長度大于76.2 mm。

b.加油速率要求

由于加油時可能會發(fā)生提前跳槍或回油返噴的現象，因此需要加油站控制合適的加油速率，美國規(guī)定加油速率應約為15～38 L/min[3]。

c.汽油蒸氣壓要求

美國EPA規(guī)定汽油的夏季蒸氣壓“臭氧達標地區(qū)”應不超過62.1 kPa，“臭氧不達標地區(qū)”則應不超過53.8 kPa[3]。

2016年5月國家環(huán)境保護部發(fā)布了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（簡稱國Ⅵ標準）征求意見稿，標準增加了加油過程污染物排放試驗（Ⅶ型試驗），這是我國首次將ORVR法規(guī)寫入國家標準。標準中規(guī)定除單一氣體燃料車外，所有裝點燃式發(fā)動機的汽車均應進行此項試驗。加油過程蒸發(fā)排放試驗結果應采用Ⅶ型試驗劣化系數進行加和校正，校正后的加油過程蒸發(fā)污染物排放量不得超過0.05 g/L[4]。

國Ⅵ標準中ORVR法規(guī)規(guī)定加油槍外徑不大于2.15 cm，加油槍直線部分長度不少于6.35 cm，加油槍嘴到彈簧部分長度大于7.60 cm[4]。加油時環(huán)境溫度為23± 3℃，汽油溫度為20±1℃，加油速率為37±1 L/min，與美國ORVR排放法規(guī)要求基本一致。國Ⅵ標準中規(guī)定汽油蒸氣壓為56～60 kPa，加油排放試驗預處理行駛由全球輕型車統(tǒng)一測試循環(huán)（WLTC）的低速段、中速段、高速段和超高速段4部分組成，與美國ORVR排放法規(guī)略有不同。

3 ORVR系統(tǒng)的原理及功用

ORVR系統(tǒng)是一種在加油過程中能夠回收大部分汽油蒸氣的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能使加油過程中的汽油蒸氣幾乎不會從加油口排放到大氣中，避免大氣污染，同時也節(jié)約了能源。該技術是由美國EPA在1994年推出的，作為二級油氣回收系統(tǒng)的一種替代選擇[2]。

3.1 ORVR系統(tǒng)的原理

ORVR系統(tǒng)的作用是收集和儲存加油過程中汽油蒸氣，然后脫附到發(fā)動機中燃燒，以節(jié)約能源[2]。ORVR系統(tǒng)工作原理見圖1?？芍诩佑瓦^程中汽油首先經過加油單向閥（ICV）到達油箱，油箱里的汽油蒸氣和少量空氣通過加油限位通氣閥（FLVV）和通氣管到達碳罐儲存起來，車輛行駛時脫附到發(fā)動機中去燃燒，這樣就把原來加油時逃逸到大氣中的大部分汽油蒸氣回收利用起來，達到了節(jié)能和環(huán)保的目的。加油管的回氣管是利用文氏效應工作的。文氏效應是指流體在通過縮小的過流斷面流速增大的現象，同時流速的增大伴隨著流體壓力的降低，從而產生吸附作用的現象。回氣管可以將加油時油箱中的汽油蒸氣吹入加油管，吹入的高速氣流在加油管口形成負壓，這樣加油管口氣壓低于周圍大氣壓力，有效防止了汽油蒸氣從加油管口往外溢出。

圖1 ORVR系統(tǒng)工作原理示意

3.2 ORVR系統(tǒng)的功用

ORVR系統(tǒng)的功用如下：

a.將來自油箱的汽油蒸氣排出并送到碳罐[2]。

b.加油管上的回氣管可以將加油時油箱中的汽油蒸氣吹入加油管中，排擠加油管中的空氣，并與加注的汽油混合，一起進入油箱。從加油管進入的汽油蒸氣占據了油箱液面上方的空間，防止汽油與空氣接觸加劇揮發(fā)。因此，液面上方的汽油蒸氣很快達到飽和，可降低油箱內汽油的蒸發(fā)速度和蒸發(fā)量，減輕碳罐的負荷。

c.FLVV保證油箱與碳罐的連接處于長通狀態(tài)。FLVV的通氣管直徑比當前燃油系統(tǒng)蒸發(fā)管路直徑要大，有利于減少通氣阻力，便于汽油蒸氣進入碳罐。

d.加油管直徑變細，加油時液體流動阻力增加，液體流動到加油管出口處遇到ICV的阻擋，便在ICV上方形成液體密封。

e.加油時加油管中形成液封，防止油箱內的汽油蒸氣直接從加油口逃逸到大氣中。油箱內的汽油蒸氣只能通過FLVV的通氣管進入到碳罐中。

對于ORVR系統(tǒng)需要注意以下幾點：

a.碳罐系統(tǒng)的壓力降必需小于液封液面高度差的壓力，確保系統(tǒng)排氣通暢。

b.由于ICV上方存在液封作用的汽油液體，這部分液體也會有很小部分的蒸發(fā)。

c.當加油流速很低時，加油管中無法形成液封，油箱內的汽油蒸氣從加油管逃逸到大氣中。因此，為了減小加油時的排放，加油時不要涓流加油。

4 ORVR系統(tǒng)的關鍵技術

ORVR燃油系統(tǒng)在油箱、加油管、組合油管3個總成件上與傳統(tǒng)汽車不同，具體的技術變更點體現在以下幾個方面。

4.1 油箱總成

4.1.1 ICV

ICV又稱加油止回閥，其作用是確保燃油單向通過，阻止回流。ORVR燃油系統(tǒng)加油時要形成液封有2種方式。其中一種是采用完全密封的ICV，并且增大ICV的開啟壓力。加油時在ICV上方形成一定量的汽油，隨著汽油的不斷流入，汽油液面的壓差大于ICV的開啟壓力，ICV便會打開；ICV打開后液面下降，液面的壓差小于ICV的開啟壓力，ICV便會關閉；當液面的壓差與ICV的開啟壓力達到平衡時，加油管中便形成穩(wěn)定的液封。另一種是利用加油管自身的內徑和結構在加油時產生液封[5]。ICV管徑需配合加油管徑同時變細，內徑一般由非ORVR的29.4 mm變?yōu)镺RVR的23.4 mm，相應外徑一般由38 mm變?yōu)?2 mm。由于加油管內徑變細，加油時液體流動阻力增大，ICV的開啟壓力需做相應調整，防止加油時發(fā)生提前跳槍或回油返噴的現象。為了避免汽油從ICV進入油箱時產生飛濺，減少汽油的揮發(fā)，ICV出油口不能設計成平面，需要設計成斜面或導流的形狀。

4.1.2 FLVV

ORVR油箱需要增加FLVV。FLVV的通氣管內徑一般為14 mm，外徑一般為16 mm，非ORVR燃油系統(tǒng)蒸發(fā)管路內徑一般為6 mm，內徑的增大有利于減少氣阻，便于汽油蒸氣進入碳罐。ORVR油箱加油時主要通過FLVV排氣，FLVV可以起到控制油箱液面高度和加油跳槍的作用。汽車發(fā)生傾斜或翻轉時，FLVV還可以防止油箱中的汽油流入碳罐。

4.1.3 碳罐

碳罐的設計對ORVR燃油系統(tǒng)的功能和控制加油排放的效率至關重要。碳罐需有足夠的工作能力以滿足排放標準的要求，同時還要有足夠小的通氣阻力以避免油箱在加油過程中升壓。為了滿足這些要求，碳罐容積需加大至非ORVR燃油系統(tǒng)碳罐的2～3倍，且應使用通氣阻力較低的活性炭，例如直徑為2 mm的柱狀活性炭[3]。由于碳罐體積的增大，原來布置在油箱上或發(fā)動機艙的需要改到底盤下或后輪罩內。碳罐的排水管連通大氣，內徑一般由非ORVR的7.5 mm變?yōu)镺RVR的14.5 mm，外徑一般由13.5 mm變?yōu)?0.5 mm，管徑的增大有利于減少通氣阻力，便于加油時油箱內汽油蒸氣順暢地進入碳罐。

4.2 加油管總成

4.2.1 進油管

目前國內加油站加油槍流速范圍為30～60 L/min，加油管內徑一般為26.6～36.0 mm。帶有ORVR系統(tǒng)汽車的加油速度為15.9～37.2 L/min，要想ORVR加油管形成液封，需要降低汽油在加油管中的流速，調整加油管的彎道設計；同時減小加油管的內徑，使汽油形成液封[5]。所以，ORVR加油管內徑一般采用23.4～25.4 mm。

4.2.2 回氣管

加油管的回氣管連接著油箱和加油管的進油管。回氣管的油箱端與油箱上的通氣短管連接，加油時將油箱內的汽油蒸氣排入加油管?；貧夤軆葟揭话阌煞荗RVR的13.4～13.5 mm變?yōu)镺RVR的4.95～6.00 mm，外徑一般由15.00 mm變?yōu)?.35 mm，油箱上通氣短管的內徑一般由非ORVR的8 mm變?yōu)镺RVR的3 mm。加油時非ORVR加油管的回氣管是為了將油箱內的汽油蒸氣排放到大氣中，以降低油箱內的壓力，控制加油跳槍。ORVR系統(tǒng)是通過FLVV和通氣管排出加油時油箱內的汽油蒸氣，其與非ORVR系統(tǒng)有著本質的不同。ORVR加油管的回氣管較細，提高了加油時回氣管中氣流的流速，在加油管口形成文氏效應，從而減少從加油管口的揮發(fā)汽油。

4.2.3 加油管頸部

一般加油管口都設計有加油槍限位的導套，加油管頸部設計如圖2所示。非ORVR加油管導套下端開口在回氣管的上方，便于回氣管的排氣。ORVR加油管導套下端開口在回氣管的下方，同時導套與加油管密封連接，阻止回氣管將汽油蒸氣排放到大氣中。

圖2 加油管頸部設計

4.3 組合油管總成

組合油管的脫附管連接碳罐與發(fā)動機，將碳罐內的汽油蒸氣輸送至發(fā)動機去燃燒。脫附管內徑一般由非ORVR的4.95～6.00 mm變?yōu)镺RVR的8.0～9.5 mm，外徑一般由6.35 mm變?yōu)?0.00 mm。脫附管內徑增大提高了脫附效率，以滿足ORVR碳罐容積增大的需求。

4.4 ORVR燃油系統(tǒng)的標定

ORVR燃油系統(tǒng)開發(fā)過程包括：依據理論計算選擇碳罐的型號，零部件的設計和管路走向的設計，手工樣件的制作，ORVR系統(tǒng)的標定試驗，制作正規(guī)的模具件，最后的認可試驗。

ORVR燃油系統(tǒng)在FLVV管路和加油管回氣管上都設計有限流閥（或稱孔閥），ORVR系統(tǒng)的標定試驗需要反復調整這兩個限流閥的孔徑，直至加油排放試驗通過。FLVV管路的限流閥設計在FLVV出口處或通氣管中間，加油管回氣管的限流閥則設計在回氣管與油箱連接的通氣短管上,以便于ORVR系統(tǒng)標定試驗的調整。FLVV管路限流閥的作用是加油時控制FLVV向碳罐排氣的速度，適當提高油箱內的壓力，抑制汽油的蒸發(fā)，減少加油過程中油箱向碳罐排出汽油蒸氣的總量，減輕碳罐的負荷。因此，選擇稍小的碳罐也可以滿足加油排放試驗的要求，且有利于碳罐在整車上的布置。加油管回氣管限流閥的作用是提高回氣管中氣流的流速，其工作原理與回氣管的文氏效應原理相同，可促進回氣管在加油管口形成負壓，進一步減少加油時的排放。

FLVV管路限流閥和加油管回氣管限流閥的孔徑要適當，FLVV管路限流閥孔徑過小會導致加油時油箱內壓偏高，發(fā)生提前跳槍或回油返噴的現象。加油管回氣管限流閥的孔徑過小會導致噴出的氣體流速過快，加油管口負壓增大，大量的空氣從加油管進入油箱，加劇油箱內汽油的蒸發(fā)，增加碳罐的負荷。不同車型由于油箱形狀、加油管形狀、FLVV管路走向等的差異，導致加油阻力、油箱內壓和FLVV管路通氣阻力不同，所以不同車型的ORVR系統(tǒng)需要分別標定。

5 結束語

介紹了美國ORVR排放法規(guī)的要求和我國即將實施的國Ⅵ標準中的ORVR法規(guī)要求。分析了ORVR燃油系統(tǒng)的原理、功用和關鍵技術，其中關鍵技術在于油箱、加油管、組合油管3個總成件與傳統(tǒng)汽車的不同點，以及ORVR系統(tǒng)的標定方法。各汽車廠家要采用ORVR系統(tǒng)需在新車型設計時考慮碳罐和油箱的布置，并對不同車型的ORVR系統(tǒng)分別進行標定。

1 姜國華.控制車輛油氣排放的0RVR系統(tǒng)技術.輕型汽車技術，2006（11）：29～31．

2 蔡錦榕，何仁，韋海燕.控制轎車加油排放的ORVR技術綜述.車用發(fā)動機,2009（2）：1～5.

3 杜建波，方茂東，陸紅雨，等.加油排放試驗程序的設計和車載油氣回收系統(tǒng)開發(fā)的建議.汽車工程，2014,36（5）：537～541.

4 中華人民共和國環(huán)境保護部.輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）（征求意見稿）.2016.

5 汪智，何仁.基于Fluent仿真的ORVR加油管液封設計．重慶理工大學學報（自然科學版），2014,28（2）：16～21.

（責任編輯晨 曦）

修改稿收到日期為2016年5月1日。

Technical Research on Onboard Refueling Vapor Recovery System

Wang Hao,Zeng Xianyong,Peng Linhua,Shen Zhigang
（Dongfeng Nissan Technical Center,Guangzhou 510800）

In this paper,the origin of car onboard refueling vapor recovery system(ORVR)and the US ORVR regulation were introduced,as well as the Beijing ORVR regulation which would be implemented soon was briefly described.Then the operating principle,functions and key technologies of ORVR fuel system were analyzed.The key technologies include difference of three assembly parts of fuel tanks,filler tubes,fuel piping with the traditional vehicle, and ORVR system’s calibration technology was also introduced.Finally,it proposed to consider the package of canister and fuel tank in new car design if the car would use ORVR system.

Refueling vapor recovery,Fuel tank,Filler tube

加油蒸氣回收 油箱 加油管

U464.136+.5

A

1000-3703（2016）12-0055-04