梁志濤+++李峰+++胡艷輝+++唐明

摘 要：利用star-ccm+軟件，通過(guò)有限元仿真，對(duì)本司某款汽車的燃油加注系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬。根據(jù)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果對(duì)燃油加注提前“跳槍”與“反噴”現(xiàn)象進(jìn)行分析并提出優(yōu)化方案，最后通過(guò)樣車燃油加注試驗(yàn)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，仿真模擬具有足夠精度，可為研發(fā)過(guò)程節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用，并縮短研發(fā)周期，減少設(shè)計(jì)變更。

關(guān)鍵詞：汽車；燃油加注系統(tǒng)；CFD仿真分析

1 概述

汽車在加油過(guò)程中，加油系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理會(huì)導(dǎo)致加油槍提前跳槍或燃油反噴等現(xiàn)象。傳統(tǒng)的方法是采用樣車實(shí)驗(yàn)來(lái)發(fā)現(xiàn)和解決此類問(wèn)題，樣車實(shí)驗(yàn)中很難觀察到燃油在加油管中的流動(dòng)情況，且會(huì)增加設(shè)計(jì)變更，延長(zhǎng)整車開發(fā)周期，增加開發(fā)成本。

隨著CFD（Computational Fluid Dynamic，即計(jì)算流體力學(xué)）技術(shù)的發(fā)展，依據(jù)瞬態(tài)三維粘性流動(dòng)數(shù)值計(jì)算方法，應(yīng)用多相流模型中的VOF（Volume of Fluid）模型來(lái)模擬加油過(guò)程，可以直觀的觀察到各個(gè)時(shí)刻加油系統(tǒng)中的燃油的分布情況，實(shí)現(xiàn)加油系統(tǒng)燃油流動(dòng)的可視化，并迅速確定出現(xiàn)問(wèn)題的部位及原因，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)[1]。

文章運(yùn)用star-ccm+軟件對(duì)本公司某款汽車的加油系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析。文中對(duì)加油系統(tǒng)模擬包含兩部分：提前“跳槍”分析和“反噴”風(fēng)險(xiǎn)分析，針對(duì)兩種模擬分析結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證并提出優(yōu)化方案，根據(jù)優(yōu)化方案分析結(jié)果進(jìn)行樣車試驗(yàn)。

2 基本理論

2.1 加油槍跳槍原理

圖1 燃油加注原理示意圖

正常情況下，車輛燃油加注到額定容量是燃油從燃油箱加注口逐漸上升到加油管口部，液態(tài)燃油接觸到加油槍進(jìn)氣嘴引起加油槍關(guān)閉加注。整個(gè)加油系統(tǒng)如圖1所示。

2.2 多相流選擇與控制方程

汽車加油過(guò)程涉及到非穩(wěn)態(tài)、多相流、湍流并伴隨著氣液傳質(zhì)等多種物理和化學(xué)現(xiàn)象，而空氣的卷吸攜帶、氣-液界面上的質(zhì)量傳遞以及體系內(nèi)不同部件在時(shí)空尺度上的較大差異使得CFD數(shù)值模擬工作更為復(fù)雜，且這些因素對(duì)燃油加注系統(tǒng)仿真分析影響很小。因此文章研究基于如下假設(shè)：（1）整個(gè)體系等溫，液態(tài)汽油與油氣之間不發(fā)生熱量傳遞；（2）不考慮液態(tài)汽油與油氣之間存在的傳質(zhì)問(wèn)題；（3）只考慮強(qiáng)制對(duì)流，不考慮氣相密度不同而帶來(lái)的浮力的影響；（4）氣相在整個(gè)體系內(nèi)的擴(kuò)散比較均勻，即氣相的黏度和擴(kuò)散特性不因體系內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)的不同而變化[3]。

star-ccm+軟件中的VOF模型適用于分層流、自由面流動(dòng)、灌注、晃動(dòng)、液體中大氣泡的流動(dòng)、水壩決堤時(shí)的水流以及對(duì)噴射破碎（表面張力）的預(yù)測(cè)等場(chǎng)合，能夠求得任意液-氣分界面的穩(wěn)態(tài)或瞬時(shí)分界面，因此本研究選擇VOF模型[2]。在VOF模型中，氣、液兩相共用壓力和速度等體積平均變量，描述2種互不相溶、不可壓縮流體的體積平均質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程分別為：

（1）

（2）

式中，f？滓為由表面張力引起的體積力。混合物的密度和動(dòng)力黏度可以通過(guò)體積分?jǐn)?shù)平均的方法來(lái)決定：

（3）

在氣液兩相的分界面上，因氣、液表面張力的不同而產(chǎn)生了一個(gè)壓力跳躍，因此為了保持平衡，壓力跳躍的梯度必須等于動(dòng)量方程中的額外體積力。雖然動(dòng)量方程針對(duì)整個(gè)求解域，但通過(guò)給定氣液過(guò)渡區(qū)一個(gè)有限厚度，這個(gè)體積力僅僅在界面上較為顯著。該不連續(xù)的壓力跳躍可以按式（4）計(jì)算：

（4）

顯然，有必要知道在整個(gè)計(jì)算域中的氣相體積分?jǐn)?shù)，氣液兩相分界面的跟蹤通過(guò)針對(duì)體積分?jǐn)?shù)求解下列連續(xù)性方程來(lái)實(shí)現(xiàn)：

（5）

當(dāng)計(jì)算單元全部充滿氣相時(shí)，？琢=1；否則？琢=0。氣液兩相的分界面可以通過(guò)尋找0<？琢<1的單元得到。

3 建立有限元模型

3.1 面網(wǎng)格生成

面網(wǎng)格劃分主要通過(guò)前處理軟件Hypermesh和star-ccm+軟件相結(jié)合的方法來(lái)完成。先在Hypermesh中進(jìn)行幾何清理和零部件命名，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)油箱網(wǎng)格尺寸設(shè)定為5mm，對(duì)需要加密的管路進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，為了能直觀、詳細(xì)的觀察加油管燃油回流情形，需對(duì)加油管和通氣管進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，網(wǎng)格基本尺寸設(shè)定為1.5mm，然后將劃分好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入到srar-ccm+中進(jìn)行面網(wǎng)格處理，主要針對(duì)不合格的面網(wǎng)格進(jìn)行再處理。如圖2所示。

圖2 加油系統(tǒng)面網(wǎng)格

3.2 體網(wǎng)格生成

利用star-ccm+自帶的體網(wǎng)格劃分功能，對(duì)處理完的面網(wǎng)格進(jìn)行體單元填充。為了保證計(jì)算的精度和節(jié)省計(jì)算資源，對(duì)加油管與通氣管部位建立一個(gè)block進(jìn)行體網(wǎng)格細(xì)化，并生成5層邊界層，細(xì)化體網(wǎng)格尺寸為1mm，其余體網(wǎng)格尺寸為5mm。最終生成體網(wǎng)格為130萬(wàn)。

3.3 邊界條件

需模擬加油系統(tǒng)中各時(shí)刻體積分?jǐn)?shù)和速度的分布，故采用瞬態(tài)流動(dòng)，時(shí)間步長(zhǎng)0.05s，子迭代10步，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，VOF算法，建立包括加油管、燃油箱、通氣管和加油槍（進(jìn)入加油管部分）在內(nèi)的加油系統(tǒng)，進(jìn)行模擬注油（設(shè)置油箱內(nèi)已注有部分燃油，燃油液面盡量接近通氣管排氣口所在平面）。

（1）速度入口：4.57m/s（約為55L/min），根據(jù)GB 50156-2002《汽車加油站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》中要求；（2）壓力出口：設(shè)置出口為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；（3）其他邊界均為無(wú)滑移壁面；（4）為了檢測(cè)喉口處燃油回流情形，在油槍嘴出口附近建立一個(gè)監(jiān)測(cè)面（此監(jiān)測(cè)面建立于自封油槍進(jìn)氣嘴處），在計(jì)算過(guò)程中監(jiān)測(cè)燃油通過(guò)流量大小，在通氣管內(nèi)建立多個(gè)監(jiān)測(cè)截面，監(jiān)測(cè)通氣管內(nèi)壓力變化。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 提前“跳槍”分析

加油槍提前跳槍是在加油過(guò)程中油箱內(nèi)燃油量未達(dá)到額定容量95%時(shí)，加油管內(nèi)燃油返流，加油槍跳槍停止加油。endprint

導(dǎo)致加油前提前跳槍的原因有多種，下面僅對(duì)加油管與排氣管做出說(shuō)明：（1）燃油加注到加油管第一個(gè)拐角時(shí)，由于管壁的摩擦力和液態(tài)流動(dòng)的方向變化產(chǎn)生渦流造成彎管處燃油回流，液態(tài)燃油往管口方向回升接觸到加油槍進(jìn)氣嘴引起加油槍跳槍。（2）加油槍提前跳槍是由于加油前通氣管內(nèi)有大量燃油殘留，導(dǎo)致該燃油殘留的主要原因是通氣管排氣口設(shè)計(jì)不合理。

在分析時(shí)不考慮排氣管內(nèi)存有燃油殘留。計(jì)算結(jié)果顯示，該車型在前3s內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)燃油回流現(xiàn)象，因此不會(huì)導(dǎo)致提前“跳槍”，如圖3所示。故重點(diǎn)討論 “反噴”風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 “反噴”風(fēng)險(xiǎn)分析

反噴是燃油加注到油箱即將加滿時(shí)，油箱內(nèi)壓力上升過(guò)快，燃油在加油槍跳槍的同時(shí)從加油管中反向噴出。

加滿油“跳槍”同時(shí)出現(xiàn)“反噴”是由于加油管內(nèi)出現(xiàn)大量燃油聚集的同時(shí)，燃油箱內(nèi)壓力上升呈指數(shù)曲線增長(zhǎng)速度過(guò)快，導(dǎo)致加油管內(nèi)壓力瞬時(shí)上升，此時(shí)燃油已開始大量聚集在喉口部位，若此時(shí)壓力波動(dòng)大，瞬時(shí)壓力增長(zhǎng)快，此時(shí)導(dǎo)致燃油從加油管內(nèi)噴出。

在即將加滿油時(shí)，如圖4所示為加油系統(tǒng)油氣分界面狀態(tài)，可看出油箱內(nèi)燃油已滿，燃油開始大量聚集于喉口。

在18.6s時(shí)喉口處出現(xiàn)大量燃油聚集，如圖5所示。

加油槍“跳槍”靈敏度一般為0.3s，為驗(yàn)證加油槍在“跳槍”延時(shí)的時(shí)間段內(nèi)是否會(huì)產(chǎn)生“反噴”現(xiàn)象，因此為了確保加油槍“跳槍”，繼續(xù)加油0.3s，確定是否產(chǎn)生“反噴”風(fēng)險(xiǎn)。這時(shí)需參看繼續(xù)加油0.3s的加油管喉口監(jiān)測(cè)面與壓力監(jiān)測(cè)圖。

從圖5、6、7中可以看出，在18.6s時(shí)燃油開始大量聚集，此時(shí)壓力上升比較緩慢，但在之后0.3s內(nèi)，燃油已經(jīng)反向流到喉口部位，燃油極有可能會(huì)噴到外界，且在之后的0.3s內(nèi)壓力上升速度很快，呈現(xiàn)指數(shù)曲線增長(zhǎng)，瞬間上升，即在加滿油“跳槍”同時(shí)出現(xiàn)“反噴”。

4.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)公司樣車加油試驗(yàn)，試驗(yàn)反饋出現(xiàn)提前“跳槍”現(xiàn)象較少，且有多臺(tái)樣車出現(xiàn)了加滿油“跳槍”同時(shí)出現(xiàn)“反噴”。

5 優(yōu)化方案及結(jié)果對(duì)比

5.1 優(yōu)化方案

加油前通氣管內(nèi)有大量燃油殘留導(dǎo)致加油槍提前“跳槍”。加滿油“跳槍”同時(shí)出現(xiàn)“反噴”是由于加油管內(nèi)出現(xiàn)大量燃油聚集的同時(shí)，燃油箱內(nèi)壓力上升呈指數(shù)曲線增長(zhǎng)速度過(guò)快，壓力上升過(guò)快是由于達(dá)到油箱額定容積時(shí)排氣口向上布置，燃油封堵排氣口困難，此時(shí)油箱內(nèi)壓力一直在上升，燃油已開始大量聚集在喉口部位，排氣口向上布置會(huì)導(dǎo)致燃油突然封堵住排氣口，壓力會(huì)瞬間上升，如圖7中橢圓所示，導(dǎo)致燃油“反噴”出加油管。因此需針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題采取優(yōu)化措施。

5.1.1 為確保燃油在額定容積內(nèi)足夠多，防止加滿油同時(shí)出現(xiàn)燃油“反噴”出加油管現(xiàn)象，需將油箱內(nèi)通氣管布置為向下方向，如圖8所示，以此來(lái)確保燃油可以輕松封堵排氣口。此種排氣口一般是由于需要滿足車身強(qiáng)度要求，通氣管在外布置位置有限，需引入油箱內(nèi)布置，保證燃油在額定容積內(nèi)存放足夠多。

5.1.2 為防止加油過(guò)程中提前“跳槍”，需在油箱內(nèi)通氣管最底端開一個(gè)？覫（1～3）mm的小孔，如圖9所示，加油前通氣管內(nèi)若有大量燃油殘留會(huì)導(dǎo)致加油提前“跳槍”。在加油過(guò)程中，通氣管內(nèi)的大量燃油殘留會(huì)阻塞燃油箱內(nèi)部氣體通過(guò)通氣管排出，導(dǎo)致燃油箱內(nèi)壓力上升，加油管內(nèi)燃油回流，此時(shí)加油槍“跳槍”，導(dǎo)致該殘留的主要原因是排氣口在油箱內(nèi)部位不是整個(gè)通氣管路的最低端。因此通氣管設(shè)計(jì)時(shí)要保證在油箱外部管路無(wú)整個(gè)管路最低點(diǎn)，無(wú)局部管路最低點(diǎn)（即管路不可出現(xiàn)向下彎曲后再向上彎曲），通氣管路最低端在油箱內(nèi)，以此來(lái)保證燃油不會(huì)在通氣管內(nèi)聚集。

5.2 優(yōu)化后計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果對(duì)比表明，優(yōu)化后的通氣管，不會(huì)出現(xiàn)燃油殘留，不會(huì)出現(xiàn)“反噴”風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果如圖10、11、12所示。

對(duì)比喉口燃油大量聚集圖及壓力變化圖，壓力從開始增長(zhǎng)到跳槍結(jié)束一直呈現(xiàn)拋物線形狀增長(zhǎng)，增長(zhǎng)速度較緩慢，有足夠時(shí)間完成加油槍“跳槍”，不會(huì)出現(xiàn)“反噴”現(xiàn)象。

5.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)施優(yōu)化方案后進(jìn)行燃油加注試驗(yàn)，為驗(yàn)證仿真分析結(jié)果，對(duì)通氣管整改后的燃油加注系統(tǒng)進(jìn)行樣車試驗(yàn)，最終得出所做試驗(yàn)樣車加油系統(tǒng)未出現(xiàn)提前“跳槍”與“反噴”現(xiàn)象。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)star-ccm+仿真分析手段對(duì)研發(fā)過(guò)程中本司某款汽車的燃油加注系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，并針對(duì)分析過(guò)程中存在“反噴”現(xiàn)象的問(wèn)題提出優(yōu)化措施。最后經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比可知仿真結(jié)果精度可信，能夠?qū)⑷加图幼⑻崆啊疤鴺尅迸c“反噴”隱患扼制在研發(fā)初期階段，同時(shí)縮短了研發(fā)周期，降低了試驗(yàn)費(fèi)用。

參考文獻(xiàn)

[1]張杰山，蔣春龍.加油過(guò)程的CFD分析在汽車油箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].汽車工程師，2010，1.

[2]朱紅均，林元華，謝龍漢.Fluent12流體分析及工程仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[3]陳家慶，張男，王金惠，等.機(jī)動(dòng)車加油過(guò)程中氣液兩相流動(dòng)特性的CFD數(shù)值模擬[J].環(huán)境科學(xué)，2011.endprint

導(dǎo)致加油前提前跳槍的原因有多種，下面僅對(duì)加油管與排氣管做出說(shuō)明：（1）燃油加注到加油管第一個(gè)拐角時(shí)，由于管壁的摩擦力和液態(tài)流動(dòng)的方向變化產(chǎn)生渦流造成彎管處燃油回流，液態(tài)燃油往管口方向回升接觸到加油槍進(jìn)氣嘴引起加油槍跳槍。（2）加油槍提前跳槍是由于加油前通氣管內(nèi)有大量燃油殘留，導(dǎo)致該燃油殘留的主要原因是通氣管排氣口設(shè)計(jì)不合理。

在分析時(shí)不考慮排氣管內(nèi)存有燃油殘留。計(jì)算結(jié)果顯示，該車型在前3s內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)燃油回流現(xiàn)象，因此不會(huì)導(dǎo)致提前“跳槍”，如圖3所示。故重點(diǎn)討論 “反噴”風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 “反噴”風(fēng)險(xiǎn)分析

反噴是燃油加注到油箱即將加滿時(shí)，油箱內(nèi)壓力上升過(guò)快，燃油在加油槍跳槍的同時(shí)從加油管中反向噴出。

加滿油“跳槍”同時(shí)出現(xiàn)“反噴”是由于加油管內(nèi)出現(xiàn)大量燃油聚集的同時(shí)，燃油箱內(nèi)壓力上升呈指數(shù)曲線增長(zhǎng)速度過(guò)快，導(dǎo)致加油管內(nèi)壓力瞬時(shí)上升，此時(shí)燃油已開始大量聚集在喉口部位，若此時(shí)壓力波動(dòng)大，瞬時(shí)壓力增長(zhǎng)快，此時(shí)導(dǎo)致燃油從加油管內(nèi)噴出。

在即將加滿油時(shí)，如圖4所示為加油系統(tǒng)油氣分界面狀態(tài)，可看出油箱內(nèi)燃油已滿，燃油開始大量聚集于喉口。

在18.6s時(shí)喉口處出現(xiàn)大量燃油聚集，如圖5所示。

加油槍“跳槍”靈敏度一般為0.3s，為驗(yàn)證加油槍在“跳槍”延時(shí)的時(shí)間段內(nèi)是否會(huì)產(chǎn)生“反噴”現(xiàn)象，因此為了確保加油槍“跳槍”，繼續(xù)加油0.3s，確定是否產(chǎn)生“反噴”風(fēng)險(xiǎn)。這時(shí)需參看繼續(xù)加油0.3s的加油管喉口監(jiān)測(cè)面與壓力監(jiān)測(cè)圖。

從圖5、6、7中可以看出，在18.6s時(shí)燃油開始大量聚集，此時(shí)壓力上升比較緩慢，但在之后0.3s內(nèi)，燃油已經(jīng)反向流到喉口部位，燃油極有可能會(huì)噴到外界，且在之后的0.3s內(nèi)壓力上升速度很快，呈現(xiàn)指數(shù)曲線增長(zhǎng)，瞬間上升，即在加滿油“跳槍”同時(shí)出現(xiàn)“反噴”。

4.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)公司樣車加油試驗(yàn)，試驗(yàn)反饋出現(xiàn)提前“跳槍”現(xiàn)象較少，且有多臺(tái)樣車出現(xiàn)了加滿油“跳槍”同時(shí)出現(xiàn)“反噴”。

5 優(yōu)化方案及結(jié)果對(duì)比

5.1 優(yōu)化方案

加油前通氣管內(nèi)有大量燃油殘留導(dǎo)致加油槍提前“跳槍”。加滿油“跳槍”同時(shí)出現(xiàn)“反噴”是由于加油管內(nèi)出現(xiàn)大量燃油聚集的同時(shí)，燃油箱內(nèi)壓力上升呈指數(shù)曲線增長(zhǎng)速度過(guò)快，壓力上升過(guò)快是由于達(dá)到油箱額定容積時(shí)排氣口向上布置，燃油封堵排氣口困難，此時(shí)油箱內(nèi)壓力一直在上升，燃油已開始大量聚集在喉口部位，排氣口向上布置會(huì)導(dǎo)致燃油突然封堵住排氣口，壓力會(huì)瞬間上升，如圖7中橢圓所示，導(dǎo)致燃油“反噴”出加油管。因此需針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題采取優(yōu)化措施。

5.1.1 為確保燃油在額定容積內(nèi)足夠多，防止加滿油同時(shí)出現(xiàn)燃油“反噴”出加油管現(xiàn)象，需將油箱內(nèi)通氣管布置為向下方向，如圖8所示，以此來(lái)確保燃油可以輕松封堵排氣口。此種排氣口一般是由于需要滿足車身強(qiáng)度要求，通氣管在外布置位置有限，需引入油箱內(nèi)布置，保證燃油在額定容積內(nèi)存放足夠多。

5.1.2 為防止加油過(guò)程中提前“跳槍”，需在油箱內(nèi)通氣管最底端開一個(gè)？覫（1～3）mm的小孔，如圖9所示，加油前通氣管內(nèi)若有大量燃油殘留會(huì)導(dǎo)致加油提前“跳槍”。在加油過(guò)程中，通氣管內(nèi)的大量燃油殘留會(huì)阻塞燃油箱內(nèi)部氣體通過(guò)通氣管排出，導(dǎo)致燃油箱內(nèi)壓力上升，加油管內(nèi)燃油回流，此時(shí)加油槍“跳槍”，導(dǎo)致該殘留的主要原因是排氣口在油箱內(nèi)部位不是整個(gè)通氣管路的最低端。因此通氣管設(shè)計(jì)時(shí)要保證在油箱外部管路無(wú)整個(gè)管路最低點(diǎn)，無(wú)局部管路最低點(diǎn)（即管路不可出現(xiàn)向下彎曲后再向上彎曲），通氣管路最低端在油箱內(nèi)，以此來(lái)保證燃油不會(huì)在通氣管內(nèi)聚集。

5.2 優(yōu)化后計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果對(duì)比表明，優(yōu)化后的通氣管，不會(huì)出現(xiàn)燃油殘留，不會(huì)出現(xiàn)“反噴”風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果如圖10、11、12所示。

對(duì)比喉口燃油大量聚集圖及壓力變化圖，壓力從開始增長(zhǎng)到跳槍結(jié)束一直呈現(xiàn)拋物線形狀增長(zhǎng)，增長(zhǎng)速度較緩慢，有足夠時(shí)間完成加油槍“跳槍”，不會(huì)出現(xiàn)“反噴”現(xiàn)象。

5.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)施優(yōu)化方案后進(jìn)行燃油加注試驗(yàn)，為驗(yàn)證仿真分析結(jié)果，對(duì)通氣管整改后的燃油加注系統(tǒng)進(jìn)行樣車試驗(yàn)，最終得出所做試驗(yàn)樣車加油系統(tǒng)未出現(xiàn)提前“跳槍”與“反噴”現(xiàn)象。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)star-ccm+仿真分析手段對(duì)研發(fā)過(guò)程中本司某款汽車的燃油加注系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，并針對(duì)分析過(guò)程中存在“反噴”現(xiàn)象的問(wèn)題提出優(yōu)化措施。最后經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比可知仿真結(jié)果精度可信，能夠?qū)⑷加图幼⑻崆啊疤鴺尅迸c“反噴”隱患扼制在研發(fā)初期階段，同時(shí)縮短了研發(fā)周期，降低了試驗(yàn)費(fèi)用。

參考文獻(xiàn)

[1]張杰山，蔣春龍.加油過(guò)程的CFD分析在汽車油箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].汽車工程師，2010，1.

[2]朱紅均，林元華，謝龍漢.Fluent12流體分析及工程仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[3]陳家慶，張男，王金惠，等.機(jī)動(dòng)車加油過(guò)程中氣液兩相流動(dòng)特性的CFD數(shù)值模擬[J].環(huán)境科學(xué)，2011.endprint

導(dǎo)致加油前提前跳槍的原因有多種，下面僅對(duì)加油管與排氣管做出說(shuō)明：（1）燃油加注到加油管第一個(gè)拐角時(shí)，由于管壁的摩擦力和液態(tài)流動(dòng)的方向變化產(chǎn)生渦流造成彎管處燃油回流，液態(tài)燃油往管口方向回升接觸到加油槍進(jìn)氣嘴引起加油槍跳槍。（2）加油槍提前跳槍是由于加油前通氣管內(nèi)有大量燃油殘留，導(dǎo)致該燃油殘留的主要原因是通氣管排氣口設(shè)計(jì)不合理。

在分析時(shí)不考慮排氣管內(nèi)存有燃油殘留。計(jì)算結(jié)果顯示，該車型在前3s內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)燃油回流現(xiàn)象，因此不會(huì)導(dǎo)致提前“跳槍”，如圖3所示。故重點(diǎn)討論 “反噴”風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 “反噴”風(fēng)險(xiǎn)分析

反噴是燃油加注到油箱即將加滿時(shí)，油箱內(nèi)壓力上升過(guò)快，燃油在加油槍跳槍的同時(shí)從加油管中反向噴出。

加滿油“跳槍”同時(shí)出現(xiàn)“反噴”是由于加油管內(nèi)出現(xiàn)大量燃油聚集的同時(shí)，燃油箱內(nèi)壓力上升呈指數(shù)曲線增長(zhǎng)速度過(guò)快，導(dǎo)致加油管內(nèi)壓力瞬時(shí)上升，此時(shí)燃油已開始大量聚集在喉口部位，若此時(shí)壓力波動(dòng)大，瞬時(shí)壓力增長(zhǎng)快，此時(shí)導(dǎo)致燃油從加油管內(nèi)噴出。

在即將加滿油時(shí)，如圖4所示為加油系統(tǒng)油氣分界面狀態(tài)，可看出油箱內(nèi)燃油已滿，燃油開始大量聚集于喉口。

在18.6s時(shí)喉口處出現(xiàn)大量燃油聚集，如圖5所示。

加油槍“跳槍”靈敏度一般為0.3s，為驗(yàn)證加油槍在“跳槍”延時(shí)的時(shí)間段內(nèi)是否會(huì)產(chǎn)生“反噴”現(xiàn)象，因此為了確保加油槍“跳槍”，繼續(xù)加油0.3s，確定是否產(chǎn)生“反噴”風(fēng)險(xiǎn)。這時(shí)需參看繼續(xù)加油0.3s的加油管喉口監(jiān)測(cè)面與壓力監(jiān)測(cè)圖。

從圖5、6、7中可以看出，在18.6s時(shí)燃油開始大量聚集，此時(shí)壓力上升比較緩慢，但在之后0.3s內(nèi)，燃油已經(jīng)反向流到喉口部位，燃油極有可能會(huì)噴到外界，且在之后的0.3s內(nèi)壓力上升速度很快，呈現(xiàn)指數(shù)曲線增長(zhǎng)，瞬間上升，即在加滿油“跳槍”同時(shí)出現(xiàn)“反噴”。

4.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)公司樣車加油試驗(yàn)，試驗(yàn)反饋出現(xiàn)提前“跳槍”現(xiàn)象較少，且有多臺(tái)樣車出現(xiàn)了加滿油“跳槍”同時(shí)出現(xiàn)“反噴”。

5 優(yōu)化方案及結(jié)果對(duì)比

5.1 優(yōu)化方案

加油前通氣管內(nèi)有大量燃油殘留導(dǎo)致加油槍提前“跳槍”。加滿油“跳槍”同時(shí)出現(xiàn)“反噴”是由于加油管內(nèi)出現(xiàn)大量燃油聚集的同時(shí)，燃油箱內(nèi)壓力上升呈指數(shù)曲線增長(zhǎng)速度過(guò)快，壓力上升過(guò)快是由于達(dá)到油箱額定容積時(shí)排氣口向上布置，燃油封堵排氣口困難，此時(shí)油箱內(nèi)壓力一直在上升，燃油已開始大量聚集在喉口部位，排氣口向上布置會(huì)導(dǎo)致燃油突然封堵住排氣口，壓力會(huì)瞬間上升，如圖7中橢圓所示，導(dǎo)致燃油“反噴”出加油管。因此需針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題采取優(yōu)化措施。

5.1.1 為確保燃油在額定容積內(nèi)足夠多，防止加滿油同時(shí)出現(xiàn)燃油“反噴”出加油管現(xiàn)象，需將油箱內(nèi)通氣管布置為向下方向，如圖8所示，以此來(lái)確保燃油可以輕松封堵排氣口。此種排氣口一般是由于需要滿足車身強(qiáng)度要求，通氣管在外布置位置有限，需引入油箱內(nèi)布置，保證燃油在額定容積內(nèi)存放足夠多。

5.1.2 為防止加油過(guò)程中提前“跳槍”，需在油箱內(nèi)通氣管最底端開一個(gè)？覫（1～3）mm的小孔，如圖9所示，加油前通氣管內(nèi)若有大量燃油殘留會(huì)導(dǎo)致加油提前“跳槍”。在加油過(guò)程中，通氣管內(nèi)的大量燃油殘留會(huì)阻塞燃油箱內(nèi)部氣體通過(guò)通氣管排出，導(dǎo)致燃油箱內(nèi)壓力上升，加油管內(nèi)燃油回流，此時(shí)加油槍“跳槍”，導(dǎo)致該殘留的主要原因是排氣口在油箱內(nèi)部位不是整個(gè)通氣管路的最低端。因此通氣管設(shè)計(jì)時(shí)要保證在油箱外部管路無(wú)整個(gè)管路最低點(diǎn)，無(wú)局部管路最低點(diǎn)（即管路不可出現(xiàn)向下彎曲后再向上彎曲），通氣管路最低端在油箱內(nèi)，以此來(lái)保證燃油不會(huì)在通氣管內(nèi)聚集。

5.2 優(yōu)化后計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果對(duì)比表明，優(yōu)化后的通氣管，不會(huì)出現(xiàn)燃油殘留，不會(huì)出現(xiàn)“反噴”風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果如圖10、11、12所示。

對(duì)比喉口燃油大量聚集圖及壓力變化圖，壓力從開始增長(zhǎng)到跳槍結(jié)束一直呈現(xiàn)拋物線形狀增長(zhǎng)，增長(zhǎng)速度較緩慢，有足夠時(shí)間完成加油槍“跳槍”，不會(huì)出現(xiàn)“反噴”現(xiàn)象。

5.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)施優(yōu)化方案后進(jìn)行燃油加注試驗(yàn)，為驗(yàn)證仿真分析結(jié)果，對(duì)通氣管整改后的燃油加注系統(tǒng)進(jìn)行樣車試驗(yàn)，最終得出所做試驗(yàn)樣車加油系統(tǒng)未出現(xiàn)提前“跳槍”與“反噴”現(xiàn)象。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)star-ccm+仿真分析手段對(duì)研發(fā)過(guò)程中本司某款汽車的燃油加注系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，并針對(duì)分析過(guò)程中存在“反噴”現(xiàn)象的問(wèn)題提出優(yōu)化措施。最后經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比可知仿真結(jié)果精度可信，能夠?qū)⑷加图幼⑻崆啊疤鴺尅迸c“反噴”隱患扼制在研發(fā)初期階段，同時(shí)縮短了研發(fā)周期，降低了試驗(yàn)費(fèi)用。

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