呂昊，陳學宏

(亞普汽車部件股份有限公司研究開發(fā)中心，江蘇揚州 225001)

0 引言

能源和環(huán)境是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展必須考慮的問題。隨著社會的進步，傳統(tǒng)汽車(主要以汽油和柴油為燃料)的保有量逐年增加，使得能源、溫室氣體、空氣質(zhì)量三方面問題陷入惡性循環(huán)。面對能源枯竭和大氣污染的雙重威脅，發(fā)展節(jié)能減排新能源汽車勢在必行。

混合動力汽車(Hybrid Electric Vehicle，HEV)相比傳統(tǒng)汽車具有更好的燃油經(jīng)濟性和更低的排放，插電式混合動力汽車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV)將這一概念提升到了一個更高的層次，它能夠從電網(wǎng)中提取和儲存能量，為車輛提供推進能量，從而可以使PHEV能夠使用多種能源來代替化石能源。因此，PHEV相比HEV和傳統(tǒng)汽車在燃油經(jīng)濟性和低排放性能方面更具有優(yōu)勢[1-2]。

1 PHEV燃油箱系統(tǒng)特點

PHEV是一種既可以加油、也可以充電的混合動力汽車。PHEV驅動原理、驅動單元與電動汽車相同，唯一不同的是車上裝備有一臺發(fā)動機。PHEV首先選擇蓄電池為汽車提供動力，當蓄電池的電量降低到指定的下限時，才開啟內(nèi)燃機為汽車提供動力[3-5]。

汽油是易揮發(fā)液體，也會因為在燃油箱中存儲時間過長而發(fā)生氧化和變質(zhì)。在過去的幾十年中，傳統(tǒng)汽車都是采用碳罐裝置收集燃油箱內(nèi)揮發(fā)的燃油蒸汽，并通過發(fā)動機對碳罐進行脫附清洗實現(xiàn)循環(huán)使用。PHEV在純電模式進行短途通勤，其發(fā)動機長期處于不工作狀態(tài)，也就無法對燃油系統(tǒng)碳罐進行有效脫附清洗，從而造成碳罐被擊穿，導致燃油蒸汽直接排放到大氣中，引起環(huán)境污染。因此，如何在發(fā)動機長期不工作的情況下，避免碳罐被過量燃油蒸汽擊穿，引起燃油泄漏和環(huán)境污染，是PHEV燃油箱系統(tǒng)設計必須要解決的問題[6-8]。

2 高壓塑料燃油箱系統(tǒng)設計

2.1 高壓燃油箱系統(tǒng)原理

高壓燃油箱系統(tǒng)是通過提高燃油箱自身承壓能力，將燃油蒸汽密封在燃油箱內(nèi)部，減少燃油蒸汽排放到碳罐中，從而避免碳罐被擊穿，其系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 高壓燃油箱系統(tǒng)原理

當PHEV以純電模式驅動時，燃油箱隔離閥FTIV閉合，燃油箱與外界隔絕，燃油蒸汽被密封在燃油箱內(nèi)部，碳罐不吸收燃油蒸汽；當蓄電池的電量降低到指定的下限時，發(fā)動機啟動，碳罐能夠被脫附清洗，燃油箱隔離閥FTIV打開，燃油箱與外界進行燃油蒸汽流通，碳罐吸收燃油蒸汽。

2.2 高壓塑料燃油箱結構設計

由于密封燃油蒸汽于燃油箱內(nèi)部，PHEV燃油箱需要承受比傳統(tǒng)燃油箱更高內(nèi)部壓力。傳統(tǒng)汽車燃油箱內(nèi)部壓力一般為6～10 kPa，而PHEV燃油箱內(nèi)部壓力則會高達35～40 kPa。目前絕大多數(shù)汽車燃油箱均為塑料燃油箱，僅僅依靠燃油箱本體自身材料強度是無法承受上述高壓荷，因此需要塑料燃油箱本體設計專門增強結構來提高燃油箱結構強度。

塑料燃油箱采用兩片吹塑料成型工藝，其工藝流程如圖2所示。首先由吹塑機口模形成兩個片狀型坯，燃油箱模具閉合對片狀型坯預吹塑成型，預成型結束后，燃油箱模具打開，可以通過中間模放置內(nèi)置零件于燃油箱內(nèi)部，最后中間模退出，燃油箱模具再次閉合進行最終高壓吹塑成型。

圖2 兩片吹塑工藝成型流程

基于上述塑料燃油箱兩片吹塑成型工藝特點，可以在吹塑過程中，放置若干內(nèi)置立柱于燃油箱內(nèi)部，連接燃油箱本體上下表面，從而增強其結構強度，其具體結構如圖3所示。

圖3 PHEV高壓塑料燃油箱結構

為了保證內(nèi)置立柱與燃油箱本體之間能夠有效連接且能承受燃油箱內(nèi)部壓力，內(nèi)置立柱一般有兩種材料組成，立柱兩端采用與燃油箱本體相同的材料HDPE，而立柱中部則選擇高強度的PPA材料，二者通過端部包膠方式實現(xiàn)連接。同時在立柱HDPE材料端面設置若干細小麻點，其在吹塑過程中與燃油箱內(nèi)表面發(fā)生接觸并融化，從而使內(nèi)置立柱與燃油箱本體融合成一體。根據(jù)燃油箱本體結構特點，設計兩種內(nèi)置立柱結構：H形立柱和I形立柱，H形立柱主要布置在油泵周邊區(qū)域，而I形立柱則布置在燃油箱本體其他區(qū)域。內(nèi)置立柱具體結構如圖4所示。

圖4 內(nèi)置立柱結構

3 高壓塑料燃油箱系統(tǒng)驗證

為了驗證上述PHEV高壓塑料燃油箱系統(tǒng)能否滿足要求，尤其是能否承受燃油箱內(nèi)部高壓荷載的作用，將燃油箱實物樣件放置在82 ℃環(huán)境箱中，作用-14.9～35 kPa交變內(nèi)壓荷載12 000次循環(huán)。具體實驗方法如圖5所示。

圖5 PHEV高壓塑料燃油箱壓力交變實驗方法

實驗結果顯示：經(jīng)過12 000次壓力交變荷載作用后，燃油箱本體無泄漏，內(nèi)置立柱均完好，具體如圖6所示。說明上述塑料燃油箱結構能夠承受內(nèi)部高壓荷載作用，滿足PHEV燃油箱系統(tǒng)要求。

圖6 PHEV高壓塑料燃油箱壓力交變實驗結果

4 結束語

通過分析PHEV對燃油箱系統(tǒng)性能要求特點，提出了通過提高燃油箱承壓能力、密封燃油蒸汽于燃油箱內(nèi)部的解決方案，從而減少碳罐荷載，避免燃油泄漏和環(huán)境污染。針對塑料燃油箱自身材料力學性能不足，結合其兩片吹塑成型工藝特點，在吹塑過程中，放置若干內(nèi)置立柱于燃油箱本體內(nèi)部，連接上下表面，從而提高燃油箱強度。燃油箱實物樣件在82 ℃環(huán)境箱中，經(jīng)過12 000次-14.9～35 kPa交變內(nèi)壓作用后，燃油箱本體無泄漏，內(nèi)置立柱均完好，滿足PHEV燃油箱系統(tǒng)要求。