广东工业大学学报  2018, Vol. 35Issue (4): 100-104.  DOI: 10.12052/gdutxb.170156.
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引用本文 

谢火志, 熊锐, 吴坚, 胡德卿, 潘浩坤. 基于国六标准的ORVR加油排放试验研究[J]. 广东工业大学学报, 2018, 35(4): 100-104. DOI: 10.12052/gdutxb.170156.
Xie Huo-zhi, Xiong Rui, Wu Jian, Hu De-qing, Pan Hao-kun. An Experimental Study of ORVR Refueling Emission Based on China VI Standard[J]. JOURNAL OF GUANGDONG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, 2018, 35(4): 100-104. DOI: 10.12052/gdutxb.170156.

基金项目:

广东省科技厅省部产学研结合基金资助项目(2013B090400002)

作者简介:

谢火志(1993–)，男，硕士研究生，主要研究方向为汽车节能与排放控制。

文章历史

收稿日期：2017-11-27
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基于国六标准的ORVR加油排放试验研究
谢火志1, 熊锐1, 吴坚1,2, 胡德卿1, 潘浩坤1     
1. 广东工业大学　机电工程学院，广东　广州  510006;
2. 广汽集团　汽车工程研究院，广东　广州  510640
收稿日期：2017-11-27
基金项目：广东省科技厅省部产学研结合基金资助项目(2013B090400002)
作者简介：谢火志(1993–)，男，硕士研究生，主要研究方向为汽车节能与排放控制。
摘要: 对某满足国六排放限值的车载油气回收系统(ORVR)用美国OPW加油枪和德国ZVA加油枪分别进行加油排放试验, 并采集加油过程通气管流量、回气管流量、油箱压强和炭罐增重量的数据. 结果表明, ZVA加油枪加油时的通气管流量、回气管流量、油箱压强和炭罐增重量均比OPW加油枪加油时的小, 在国六燃油系统开发过程中, 调整回气管限流阀孔径和对炭罐脱附进行标定时应考虑不同加油枪的影响.
关键词: 车载油气回收系统    加油枪    燃油系统    回气管    炭罐    
An Experimental Study of ORVR Refueling Emission Based on China VI Standard
Xie Huo-zhi1, Xiong Rui1, Wu Jian1,2, Hu De-qing1, Pan Hao-kun1     
1. School of Electromechanical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China;
2. Automobile Engineering Research Institute, Guangzhou Automobile Group, Guangzhou 510640, China
Abstract: An on-board refueling vapor recovery (ORVR) system that meets the emission limits of China VI regulation is tested with three refueling emission experiments respectively with OPW refueling gun and ZVA refueling gun, and data of flow of air pipe, flow of circulation pipe, tank pressure and canister weight increments are collected. The results show that the flow of air pipe, flow of circulation pipe, tank pressure and canister weight increments of ZVA refueling gun are less than those of OPW refueling gun when refueling. In the China VI fuel system development process, while adjusting the aperture of flow-limiting valve on circulation pipe as well as calibrating the canister purge, the effect of different refueling guns should be considered.
Key words: onboard refueling vapor recovery (ORVR)    refueling gun    fuel system    circulation pipe    canister    
 

随着我国排放法规的日益严格，汽车尾气排放得到有效控制，蒸发排放已超过尾气排放的HC量[1-3]. 加油蒸发排放量占汽车蒸发排放总量的20%[4]，我国每年因加油蒸发排放导致的燃油损失约为0.26%[5]. 2016年10月，环保部发布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》[6]，最大的变化之一就是增加了Ⅶ型加油污染物排放试验，规定加油蒸发排放不超过0.05g/L. 为适应国六法规，车辆需要升级车载油气回收系统[7](onboard refueling vapor recovery，ORVR)，升级ORVR系统需在燃油系统关键部件设计及标定和炭罐脱附标定等方面进行考虑[8-10]. 国内外对ORVR系统的研究主要集中在多相流仿真和特性试验方面[11-15]. 国内加油站常用的加油枪有两种[16]，即美国OPW和德国ZVA，不同加油枪对ORVR加油排放有一定的影响，而国内几乎没有关于这方面的研究. 本文对某满足国六排放限值的ORVR系统用OPW和ZVA加油枪进行了加油排放试验，研究不同加油枪对ORVR加油排放的影响.

1 试验方案 1.1 试验设备及参数

试验过程中所用到的主要设备及型号见表1，设备基本参数如表2所示. 试验均使用国六规定的基准汽油，其基本参数见表3.

表 1 试验设备及型号 Table 1 The equipment and model of test
表 2 试验设备基本参数 Table 2 The basic parameters of test equipment
表 3 试验汽油基本参数 Table 3 The basic parameters test gasoline
1.2 试验流程

加油试验原理如图1所示，对某满足国六排放限值的ORVR系统用OPW和ZVA加油枪分别进行3次加油排放试验，测量加油过程通气管流量、回气管流量、油箱压强和炭罐增重量，主要试验流程如图2所示。具体的试验要求有以下3点：

(1) 测试时按国六加油排放试验规定的条件进行，设定同样的环境温度、加油温度、加油流量、汽油蒸气压和炭罐吹扫床倍数(BV)，如表4所示。

(2) 加油过程炭罐处气流从吸附口流入，通大气口流出，脱附口堵住，加油结束时加油量需达到油箱标称容积55 L的85%，即46.75 L。

(3) OPW和ZVA加油枪各测量3次，每次（除第一次）加油前把油箱的油液回收，炭罐用25 L/min的干空气吹扫10 min（通气量大于100 BV）。

图 1 加油试验原理图 Figure 1 The schematic of refueling test
图 2 试验流程图 Figure 2 The procedure of test
表 4 试验条件 Table 4 The conditions of test
2 试验结果与分析 2.1 炭罐工作能力试验分析

带有ORVR系统的汽车炭罐的工作能力更强、体积更大，以适应国六排放法规. 为了解炭罐的工作能力，试验前先根据HJT390—2007的要求测试炭罐的丁烷工作能力(butane working capacity，BWC). 测试方法是用50%氮气/50%丁烷的混合气，以丁烷速率40 g/h将炭罐吸附至2 g击穿点，再用25 L/min的干空气对炭罐进行600 BV的脱附吹扫，试验过程炭罐质量随循环次数的变化如图3所示.

图 3 炭罐丁烷工作能力测试 Figure 3 The butane working capacity test of canister

计算最后两次循环炭罐吸脱附后的质量之差，除以炭罐的有效工作容积就可得到炭罐的BWC. 结果见表5，此炭罐的初始BWC为7.55 g/100 mL，远大于国五车辆炭罐的初始BWC（5 g/100 mL左右）.

表 5 炭罐初始BWC测试结果 Table 5 The initial BWC test results of canister
2.2 加油过程通气管流量和油箱压强分析

OPW加油枪3次加油试验得到的通气管流量、回气管流量和油箱压强的变化曲线如图4所示. ZVA加油枪3次加油测试得到的通气管流量、回气管流量和油箱压强的变化曲线如图5所示. 从试验结果可知，OPW加油枪加油过程油箱压力、通气管流量和回气管流量（均值20 mbar，46 L/min和5.3 L/min）均比ZVA加油枪（均值18 mbar，43 L/min和5 L/min）的大，这是两种加油枪的结构参数不同造成的. 两种加油枪的结构参数如表6所示（均满足国六法规对加油枪的要求）. 可以看出，OPW加油枪的枪口内外径均比ZVA加油枪的小，在采取同样加油流量(37 L/min)的情况下，OPW加油枪枪口油液初始速度(3.23 m/s)比ZVA加油枪(2.78 m/s)的大，对气体的剪切力更强，卷吸量更多，使更多的空气被带入油箱，增加了油箱内汽油的蒸发，从而使得油箱内部压力、通气管流量和回气管流量更大.

2.3 加油口进气量试验结果分析

ORVR系统升级的一个重大改动是将加油管的内径改为25 mm左右[8]. 管径改小后有利于在加油管的局部形成液封，阻止加油时油箱的油气从加油管逃逸. 而由于加油枪枪口油液的初始速度极高，对气体的剪切和卷吸作用会将不少空气带进油箱，从而增加油箱内汽油的蒸发而导致具有较高的排放因子，增加炭罐的负荷. 因此，回气管的使用可以将一部分油气导回加油口，减少加油口的进气量，降低排放因子，减小炭罐的负荷. 调整回气管的限流阀孔径是控制回气管回气量的重要手段，回气量太多会导致加油口的气体不进反出，增加加油过程的蒸发排放量，回气量太少又会增加炭罐的负荷. 因此，合适的回气管限流阀孔径很重要.

图 4 OPW加油流量和压强曲线 Figure 4 The refueling flow and pressure curves of OPW
图 5 ZVA加油流量和压强曲线 Figure 5 The refueling flow and pressure curves of ZVA
表 6 加油枪参数 Table 6 The parameters of refueling gun

加油过程只有两个与大气相通的口，即加油口和炭罐空滤通大气口. 将通气管流量减去回气管流量即可得到通往炭罐处的流量，通往炭罐处的流量减去加油流量(37 L/min)即可得到加油口的进气量. 计算得到的加油口进气量如图6和图7所示（加油时间取20 s到加油结束，因为20 s之后进气量才比较稳定，两个加油枪分别进行3次试验）. 加油口进气量见图8（其中，A、B、C分别代表OPW加油枪3次试验的数据，D、E、F分别代表ZVA加油枪3次试验的数据），OPW加油枪加油口平均进气量均大于3 L/min，ZVA加油枪加油口平均进气量均小于2 L/min.

图 6 OPW加油口进气量 Figure 6 The refueling port intake volume of OPW
图 7 ZVA加油口进气量 Figure 7 The refueling port intake volume of ZVA
图 8 加油口进气量 Figure 8 The fuel inlet intake volume

OPW加油枪加油口进气量比ZVA加油枪的大，这是在同样加油流量的情况下，OPW加油枪油液初始速度较大，对气体的剪切和卷吸作用较大导致的. 因此，不同加油枪因结构参数的差异，会造成加油口进气量不同，对回气管限流阀孔径调整时应考虑加油枪的影响. ZVA加油枪由于枪口内径较大，加油时枪口油液初始速度较小，因剪切和卷吸带进油箱的空气较少. 所以在调整限流阀孔径时应以ZVA加油枪为首要考虑对象，使加油时加油口的进气量接近零，从而满足加油蒸发排放限值要求的同时减少炭罐的负荷.

2.4 加油排放因子试验结果分析

连接设备前，先对炭罐进行大于100 BV吹扫并称量质量，加油枪自动跳枪之后，再次称量吸附后的质量，取两次质量之差，除以当次试验的加油量，即为加油排放因子. 本试验忽略了加油排放的HC量，因为该车型的ORVR系统已通过了加油蒸发排放限值的测试，加油排放远小于0.05 g/L（约为0.005 g/L），加油排放的HC量可忽略不计.

由表2可知试验油箱额定容积为55 L，国六规定试验加油量大于油箱额定容积的85%，即46.75 L. 试验加油量见图9（其中，A、B、C分别代表OPW加油枪3次试验的数据，D、E、F分别代表ZVA加油枪3次试验的数据），OPW和ZVA加油枪的试验加油量均大于46.75 L，满足试验加油量的要求.

图 9 试验加油量 Figure 9 The refueling volume of test

加油排放因子试验结果如图10所示，OPW加油枪的加油排放因子比ZVA加油枪的高，前面已提到OPW加油枪枪口内径小，加油口处油液初始速度大，对空气的剪切作用力大，卷吸量大，使得进入油箱的空气较多，增加了油箱内汽油的蒸发，从而导致了其排放因子升高. 由此可知，不同加油枪因结构参数的差异，会造成排放因子不同，从而对炭罐的脱附标定提出了不同的要求. OPW加油枪在加油之前需要更多的炭罐吸附能力才能满足加油蒸发排放限值的要求，因此在进行炭罐脱附标定时应以OPW加油枪为首要考虑对象，以使加油前炭罐脱附清洗更充分，炭罐恢复的吸附能力更高，从而满足加油蒸发排放限值的要求.

图 10 加油排放因子试验结果 Figure 10 The test result of refueling emission factor
3 结论

(1) OPW加油枪的枪口内径比ZVA加油枪的小，加油流量(37 L/min)相同时OPW加油枪枪口油液初始速度(3.23 m/s)比ZVA加油枪(2.78 m/s)的大，对气体的剪切力更强，卷吸量更多，使加油时更多的空气被带入油箱，增加了油箱内汽油的蒸发，从而油箱内部压力更大，通气管和回气管的流量更多.

(2) ZVA加油枪因剪切和卷吸作用带进油箱的空气相对较少，所以调整回气管限流阀孔径应以ZVA加油枪为首要考虑对象.

(3) OPW加油枪在加油前需要更多的炭罐吸附能力才能满足加油蒸发排放限值的要求，因此进行炭罐脱附标定应以OPW加油枪为首要考虑对象.

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