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燃油系统国际标准及测试程序整理分析

燃油系統國際標準及測試程序整理分析

一、背景介紹

燃料系統泛指從燃料油箱至燃料噴嘴所涵蓋之系統，其中各個不同組件係由油管所連接而成，其安全性與耐用性對於車輛行駛安全與正常運行上十分重要。

柴油引擎的燃油系統主要由噴油泵、噴油嘴、高低壓油管、燃油泵、燃油濾清器以及油箱等元件構成，如圖1、2。

油箱及燃油輸送管主要的功能是儲存及輸送燃油的容器，商用車輛油箱材質大多為鍍鋅鋼板壓製並經防鏽處理而成；燃油濾清器主要的功能是將燃油中的雜質經由濾芯除去，並將燃油中的水份也分離開來。

柴油引擎的低壓燃油供應正常與否將會影響行車安全與引擎運轉，所以油品的燃料特性，將可能產生油箱鏽蝕、油管鏽蝕、橡膠硬化、密封墊片變型與濾清器阻塞等等不良影響。

而現今市面上各種生質燃料與替代性燃料車輛廣泛運行，其所可能對於車用燃料系統造成磨耗、腐蝕或劣化等影響，尤其如油箱、油管等長時間裝載油料之零組件，若不慎腐蝕破損造成油料洩漏，對車輛使用安全造成影響，許多使用生質柴油國家與相關國際標準，也紛紛於車用燃料系統與零組件標準中，訂定生質柴油測試標準。

而目前國內也已於2010年開始推行B2柴油（添加2%生質柴油），且朝逐漸增加添加比例為政策目標，國外先進國國家如歐、美等亦大力推動並同步逐步修訂車輛燃油零組件驗證方法中測試油品納入生質燃料。

為探討使用生質柴油對低壓端油管之影響，本文針對油箱、油管、燃油濾清器及油水分離器等長時間裝載油料之零組件，蒐集各國燃油系統測試標準並進行分析整理。

圖1柴油車燃油供應系統示意圖[1]

圖2高壓電控共軌式噴射系統[2]

二、燃油管國際標準及測試程序整理

燃油管包含金屬油管及橡膠管兩類，例如於ISO標準[3]中分別有ISO8535的金屬油管標準以及ISO19013的橡膠管標準。

比較國際上柴油引擎之橡膠油管測試標準與國內現有規範，可以發現各國標準對於橡膠油管之基本物理試驗項目大致相同，如尺寸測定、破裂試驗、氣密試驗、負壓試驗、低溫撓性試驗、電性試驗、黏合強度試驗、臭氧試驗、耐熱老化試驗以及耐燃油試驗等，國內CNS6834標準[4]之測試項目著重於橡膠油管基本方面檢測。

在有關於生質柴油對於橡膠軟管之影響試驗上，目前國際上僅有ISO19013國際標準規範內有特別針對生質柴油的橡膠軟管試驗，測試項目為耐燃料試驗，其所使用之測試燃料為B20生質柴油，成分採用歐洲常見之油麻菜籽甲基酯（RapeseedMethylEster,RME）生質柴油與一般柴油進行混合，測試時間達5000小時，這麼長時間進行測試為的就是貼近實際使用情況，充分測試生質柴油對於橡膠軟管之影響。

另外，美國SAEJ30標準[5]也已經將生質柴油燃料試驗列入橡膠軟管測試項目中，目前已規劃其分類為J30R13項目，詳細測試條件、方式與標準則仍為研擬階段，日本JIS規範與國內CNS規範則均無使用生質柴油之相關測試或規範。

金屬管及複合材料管之標準以ISO8535標準為主，亦為中國大陸及日本JIS等同採用之標準。

而橡膠軟管之ISO19013標準其項目內容較完整，且中國大陸GB/T24141.1-2009亦等同採用該標準，各油管標準之比較如表1所示。

而中國大陸也參考DIN73378-1996汽車用尼龍管標準，修訂為汽車燃油系統用尼龍管，其差異主要在於中國大陸的標準只包含對PA11及PA12型尼龍材料的相關要求，差異比較請參考表2[6]。

因尼龍PA11及PA12材料在純生質柴油（B100）環境及高溫條件下，仍然保有極佳的化學與機械抗老化特性，相關的產品已被汽車製造商認可用於生質柴油燃料管路上。

表1燃油油管標準比較

ISO19013-1:

2005

SAEJ30

SAEJ2044:

2009

CNS10612

CNS6834

⏹適用範圍

對於柴油引擎之燃油管路之規範要求

汽油、柴油、機油、潤滑油等用於內燃機引擎之非金屬供油軟管

汽油及柴油供油管路，操作壓力最高500kPa

汽車之剎車、燃料及潤滑之配管用金屬管

橡膠管之一般檢驗法

⏹測試用油

80%柴油+20%生質柴油

ASTM規範燃油

ASTMReferenceFuelC

－

規定之燃料由、潤滑油

長度變化/伸長率

－

長度變化

伸長率最小200%

－

依CNS4437

123

爆破/破裂試驗

0.5~3MPa（依類型）

1.73~13.8MPa~依管徑規格與類別,

－

按規定之加壓速率至破裂，測定破裂壓力

黏合強度（兩層以上複合材）

ISO8033試驗程序,>1.5kN/m

1&3類最小27N；2類最小53.4N

－

依CNS3557求黏著強度

低溫繞性

72hr@21℃+72hr@-40℃,於彎曲後觀察裂痕

70hr@100℃+5hr@-40℃

－

-20、-30、-40℃

5、24、70hr

其中某一溫度時間彎曲後觀察洩漏、膨脹

內部

清潔度

雜質<5g/m2

燃油可溶物<3g/m2

－

抗撕裂

性能

>4.5kN/m

－

打入60°圓錐，擴展外徑增加至20%時，檢查傷痕、龜裂

－

耐臭氧

性能

依試驗條件試驗後檢查應無裂痕

依據ASTMD1149檢驗有無裂痕

－

依CNS10018流化橡膠臭氧劣化試驗法，檢查有無裂痕

耐熱

劣化性能

依ISO188條件試驗後應符合黏合強度、低溫曲橈及耐臭氧性能

70hr@100℃

－

依CNS3556於規定溫度放置3~24hr後，應符合彎曲及耐壓試驗

耐油污

性能

機油、煞車油等,試驗後應符合黏合強度、低溫曲橈及耐臭氧性能

No.3油（ASTM）70hr@100℃

機油,變速箱油,柴油,煞車油,水箱水,分別60天

－

耐折曲

性能

最大變形係數（T/D）<0.7,適用於內逕小於16mm者

－

依管之標稱直徑折彎360°，檢查有無傷痕、龜裂

－

耐負壓

性能

0.08MPa維持15~60s,0.8倍內徑之圓球應可通過

－

按規定之負壓加於管，保持5分鐘，檢查洩漏

耐壓力

N/A

50%爆破壓力維持30~60s

按規定之壓力加於管，保持5分鐘，檢查洩漏

耐燃油

性能

B20柴油5000hr@80℃,

B類（ASTM）燃油48hr後,原始拉伸強度及伸長率<-30%

－

依CNS3562硫化橡膠浸漬試驗法，計算拉伸強度及伸長率

耐燒穿

性能

承受60s火焰暴露無壓力損失

－

耐腐蝕

性能

N/A

依據ASTMB117方法,48hr後不能有腐蝕或其它衰退

－

依剎車管試驗法之鹽水噴霧試驗

依CNS3562硫化橡膠浸漬試驗法，計算拉伸強度及伸長率

電性試驗

<10MΩ

－

管兩端裝上金屬裝置，以500V絕緣電阻計量測

耐久壽命

依試驗程序後應符合黏合強度、低溫曲橈及耐臭氧性能

－

其它

－

完整性檢查、外觀檢察

－

扁平試驗、硬度試驗、鍍厚試驗

尺度測定、氣密試驗、

表2尼龍燃油油管標準比較

DIN73378-1996

中國QC/T草案

材料

PA6、PA11、PA12

PA11PA12

顏色

管子顏色為天然色（nf）或黑色,其它的顏色由供需雙方協商決定（縮寫標誌為藍色b1,綠色gn,紅色rt,黃色ge）

管子的顏色通常為黑色,顏色必須連續均勻,其它顏色規定由製造商與用戶協商確定

外觀

管子不允許有妨害其使用性能的製造缺陷（如氣孔）

性能要求

管子

密度

熔化溫度

供貨時的水分含量

－

可萃取的成分

相對應力強度/破壞應力

爆破壓力

衝擊功

耐熱老化性

熱穩定性

剛性彈性模數

－

紫外線耐久性

管總成

－

拔脫力

－

密封性

標誌及標籤

有

檢驗規則

無

有

包裝、運輸及儲存

無

有

三、燃油箱國際標準及測試程序

燃料油箱因使用時裝載大量易燃性燃料，因此需要特別要求其產品性能，依據本計畫所蒐集之歐盟、美國、日本與中國等地區對於燃料油箱的相關規範，並與國內既有規範做比較，可知燃料油箱的基本測試項目，包含衝擊試驗/墬落試驗、耐火試驗、翻轉試驗與液壓試驗/耐壓試驗，以及耐高溫試驗等，主要安全法規規範有關。

而與生質燃料相關的部份，歐盟測試係採用市售柴油，因此也包含生質柴油，並增加耐燃油性能測試，亦即進行耐燃油性測試後，需再通過衝擊試驗、機械強度試驗等，藉此測試當油箱存放燃料12週後，本體是否會產生影響安全之情況。

而市售車輛目前廣泛運用之塑膠燃料箱，由於其材質與金屬油箱不同，因此各國在同一規範中除了原有金屬油箱的測試項目外，會額外再增加針對塑膠燃料箱的測試項目與程序。

例如，以耐壓試驗而言，金屬油箱的測試方式是將油箱密封後，向內部施加80kPa之壓力，保持壓力30秒，此時間內不可出現洩漏、破裂之現象；而針對塑膠燃料箱之耐壓試驗，則是加入定容量定溫之水後，密封油箱，向內部施加30kPa之壓力，保持壓力5小時，此時間內不可出現洩漏、破裂之現象，但可永久變形，各油箱標準之比較如表3所示。

表3燃油油箱標準比較

GB18296

EU歐規標準

SAEJ703

CNS14579-1

⏹適用範圍

以汽油、柴油為燃料的M、N類汽車燃油箱

以汽油、柴油為燃料的燃油箱

4550公斤以上之卡車或牽引車輛

以液態燃料的M、N、O類汽車燃油箱

⏹試驗流體

水、乙二醇混合液

依照燃油箱所設計之燃料種類作為測試

密度與黏滯度接近正常使用燃料之不可燃液體

翻轉試驗

翻轉油箱穩定15s後，量取1min的洩漏量，1min洩漏量不得大於30g/min。

以90%和30%的水進行試驗，翻轉90°後維持5min接著繼續翻轉90°維持5min洩漏量不得大於30g/min

以95%燃料進行試驗，翻轉90°後填入空氣至28kPa，繼續翻轉90°維持5min洩漏量不得超過1oz/min（29.6c.c）

以30%及90%箱標稱容量試驗。

翻轉90°後維持5min，接著繼續翻轉90°5min。

再按反方向進行試驗，洩漏量不得超過30g/min。

壓力試驗

施加80kPa的壓力，保持壓力30s，不得洩漏、裂開。

加壓至油箱2倍工作壓力但不超過0.3bar維持1min，不得破裂或洩漏，但可永久性變形。

－

逐漸增加至2倍工作壓力（表壓），其壓力不可低於0.3Bar，持續1分鐘，不可破裂或洩漏，允許永久變形。

安全閥開啟

壓力試驗

向油箱施加壓縮空氣，以8kPa/min的速率升至55kPa，觀察安全閥是否開啟

－

燃油箱振動

耐久性試驗

加入1/2容量的水進行測試，不得洩漏

－

角錘/墜落/

衝擊試驗

角錘頂點以30J的衝擊能量撞擊燃油箱易損傷部位，觀察是否洩漏

角錘頂點以30J的衝擊能量撞擊燃油箱易損傷部位，不得洩漏

將油箱內裝滿水，並且從9.1m（30ft）墜落至一堅硬平面，洩漏量不得超過1oz/min（29.6c.c）

擺錘需為每面皆為正三角形，基部為正方形，距擺錘轉軸之距離應為1m，質量15kg，角錘頂點以30J的衝擊能量撞擊燃油箱易損傷部位，不得洩漏

耐腐蝕試驗

依照GB金屬材料試驗方法

GB/T5065;GB/T2518

GB/T1567;GB/T3880.-GB/T3880.2

－

僅提到必須使用可耐標準燃料腐蝕之材料

此外，歐盟、日本與美國均有針對燃料油箱進行車輛碰撞後洩漏試驗，藉由車輛前/後撞擊試驗了解車輛發生意外時，油箱受到擠壓後其安全性，此部份目前國內CNS尚無制定相關測試方式與規範，但整車碰撞測試僅規範於輕型車輛，在重型車輛部份並無規範。

我國CNS標準所採用的燃料油箱測試用油則是須符合CNS1471規範，此規範之適用範圍包括純柴油與B5以下生質柴油之規範，因此國內測試燃油箱時，可使用生質柴油作為測試燃料。

但國內燃油箱測試項目多為物理性質測試，無法完全反應生質柴油於實際使用上之狀況。

雖然歐盟與國內規範內之測試用油包括生質柴油，但是均為非強制性要求，而美國與日本測試方法則是以純柴油作為測試用燃料。

四、燃油濾清器國際標準及測試程序

國內濾清器的測試為依據CNS9373標準而來，主要著重於濾清器之機械性能，例如耐壓、耐振、衝擊試驗，以及測試濾清器對於混雜物與水等污染物之過濾能力等等，此部分係參照日本JISD1617標準[7]，因此兩者規範內容一致。

而日本JISD1617則是參照ISO國際標準，但是參照版本年代較為早期，近期並未隨著ISO國際標準修訂更新；中國QC/T772標準目前也是參照ISO標準與SAE標準制定而成。

各標準對於燃油濾清器之測試項目，CNS標準與日本JIS標準多著重於濾清器基本機械性能測試；ISO4020標準則是除了基本機械性能測試與濾清性能測試外，另外增加模擬實際使用之測試，例如脈衝壓力耐久試驗；而美國SAEJ905標準則是再增加基本化學試驗，例如耐燃料試驗。

業者內部之標準規範之測試項目最為多元，除了包含濾清器的強度、耐用性及清潔力外，還有對於高溫、低溫與高低溫混合之環境測試，並針對濾清器之化學性質進行試驗，如：

耐腐蝕性、耐鹽化等項目，對於抗外來物的化學變化有更嚴格的要求，各標準之比較如表4。

由於目前新柴油引噴射系統組件的間隙很小，僅有1.5~3μm左右，小於間隙尺寸的雜質粒子不會對精密組件產生磨耗，因此只需針對柴油中3μm以上的雜質進行清除[8]，而對於燃油濾清器過濾精度在未來的測試標准修訂上也正在檢討修正最小粒徑量測範圍從3μm以上開始。

燃油濾清器之測試內容，涵蓋機械特性、過濾性能、耐久及化學特性等，。

其方法又可分為重量法與顆粒數計算法，以粒子數計算法為較新之方法，其優點在於顆粒數計算法是對測試樣品直接測試而不需取樣收集，具有操作簡便、計數速度快，檢測結果精度到達顆粒的尺寸，而重量法的試驗結果僅能反映顆粒雜質的重量，並無法量測到雜質大小尺寸及分布情況，故以顆粒數計算法為較科學化而準確的方法，其比較可參考表5。

而又以雜質粉末通過濾清器之次數而可分為單通測試（single-pass）及多通測試，單通測試的標準有ISO/TS13353及SAEJ1985，其中ISO/TS13353標準主要針對過濾效率已失效不再適用並由ISO19438取代，而ISO19438多通測試則除了過濾效率外也包含了儲灰能力的試驗。

由於試驗粉末的粒徑與其重量百分比係依據ISO粒徑尺寸分布由1μm到120μm不等，過濾性能的測試結果必須顯示顆粒尺寸與過濾效率的關係，表示如95%@10μm。

表4燃油濾清器各標準比較

標準別

ISO4020

ISO19438:

SAEJ905:

2009

SAEJ1985

CNS9373

⏹適用範圍

柴油引擎車輛之燃油濾清器

▪評估內燃機引擎用之汽柴油濾清器（適用流量50L/h~800L/h）

▪為多通測試法（multi-passtest）

適用於柴油引擎燃油系統

▪（適用流量50L/h~800L/h範圍）

▪為單通測試法（single-passtest）

汽車柴油引擎用燃油濾清器

⏹試驗流體及試驗粉末

粉末:

ISO12103-2,M1及M2

粉末:

ISO12103-A3

流體:

依其AnnexA要求

依SAEJ1696規格

粉末:

ISO12103-1,A2

CNS1331（輕柴油）之二號油，粉末依CNS之第8種

試驗項目

清潔度（mg）-新濾芯出口側所收集之雜質

2倍額定流量試驗1hr,量測由濾芯清洗出的雜質重量

量測最終的測試燃油體積、重量（mg/L）、取樣系統上下游流量（Liter/min）進行計算

以額定流量試驗,4個試驗件,各30分鐘總共2hr（重量法）

－

以額定流量試驗，以重量法計算捕捉容量，且需經過乾燥後取得污染物重量。

過濾效率（%）

－

粒子計數法:

量測記錄≧4μm~50μm各尺寸雜質的過慮效率%

重量法

－

重量法

儲灰能力（mg/L）

－

依據ISO4405的重量分析法

重量法

－

製作完整性試驗

依ISO2942

－

壓差

依規定流量量測濾芯前後壓差

量測總成壓差、濾清器外殼壓差、濾清器最終壓差等

－

依規定流量，量測濾芯前後壓差

水分離效率

燃油流量50L/h

水份濃度2%

－

水濃度0.5%

－

水份濃度1%，時間1小時

濾芯破損試驗

由100kPa遞增至1000kPa

－

調整濾芯測試壓差由170kPa開始直至濾芯破壞或達最大壓差設計值

－

經清潔度試驗後之濾芯，依CNS5652之6.5節進行試驗，壓力5kg/cm2

脈衝壓力疲勞試驗

脈衝壓力200kPa±20kPa

次數>4×104

－

振動疲勞試驗

依規定之振動頻率/加速度值/次數

－

振幅0.76mm

頻率:

10-50-10Hz/min

－

依CNS7173實施

耐燃油性能

－

表5顆粒計數法與重量法之比較[9]

差異處

重量法

顆粒計數法

設備

真空抽樣裝置

顆粒計數器

取樣法

取樣瓶取樣

線上即時計數法

表示方法

單位體積液體所含顆粒總重量來表示,單位為mg/L

以單位體積液體所含多種粒徑的顆粒數來表示,單位為個/mL

測試標準

SAEJ905A

ISO4405:

1991

SAEJ1985

ISO/TS13353

ISO19438:

2003

試驗粉末

ACFTD

ISO12103-A3

ISOMTD

五、油水分離器測試標準及測試程序

水份對於燃油及零組件的影響，主要在於低溫結冰、微生物生長、腐蝕、燃油系統劣化及燃油品質的劣化、使供油系統精密零組件處於半乾摩擦狀態而造成加速磨損等，而且較新的研究發現，現代高精度噴射零組件在噴油時，水在高溫作用下迅速膨脹將導致噴油孔塑性變形。

故ISO16332標準及SAEJ1488等標準制定委員會均不斷地努力地改進測試方法，以因應新的技術演進，例如SAEJ1488則已在檢討，由於超低硫柴油（ULSD）及生質柴油等其介面張力範圍介於3~30mN/m，但目前測試油的介面張力範圍則為25~30mN/m，再者由於實際上使用超低硫柴油或生質柴油時，因介面張力較低，原有規範中油水分離效率須達95%以上之條件則可能不適合其油品特性。

目前，ISO16332：

2011的修正草案預計將測試用油的介面張力修正至10±2dynes/cm或是可使用市售柴油。

另外，國內CNS標準目前尚未訂定油水分離器之相關規範。

在油水分離器的測試中，可分為單通與多通測試，其中ISO4020為單通測試，ISO16332則為多通測試。

ISO16332多通測試較能模擬實際的燃油系統迴路，亦即該系統不斷地濾除部分水份，而未被濾除的部份在系統內循環多次通過油水分離器。

而在ISO16332測試中亦含有乳化水產生裝置，來模擬不同的水份粒徑，亦即使用不同的流孔板來產生穩定的水滴粒徑，以確保測試結果有良好的再現性，而ISO4020則係由薄膜泵產生而無法產生穩定的粒徑分佈，故ISO16332將取代ISO4020的油水分離試驗法[10]。

另外，在測試內容上，注水濃度、水在油中的型態都是對於測試結果比較重要的影響參數，各測試之間的差異標準比較如表6。

油水分離器與濾清器的搭配，在重型商用柴油車及輕型柴油車上的應用並不相同，以重型車而言係與前置過濾器（pre-filter）結合，除過濾粗粒雜質外，油水分離乃為其主要功能，而輕型商用車則直接與濾清器結合。

表6油水分離器標準比較

ISO/TS16332：

2006

ISO4020

SAEJ1488:

SAEJ1839

⏹適用範圍

主要應用在裝於低壓泵前端或後端之濾清器,流量介於50L/h~900L/h

應用流量範圍~600L/h

用於評估油水分離器對於水份去除性能

試驗標準內容比較

單通或多通

多通測試

單通測試

測試時間

90分鐘

150分鐘

注入水份型態

乳化或粗粒（游離水）

乳化

粗粒（游離水）

介面張力IFT（dynes/cm或mN/m）

15±3

25~30

水滴直徑μm

60或300

未定義

180~260

注水濃度ppm

標準：

1,500±75ppm

option條件：

2±0.1%

20,000（2%）

2,500

泵浦

不可有脈衝變化之泵浦

膈膜式泵浦

3500rpm離心式泵浦

未定義

六、結論與分析

1.由於污染排放法規標準日趨嚴格，應用新的柴油引擎噴射技術以及使用替代燃油都是用來因應的技術方案，新技術的應用同時也造成燃油品質要求的提高，因此，在燃油系統中之油管標準、燃油濾清器標準、油水分離器標準等方面，在近年來也不斷地更新修訂，以符合當前的產業技術需求。

2.在ISO19013燃油管試驗標準中，其測試用油已考量B20生質柴油特性。

另外，由於尼龍材質使用於生質燃料具良好化學與機械特性，尼龍材質已被汽車製造商認可為製作車用生質燃料油管材料之一。

3.在濾清器試驗標準方面，我國採重量分析法分析濾芯捕捉容積與計算過濾效率，而國外採顆粒計數法來計算過濾效率。

採用重量分析法無法觀察濾清器對不同粒徑雜質的過濾效率，而顆粒計數法可以，我國未來也可考量增訂顆粒計數法的試驗標準，藉此提升國內業者在國際間的競爭力。

4.柴油中含有水份對引擎的影響很大，油水分離器的應用與其試驗標準也因應而生，隨著柴油引擎技術的演進，在油水分離器試驗標準的發展也朝向多通測試以模擬實際的特性、且能產生穩定的水滴粒徑分布來達到量測數據的再現性，可參考的標準如ISO16332，目前ISO16332也規劃針對油品特性如介面張力及水滴粒徑尺寸進行修訂，以期符合實際的使用條件。

參考文獻

[1]網站

[2]網站.tw/news_01.htm

[3]ISO標準，http:

//www.iso.org/iso/home.html

[4]CNS標準，.tw/

[5]SAE標準，http:

//www.sae.org

[6]由汽車國3排放法規確定對柴油濾清器的要求,王金富等,現代車用動力,No.4（serialNo132）Nov.2008

[7]日本JIS標準，http:

//www.jisc.go.jp/index.html

[8]柴油系統中的水分離要求,王強,Oct,11th2011

[9]Understandingemulsifiedwaterfiltrationfromdieselfuels,ChuanfangYang,MikeMadsen,PaulKojetin,J

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