一种燃油蒸汽液化回收装置及其燃油蒸发排放系统
技术领域
本发明涉及车辆燃油的蒸发排放，具体地指一种燃油蒸汽液化回收装置及其燃油蒸发排放系统。
背景技术
汽车使用的汽油极容易挥发,直接排放至大气中会造成空气污染，中国现阶段已经开始实施国六机动车排放法规。法规中规定的Ⅶ型试验是测试汽车加油时汽油蒸汽的排放量，要求HC排放量≤0.05g/L。现成熟的方案是：使用较大体积的活性炭来吸附加油时产生的汽油蒸汽。汽油蒸汽的排放量和炭罐内炭粉有效体积成正比关系，炭罐内炭粉体积大则从炭罐内挥发出的汽油蒸汽的排放量小。法规中规定的Ⅳ型试验是测试两昼夜停放期间油箱内汽油蒸汽的排放量，要求HC排放量≤0.7g/test。经研究发现：两昼夜汽油蒸汽的排放量和炭粉脱附体积倍数(发动机脱附体积总量/炭罐内炭粉的有效容积)成反比关系，炭罐脱附体积倍数大那么炭粉内的HC残留量小，所以两昼夜汽油蒸汽的排放量小。如果发动机脱附体积总量为恒定值时，缩小炭粉体积可以提高脱附体积倍数，减少炭罐内挥发出的汽油蒸汽的排放量。经过研究发现：满足Ⅶ型试验炭罐所需要炭粉有效体积为V1；而满足Ⅳ型试验炭罐所需要炭粉有效体积为V2；那么V1是V2的1.6倍以上。
因汽车经济燃油性的要求，所以发动机自动启停技术和小排量发动机的普遍使用，这样按照国六排放法规中Ⅳ型试验规定的驾驶循环周期内，发动机脱附体积总量会更小。1、脱附体积总量为炭罐内炭粉的有效体积的120～60倍条件下，炭罐内需要灌装特殊的低渗透炭粉或者增加炭棒(目的是降低炭粉中HC的残存量)，这样炭罐的成本会上升100元以上。2、脱附体积总量小于炭罐内炭粉的有效体积60倍以下的条件下，燃油蒸发控制系统通常会采用类似PHEV车型方案，使用油箱隔离阀将燃油蒸发控制系统分割为两部分，这样燃油蒸发控制系统的泄漏检测装置采用DMTL装置，这样会造成整个燃油蒸发控制系统成本会上升500元以上。
如果将加油时产生燃油蒸汽通过物理方式使其液化，液化后直接返回至油箱内，减少进入炭罐的燃油蒸汽，则可将炭罐内炭粉有效体积减少，从而实现降低燃油蒸发控制系统及零件成本的目的。公开号为CN 107776397 A的中国发明专利中公开了一种燃油油气回收系统，在燃油箱和炭罐间设置了负压泵和油气罐，燃油箱的油气泵入油气罐中并使得油气在油气罐中至少部分被加压形成油液。但该专利中使用的负压泵属于电气件，成本较高且有潜在的安全风险；还需要增加控制阀使其在加油的时候启动，能耗较高且操作复杂。
因此，需要开发出一种结构简单、操作方便、安全经济的燃油蒸汽液化回收装置及其燃油蒸发排放系统。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种结构简单、操作方便、安全经济的燃油蒸汽液化回收装置。
本发明的技术方案为：一种燃油蒸汽液化回收装置，其特征在于，包括从上至下依次连接形成密封腔体的上端盖、壳体、下端盖，所述上端盖、壳体、下端盖分别设有第一管接头、第二管接头、第三管接头；
所述壳体内设有与第二管接头对应连通的环状的自旋转分离腔室，所述自旋转分离腔室的内缘包围形成上下贯通的中空部，所述中空部上端与第一管接头连通，所述壳体在自旋转分离腔室下方设有用于离心分离的叶轮组件以及将离心分离后的气体通向第一管接头的分离导盖；
所述下端盖内设有仅能朝第三管接头方向流通的单向阀组件。
优选的，所述自旋转分离腔室在临近第二管接头处设有环向隔断的隔板，所述自旋转分离腔室内沿第二管接头引入气体的旋转方向设有台阶面逐渐升高的多级旋转楼梯，所述自旋转分离腔室底部在多级旋转楼梯最高处与隔板之间设有排气孔。
进一步的，所述自旋转分离腔室在与第二管接头连通处至多级旋转楼梯最低处之间设有过渡平面，所述第二管接头相对于自旋转分离腔室水平切向设置且所述过渡平面与第二管接头内壁底部平齐。
优选的，所述分离导盖包括从下向上内径逐渐收缩的喇叭部以及喇叭部上方内径均一的直筒部，所述叶轮组件安装于直筒部上，所述直筒部上端进入中空部内固定。
进一步的，所述中空部底部设有台阶状的安装通孔且内部安装有环形的安装镶嵌块，所述分离导盖的直筒部穿过安装通孔与安装镶嵌块内壁间形成间隙配合，所述直筒部与安装镶嵌块间周向限位连接。
更进一步的，所述直筒部顶部设有翻边，所述翻边上周向间隔设置多个缺口，所述安装镶嵌块朝上延伸形成多个与缺口对应的凸起，各所述凸起对应位于缺口内将直筒部与安装镶嵌块周向限位。
进一步的，所述叶轮组件包括相连接的叶轮和轴承，所述直筒部外壁设有环形的限位凸台，所述轴承套接在直筒部上且底部与限位凸台配合。
优选的，所述下端盖包括从上至下内径逐渐收缩的漏斗段以及漏斗段下方内径均一的安装段，所述安装段底部径向朝内延伸形成环形的安装面与第三管接头连接，所述安装面内缘周向间隔朝上凸起形成支撑立柱。
进一步的，所述单向阀组件包括设置于安装段内的阀盖和橡胶浮动片，所述阀盖包括位于安装面上、与安装段内壁紧贴的环形的盖体，所述盖体在支撑立柱上方设有环状的密封台，所述橡胶浮动片常态下位于支撑立柱上并在燃油蒸汽进入时上浮与密封台间密封连接。
更进一步的，所述橡胶浮动片外径大于支撑立柱外径和密封台外径，小于盖体内径。
本发明还提供一种上述燃油蒸汽液化回收装置的燃油蒸发排放系统，其特征在于，包括燃油箱总成、燃油蒸汽液化回收装置、炭罐总成，所述炭罐总成上设有吸附管口、脱附管口、大气管口，所述燃油蒸汽液化回收装置的第二管接头和第三管接头通过三通管道与燃油箱总成连通，第一管接头通过管道与吸附管口连通。
上述方案中，燃油蒸汽液化回收装置串联至炭罐和油箱之间，将加油时产生燃油蒸汽，通过旋转离心分离方式使燃油蒸汽液化形成液滴，液滴汇聚后直接返回至油箱内，减少了进入炭罐的燃油蒸汽。这样就可以实现降低V1值(满足Ⅶ型试验炭罐所需要炭粉有效体积)，进一步来提高炭粉脱附体积倍数。这样就不仅减少炭罐内的活性炭粉体积和塑料件的重量，而且可以省去特殊的低渗透炭粉、炭棒的使用来降低炭罐的成本。提高体积倍数也可以省去油箱隔离阀和DMTL装置的使用，减少整个燃油蒸发控制系统成本。
本发明的有益效果为：
1.利用加油时的高速燃油蒸汽产生的动能，通过气流自旋转和叶片离心的分离方式，将微小液滴进行汇聚使其液化，并直接返至燃油箱总成内。可减少炭罐内炭粉有效体积，来实现降低燃油蒸发控制系统和零件成本的目的。
2.燃油蒸汽经第二管接头进入后，先经过自旋转分离腔室进行气流自旋转，较重微粒液态蒸汽首先液化形成燃油液滴，较轻液态蒸汽微粒和空气进入下方，通过叶轮组件转动进一步分离，多次分离增加燃油蒸汽的液化程度，减少了进入炭罐的燃油蒸汽。
3.自旋转分离腔室内设有多级旋转楼梯，该结构可使燃油蒸汽中的较重液态蒸汽微粒撞击楼梯结构中的直角部分，加快燃油液化，过渡平面既可在加油时引导第二管接头内的燃油蒸汽快速进入自旋转分离腔室，又可在加油完毕后使多级旋转楼梯上的燃油液滴迅速向下流入第二管接头。
4.自旋转分离腔室下方与分离导盖上的喇叭部上方之间为供叶轮组件作用的离心分离区域，喇叭部下方为液滴汇聚区域，喇叭部外形类似“拉瓦尔喷管”的收敛段结构，由于喇叭部与壳体间的通道朝下愈加狭窄，从而经过叶轮离心的气流会产生挤压，加速向下进入液滴汇聚区域内，密度差异使干净空气和小液滴迅速产生分离，液滴进入液体汇聚区，干净的空气通过直筒部经第一管接头进入炭罐总成。分离导盖有助于经过叶轮离心的气流进一步分离。
5.单向阀组件可在加油时自动使燃油蒸汽从第二管接头进入燃油蒸汽液化回收装置内处理，洁净气体从第一管接头排出，加油结束后液滴从第三管接头回到燃油箱中。整个装置无需电路控制，无需设置控制阀，结构简单、操作方便、安全经济。
6.具有燃油蒸汽液化回收装置的燃油蒸发排放系统可减少炭罐内的活性炭粉体积和塑料件的重量，而且可以省去特殊的低渗透炭粉、炭棒的使用来降低炭罐的成本。提高体积倍数也可以省去油箱隔离阀和DMTL装置的使用，减少整个燃油蒸发控制系统成本。
附图说明
图1为燃油蒸汽液化回收装置剖视图(竖向)
图2为燃油蒸汽液化回收装置零件图
图3为上端盖立体图
图4为壳体立体图
图5为壳体俯视图
图6为壳体剖视图(竖向)
图7为分离导盖立体图
图8为分离导盖剖视图(竖向)
图9为下阀体剖视图(竖向)
图10为下阀体俯视图
图11为阀盖剖视图(竖向)
图12为图1中A处放大图
图13为燃油蒸发排放系统结构示意图
图14为加油时燃油蒸汽液化回收装置示意图
图15为图14中B处放大图
图16为加油后燃油蒸汽液化回收装置示意图
图17为图16中C处放大图
其中：1-上端盖2-壳体3-下端盖4-第一管接头5-第二管接头6-第三管接头7-旋转分离腔室8-中空部9-分离导盖10-安装镶嵌块11-叶轮12-轴承13-阀盖14-橡胶浮动片31-漏斗段32-安装段33-安装面34-支撑立柱81-安装通孔71-隔板72-多级旋转楼梯73-排气孔74-过渡平面91-喇叭部92-直筒部93-翻边94-缺口95-限位凸台101-凸起131-密封台132-盖体100-燃油箱总成200-燃油蒸汽液化回收装置300-炭罐总成300a-吸附管口300b-脱附管口300c-大气管口；燃油占比高蒸汽Ⅰ、燃油占比低蒸汽Ⅱ、燃油液滴Ⅲ、液态燃油Ⅳ。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1-2所示，本发明提供一种燃油蒸汽液化回收装置，包括从上至下依次连接形成密封腔体的上端盖1、壳体2、下端盖3，上端盖1、壳体2、下端盖3分别设有第一管接头4、第二管接头5、第三管接头6；壳体2内设有与第二管接头5对应连通的环状的自旋转分离腔室7，自旋转分离腔室7的内缘包围形成上下贯通的中空部8，中空部8上端与第一管接头4连通，壳体2在自旋转分离腔室7下方设有用于离心分离的叶轮组件以及将离心处理后的气体通向第一管接头4的分离导盖9；下端盖3内设有仅朝第三管接头6方向流通的单向阀组件。本实施例中，以图1中上下向为轴向，上端盖1、壳体2、下端盖3、叶轮组件、分离导盖9、单向阀组件间均为同轴装配，第一管接头4、第三管接头6沿轴向设置。
如图3-6所示，自旋转分离腔室7为上端盖1、壳体2共同密封形成，自旋转分离腔室7在临近第二管接头5处设有环向隔断的隔板71，自旋转分离腔室7内沿第二管接头5引入气体的旋转方向设有台阶面逐渐升高的多级旋转楼梯72，自旋转分离腔室7底部在多级旋转楼梯72最高处与隔板71间设有排气孔73。自旋转分离腔室7在与第二管接头5连通处至多级旋转楼梯72最低处之间设有过渡平面74，第二管接头5相对于自旋转分离腔室7水平切向设置且过渡平面74与第二管接头5内壁底部平齐。本实施例中，过渡平面74、多级旋转楼梯72、排气孔73、隔板71沿气流转动方向依次设置，第二管接头5相对于自旋转分离腔室7水平切向设置可使燃油蒸汽进入后快速自旋转，过渡平面74既可在加油时引导第二管接头5内的燃油蒸汽快速进入自旋转分离腔室7，又可在加油完毕后使多级旋转楼梯72上的燃油液滴迅速向下流入第二管接头5。
如图7-8所示，分离导盖9包括从下向上内径逐渐收缩的喇叭部91以及喇叭部91上方内径均一的直筒部92，叶轮组件安装于直筒部92上，直筒部92上端进入中空部8内固定连接。
中空部8底部设有台阶状的安装通孔81且内部安装有环形的安装镶嵌块10，分离导盖9的直筒部92穿过安装通孔81与安装镶嵌块10内壁间形成间隙配合，直筒部92与安装镶嵌块10间周向限位连接。直筒部92顶部设有翻边93，翻边93上周向间隔设置多个缺口94，安装镶嵌块10朝上延伸形成多个与缺口94对应的凸起101，各凸起101对应位于缺口94内将直筒部92与安装镶嵌块10周向限位。本实施例中，缺口94、凸起101均为两个，径向相对设置。
叶轮组件包括相连接的叶轮11和轴承12，直筒部92外壁设有环形的限位凸台95，轴承12套接在直筒部92上且底部与限位凸台95配合。本实施例中，轴承12内径与分离导盖9的直筒部92过盈配合。叶轮11的上半部分叶片外径与壳体2内壁单边间隙约为0.5～1mm；下半部的叶片外径与壳体内壁单边间隙较大。
如图9-10所示，下端盖3包括从上至下内径逐渐收缩的漏斗段31以及漏斗段31下方内径均一的安装段32，安装段32底部径向朝内延伸形成环形的安装面33与第三管接头6连接，安装面33内缘周向间隔朝上凸起形成支撑立柱34。
如图11-12所示，单向阀组件包括设置于安装段32内的阀盖13和橡胶浮动片14，阀盖13包括位于安装面33上、与安装段32内壁紧贴的环形的盖体132，盖体132在支撑立柱34上方设有环状的密封台131，橡胶浮动片14常态下位于支撑立柱34上并在燃油蒸汽进入时上浮与密封台131间密封连接。橡胶浮动片14外径大于支撑立柱34外径和密封台131外径，小于盖体132内径。
本实施例中，分离导盖9的喇叭部91最下端外沿直径同壳体2内径单边间隙为2.5～3mm左右。叶轮11的上半部分叶片外径与壳体2内壁单边间隙约为0.5～1mm；下半部的叶片外径与壳体内壁单边间隙较大。橡胶浮动片14外径和阀盖13内径单边间隙为0.5～0.8mm，橡胶浮动片14的厚度为0.5～1mm。
如图13所示，本实施例还提供一种燃油蒸汽液化回收装置的燃油蒸发排放系统，包括燃油箱总成100、燃油蒸汽液化回收装置200、炭罐总成300，燃油蒸汽液化回收装置200装配位置要高于燃油箱总成100，炭罐总成300上设有吸附管口300a、脱附管口300b、大气管口300c，燃油蒸汽液化回收装置200的第二接头5和第三接头6通过三通管道与燃油箱总成100连通，第一接头4通过管道与吸附管口300a连通。脱附管口300b连接脱附控制阀；大气管口300c和泄漏检测装置相连。
本实施例中各部件的装配过程为：
第一工序：轴承12可以通过注塑工艺或后加工工艺和叶轮11装配在一起，轴承12可以通过物体的热胀冷缩工艺或者冷焊接方式与分离导盖9固定在一起；
第二工序：将第一工序完成的组合件整体装配至壳体2内腔，然后将分离导盖9的直筒部92与壳体2的安装镶嵌块10铆接在一起；
第三工序：上端盖1和壳体2通过可通过振动摩擦焊接、热板焊接、红外焊接和激光焊接方式焊接在一起；
第四工序：在下端盖3的支撑立柱34上端装配橡胶浮动片14后，阀盖13和下端盖3的安装段32内壁通过超音波工艺焊接在一起；
第五工序：下端盖3和壳体2可通过旋转摩擦焊接、振动摩擦焊接、热板焊接和激光焊接工艺焊接在一体。
本实施例中燃油蒸发排放系统的工作原理为：
如图14-15所示，加油之前燃油箱总成100内部充满了空气，加油时液态燃油分子和空气迅速流动形成油气混合的燃油蒸汽，从燃油箱总成100的机械阀门中逃逸出来。燃油箱总成100与第二管接头5、第三管接头6间采用三通管道连通。燃油蒸汽首先通过第三管接头6进入燃油蒸汽液化回收装置200内部，气流会将橡胶浮动片14向上推动，橡胶浮动片14与阀盖13的密封台131间形成密封，自动关闭第三管接头6所在通道。随后燃油蒸汽通过第二管接头5进入燃油蒸汽液化回收装置200，先进入自旋转分离腔室7，燃油蒸汽中的空气部分因重量较轻可自由通过多级旋转楼梯72，而燃油蒸汽中的液态蒸汽微粒会撞击多级旋转楼梯72中的直角部分，而形成燃油液滴Ⅲ，加油停止后燃油液滴Ⅲ会沿多级旋转楼梯72朝下流动至第二管接头5，返回至燃油箱总成100内；其余气体为燃油占比高蒸汽Ⅰ，从自旋转分离腔室7排气孔73排出。
而后，燃油占比高蒸汽Ⅰ会推动叶轮11使其自旋转，因离心的作用燃油蒸汽形成分层，浓度较大燃油分子位于外层进行凝聚，会形成少量液态燃油滴Ⅲ沿着壳体2光滑的壁面流到底部。
最后，燃油占比高蒸汽Ⅰ中的更轻液态蒸汽微粒和空气通过分离导盖9的喇叭端91的结构时，气流呈现扩散状，少量液态蒸汽微粒会碰撞壳体2内壁形成燃油液滴Ⅲ，燃油液滴Ⅲ沿着光滑的壁面流到底部。由于分离导盖9喇叭端91底部与壳体2周围间隙较小，通过分离导盖9周边燃油蒸气会急速向中心汇聚，液态蒸汽微粒在喇叭端91下方相互凝聚形成燃油液滴Ⅲ，并落入下端盖3，其余气体为燃油占比低蒸汽Ⅱ。燃油占比低蒸汽Ⅱ向上经分离导盖9通过第一管接头4进入炭罐总成300。
如图16-17所示，燃油蒸汽液化回收装置200在加油完成后，燃油液滴Ⅲ在下端盖3聚集形成液态燃油Ⅳ，液态燃油Ⅳ因重力将橡胶浮动片14向下移动，橡胶浮动片14落于支撑立柱34上，液态燃油Ⅳ会从支撑立柱34间的空隙进入第三管接头6，最终返回燃油箱总成100。
