田永亮

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

淺析汽車燃油加注系統(tǒng)

田永亮

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

汽車燃油系統(tǒng)是汽車的重要保障，關(guān)系到整車的基礎(chǔ)功能和安全，為滿足汽車的正常使用，供油系統(tǒng)不僅需要提供足量清潔的燃油，更要滿足燃油加注的要求，不能提前“跳槍”更不能出現(xiàn)反噴等現(xiàn)象，文章主要淺析商用車和乘用車的燃油加注系統(tǒng)并簡(jiǎn)單舉例探討。

加油管；燃油加注；反噴；跳槍

CLC NO.:U463.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-105-04

引言

目前市場(chǎng)上的車型主要分為乘用車和商用車，商用車主要以柴油機(jī)為主，乘用車主要以汽油機(jī)為主由于車型用途不同因此造型結(jié)構(gòu)以及油箱大小位置均有較大差異，這就導(dǎo)致燃油加注系統(tǒng)出現(xiàn)較大區(qū)別。同時(shí)因汽油揮發(fā)性較柴油高，環(huán)境溫度高的情況下，汽油加注變得更加困難。

1、各類型加油系統(tǒng)分析

1.1 商用車

商用車中傳統(tǒng)輕重卡車型排量較大對(duì)續(xù)航要求高，因此油箱容積較大同時(shí)因商用車主要以載貨為主，為提高承載性一般為非承載式車身，即設(shè)計(jì)有車架，油箱通常布置在車架外側(cè)，油箱口位置較高且很明顯，燃油加注系統(tǒng)只有加油口無(wú)加油管和通氣管，加油槍直接插入油箱加油口內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單粗暴，加油性能幾乎不存在任何問(wèn)題。

圖1

而諸如皮卡微貨輕客等車型，其燃油系統(tǒng)更多的是傾向于乘用車車型，為較特殊結(jié)構(gòu)，主要參考乘用車結(jié)構(gòu)。

1.2 乘用車

乘用車多為汽油機(jī)且為了造型美觀和提高乘坐舒適性，一般底盤較低且將油箱布置在座椅下，位置較低且隱秘，必須采用加油管連接整車加油口和油箱進(jìn)油口。人機(jī)工程要求，為方便加油，整車加油口位置需設(shè)計(jì)得較油箱高，加油管落差較大，可方便借助勢(shì)能使汽油進(jìn)入油箱。

圖2

2、加注系統(tǒng)問(wèn)題

2.1 提前跳槍

以傳統(tǒng)自封油槍為例（見下圖），加注槍嘴處設(shè)置有進(jìn)氣嘴，當(dāng)扳動(dòng)開關(guān)把，主閥在推桿作用下打開，壓力燃油通過(guò)主閥并推開副閥，燃油通過(guò)油槍嘴給汽車加油，并在副閥處產(chǎn)生負(fù)壓。由于該處經(jīng)過(guò)導(dǎo)管和加油槍口的進(jìn)氣嘴與大氣相通，自封機(jī)構(gòu)中的橡膠隔膜兩端壓力平衡，與橡膠膜相連的錐形桿將鋼珠限制到自封軸的四周與外殼的臺(tái)階一起固定自封軸，避免自封軸下落。油箱加滿時(shí)，當(dāng)油位上升至進(jìn)氣嘴位置，導(dǎo)致進(jìn)氣嘴堵塞，產(chǎn)生負(fù)壓使得橡膠隔膜向上變形，錐形桿向上抽離，兩顆鋼球便滑向中心，自封軸往下移動(dòng)破壞開關(guān)把機(jī)構(gòu)的平衡狀態(tài)，主閥在彈簧作用下關(guān)閉，中斷加注。

圖3

上圖限位板在加油的時(shí)候可以固定擋片在幾個(gè)不同的位置，通過(guò)開關(guān)把連桿限制主閥開啟程度，提供不同的加注速度，加注速度越高，越容易提前跳槍。

2.2 反噴

反噴現(xiàn)象一般出現(xiàn)在油箱快加滿并跳槍的時(shí)候，部分嚴(yán)重的甚至可能出現(xiàn)在加油過(guò)程中頻繁跳槍的時(shí)候，表現(xiàn)為燃油瞬間噴出造成污染和浪費(fèi)，并可能引起安全隱患，該現(xiàn)象屬于比較嚴(yán)重的情況。

加注結(jié)束時(shí)候的反噴多是因?yàn)槿加图幼⑦^(guò)程中油箱內(nèi)部氣壓小于等于外部大氣壓與加注壓力之和，而跳槍瞬間燃油停止加注時(shí)壓力突變?yōu)?，此時(shí)油箱內(nèi)部的壓力大于油箱外部大氣壓的壓力導(dǎo)致燃油外涌。從加油過(guò)程來(lái)看，該現(xiàn)象必然發(fā)生，正常輕微情況表現(xiàn)為燃油在加油口內(nèi)翻騰一下，但是如果情況比較嚴(yán)重將可能噴出加油口，即我們通常所說(shuō)的反噴。

3、解決方案

3.1 通氣系統(tǒng)

基于上述的提前跳槍原因，我們可知，油箱加油管必須設(shè)計(jì)可靠的通氣系統(tǒng),且通氣口位置應(yīng)避免被加注槍擋住影響通氣效率，并盡可能避免一些后期可能存在的通氣管堵塞的情況，如汽車行駛過(guò)程中的顛簸使燃油進(jìn)入通氣管或者燃油揮發(fā)并凝聚到通氣管某些部位導(dǎo)致通氣效果變差或者堵塞。特別是要避免出現(xiàn)下U型結(jié)構(gòu)。如因車身原因?qū)е略揢型結(jié)構(gòu)無(wú)法避免，則必須采取諸如引流繩等特殊措施，該措施僅適用于U形管最低端高于油箱通氣口的情況。（參考專利：CN 1955029A-燃油箱 CN 1275791C-燃油箱）

3.2 加油管總成

國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上汽油加注機(jī)加注速度一般分三檔，33L/min 45L/min 55L/min，由于燃油從加油槍以一定的速度噴出，且加油管充當(dāng)油槍與油箱之間的連接結(jié)構(gòu)，若加油管不能及時(shí)將燃油輸送至油箱或者在加油口產(chǎn)生局部淤積將可能導(dǎo)致提前跳槍從而影響加注，當(dāng)然這里燃油類型、加注的速度、環(huán)境溫度也是關(guān)鍵因素。因此加油管的形狀和走向直接關(guān)系到加注性能的好壞。

3.3 特殊結(jié)構(gòu)

由于不同的車，不同的加注槍甚至不同的加油習(xí)慣均可能出現(xiàn)不同的加注情況，這是由于汽車車型設(shè)計(jì)不統(tǒng)一，而市場(chǎng)上燃油加注槍類型也多導(dǎo)致。為此通常需設(shè)計(jì)一些特殊的結(jié)構(gòu)。

典型的就是限槍結(jié)構(gòu)，通過(guò)限制加注槍在加油口內(nèi)的相對(duì)位置，以確保燃油加注時(shí)按照設(shè)定的方向和位置噴出，避免燃油進(jìn)入通氣管或者形成渦流，限槍結(jié)構(gòu)通常為加油口縮口結(jié)構(gòu)，分為同心和偏心，主要根據(jù)加油管形狀特別是初始段的尺寸和角度有關(guān)。限槍結(jié)構(gòu)有改善加油角度，固定加油槍狀態(tài)的效果。

圖4

部分油箱加油口內(nèi)部設(shè)置單向閥，目的在于防止反噴，但該結(jié)構(gòu)僅適用于加油落差較大的情況（即乘用車系統(tǒng)），若落差小則很容易起反作用，即不但不能防止反噴，還會(huì)在燃油加注快結(jié)束的時(shí)候因單向閥內(nèi)外壓差變小時(shí)阻礙燃油流動(dòng)使得加油管內(nèi)的油位迅速升高而導(dǎo)致提前跳槍。

為防止跳槍瞬間出現(xiàn)反噴，乘用車加油口初段直徑和長(zhǎng)度通常設(shè)計(jì)較大以增加容量，用于對(duì)加油跳槍瞬間的壓差突變進(jìn)行緩沖。

4、某特殊車型設(shè)計(jì)案例

國(guó)內(nèi)某品牌高端微卡，轎車化設(shè)計(jì)，具有外形美觀，內(nèi)飾高檔，乘坐舒適等優(yōu)點(diǎn)，采用前獨(dú)立懸架提高舒適性，同時(shí)采用非承載式車身與后鋼板彈簧懸架的組合提高承載性，先期搭載柴油機(jī)作動(dòng)力，具有轎車的舒適和較好的承載，在以低端為主的微貨市場(chǎng)獨(dú)樹一幟。

4.1 空間結(jié)構(gòu)分析

該車型為了體現(xiàn)美觀，油箱隱藏布置到車架縱梁之間，即必須設(shè)計(jì)加油管；因匹配常規(guī)結(jié)構(gòu)的商用車貨箱（欄板式、箱貨式），加油口不能按照皮卡的形式布置到貨箱欄板上，即低于貨箱地板導(dǎo)致加油管落差小，同時(shí)通氣管為避免出現(xiàn)下U型結(jié)構(gòu)，只能從貨箱與車架之間通過(guò)，加油系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度提高。因商用車路面情況惡劣，加油管裸露極易受到路面砂石的沖擊，因此采用金屬加油管。因油箱進(jìn)油口不在上部，可知加油過(guò)程中加油管內(nèi)部的油位會(huì)隨著油箱油位一起上升，若加油管內(nèi)燃油流動(dòng)稍有不暢，加油管內(nèi)油位必定較油箱內(nèi)油位升高更快，提前跳槍風(fēng)險(xiǎn)大大增加。

圖5

4.2 方案應(yīng)用

參考乘用車加油管設(shè)計(jì)布置經(jīng)驗(yàn)要求：1.加油口與豎直方向夾角＜50°，本車為57.9°，由于上部是貨箱，幾乎無(wú)調(diào)整空間；2.加油口與最高油位落差＞300mm，因本車加油口在貨箱下，最大能調(diào)整到68mm；3.加油口第一直段長(zhǎng)度＞160mm，路徑優(yōu)化后為95mm，最大調(diào)到180mm，但折彎角度過(guò)大。

由于該狀態(tài)的汽油加注系統(tǒng)各方面情況都無(wú)法滿足經(jīng)驗(yàn)要求，存在諸多不確定性。因此我們需要對(duì)該平臺(tái)的加注情況進(jìn)行摸底。

4.3 方案說(shuō)明

本次共設(shè)計(jì)了三個(gè)方案的加油口管：

方案1：加油管最簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，落差44.6mm，第一直段95mm，折彎半徑100mm；

方案2：在方案1基礎(chǔ)上抬高加油口位置24mm，以提高加油落差至68mm，但造成連接油箱端的折彎角度增大；

方案3：在方案1基礎(chǔ)上將加油口第一直段加長(zhǎng)至180mm以防止反噴，由于結(jié)構(gòu)限制，油箱處折彎角度大大增加。

圖6

首先對(duì)上述方案配合簡(jiǎn)化的燃油箱及其通氣系統(tǒng)數(shù)據(jù)利用STAR-CCM+進(jìn)行CFD仿真分析。按45L/min流速，方案1、2均出現(xiàn)提前跳槍，方案2、3反噴，與預(yù)想的結(jié)果不太一致，因此需進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.4 試驗(yàn)方法

簡(jiǎn)易臺(tái)架，采用燃油加注試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行模擬加注試驗(yàn)，加注汽油速度：45L/min。

加油過(guò)程分三次跳槍，分別記錄下已加注油量，異常情況拔掉通氣管使油箱直通大氣以排除通氣管排氣不暢的因素，試驗(yàn)結(jié)果如下：

表1

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，方案1勉強(qiáng)加滿額定65L汽油要求，但出現(xiàn)提前跳槍，方案2和3均出現(xiàn)異常，無(wú)法正常加注，且可以排除油箱通氣管排氣不暢原因。分析為與加油口管本身設(shè)計(jì)走向有關(guān)。由于三者加油管實(shí)驗(yàn)結(jié)果與CFD仿真結(jié)果相去甚遠(yuǎn)，且在實(shí)際試驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，三個(gè)方案中，加注槍的角度和位置與模擬狀態(tài)有較大差異，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果偏差極大，需要采取限槍措施。

4.5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

首先根據(jù)基本原則，設(shè)計(jì)加油口角度，由于加油管落差小，為提高落差但加油口離上部貨箱較近，為方便開啟加油蓋，該角度無(wú)法做到更?。ㄈ缦聢D），這里與乘用車加油口結(jié)構(gòu)區(qū)別很大，乘用車一般在車身上設(shè)計(jì)一個(gè)專用的空間并用活動(dòng)式加油口蓋板遮擋，因此加油口角度可以做到很小。

將加油槍模型裝配到數(shù)據(jù)中，調(diào)整角度使得加油槍模擬實(shí)際加油狀態(tài)，注意保證槍嘴不得低于油箱通氣嘴最低處，以免造成提前跳槍。同時(shí)多向調(diào)整(一般按順時(shí)針和逆時(shí)針各旋轉(zhuǎn)60°)，確保各角度和插入深度下油槍嘴前面均有足夠的加注空間。由于無(wú)法按照塑料加油管設(shè)計(jì)限槍結(jié)構(gòu)，即采用簡(jiǎn)化的方案，即調(diào)整前兩段走向，使加油槍在重力作用下角度位置狀態(tài)統(tǒng)一如下。

圖7

最簡(jiǎn)化的加油管走向，使燃油第一次接觸管壁處遠(yuǎn)離加油槍口，折彎角度控制在140°以上（避免燃油從油槍口高速噴出即遇到折彎位置強(qiáng)制改變流向，形成渦流是燃油接觸通氣嘴造成跳槍），同時(shí)折彎半徑在100mm以上可減少該處燃油回流。

圖8

通氣管避免U型結(jié)構(gòu)，且通氣嘴位置設(shè)置在加油口的適當(dāng)位置。因加油落差小，取消油箱加油口內(nèi)單向閥，減小加注阻力（該方案需進(jìn)行加油驗(yàn)證）。

4.6 試驗(yàn)驗(yàn)證

將上述優(yōu)化前方案1的加油管與優(yōu)化后的加油管方案結(jié)合油箱口帶縮口單向閥狀態(tài)分別進(jìn)行加油試驗(yàn)，結(jié)果如下：

表2

通過(guò)試驗(yàn)可知，本案中油箱內(nèi)單向閥的負(fù)面效果顯著，限槍結(jié)構(gòu)效果明顯，特別是在油箱即將加滿的時(shí)候。因此在風(fēng)險(xiǎn)較高的加油系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)限槍結(jié)構(gòu)很有必要。

5、總結(jié)

由于車型不同導(dǎo)致的整車布置差異，引起燃油加注系統(tǒng)即加油管通氣管變化。加油管設(shè)計(jì)需牢牢抓住加油口位置角度結(jié)構(gòu)合理，通氣性能可靠?jī)蓚€(gè)基本要點(diǎn)，遵從第一個(gè)拐點(diǎn)不影響加油槍出油口且走向簡(jiǎn)單平順的原則。某些情況下，實(shí)際加油狀態(tài)與設(shè)想狀態(tài)出入較大，采用仿真分析可減少工作量，但需在此基礎(chǔ)上進(jìn)行充分的試驗(yàn)驗(yàn)證。

[1] 李海亮.關(guān)于乘用車燃油加注的研究.

[2] 梁志濤,李峰.汽車燃油加注系統(tǒng)CFD仿真分析.科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2014.

[3] 劉洋.某乘用車燃油加注過(guò)程優(yōu)化分析.汽車實(shí)用技術(shù),2015.

Preliminary Analysis of Fuel-filing system

Tian Yongliang
（Anhui Jianghuai Automobile Co, Ltd. Technology center, Anhui Hefei 230601）

Automotive fuel system is an important guarantee for the vehicles.It is related to the basic function and safety of the vehicle.Fuel system not only need to provide adequate clean fuel，but also to meet the requirements of the fuel filling.No injector shut-off or fuel spilling may occur during the fueling.This paper mainly analyzes the fuel-filing system of commercial vehicles and passenger cars，and gives a simple example.

Oil filling pipe; Fuel-filing; fuel spilling; injector shut off

U463.3

A

1671-7988(2016)07-105-04

田永亮，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.033