李世豪，王新建，李曉霖

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學，天津 300222)

0 引言

燃油供給系統(tǒng)在整場節(jié)能賽車比賽中起著至關(guān)重要的作用，之前的燃油供給系統(tǒng)中燃油的動力源主要來自于燃油泵，燃油泵會消耗蓄電池的電能或損耗發(fā)動機的一部分動能，從而造成蓄電池能量消耗過快或發(fā)動機油耗增高，最終導致比賽成績不理想或不能完成比賽。采用壓縮氣體作為燃油的動力源可以節(jié)省蓄電池一部分電能或減少發(fā)動機的動能損耗，從而降低車輛的油耗，提升燃油經(jīng)濟性。文中以殼牌汽車環(huán)保馬拉松挑戰(zhàn)賽規(guī)則為基準，對燃油供給系統(tǒng)進行改進優(yōu)化，并通過實車測試，與電動燃油泵的燃油供給系統(tǒng)進行對比，該系統(tǒng)具有更好的燃油經(jīng)濟性及安全性。

1 系統(tǒng)整體建模

啟動燃油供給系統(tǒng)裝置分配如圖1所示。

圖1 啟動燃油供給系統(tǒng)裝置分配

由圖1可知，利用UG三維建模軟件初步建立系統(tǒng)模型，模擬燃油供給系統(tǒng)零部件位置分配，確定燃油供給系統(tǒng)的傳輸路線，整個系統(tǒng)主要由氣體壓縮瓶、壓縮瓶蓋、氣體安全閥、氣壓表、氣體調(diào)壓閥、殼牌油瓶、噴油嘴等部件組成。

2 系統(tǒng)各部件功用及燃油供給傳遞路線

(1)系統(tǒng)各部件功用

氣體壓縮瓶：用來存儲壓縮氣體，利用壓縮氣體推動燃油供給，其內(nèi)壓力不小于0.5 MPa。

壓縮瓶蓋：包含充氣口及出氣口，充氣口用來向瓶內(nèi)充入壓縮氣體；出氣口用于壓縮氣體推動燃油供給。

氣體安全閥：將氣體壓縮瓶內(nèi)的氣體壓力限制在0.5 MPa，不允許瓶內(nèi)壓力超過0.5 MPa。

氣壓表：用于顯示氣體壓縮瓶內(nèi)的壓力。

氣體調(diào)壓閥：該閥具有泄壓功能；用于將管內(nèi)壓力調(diào)節(jié)至0.3 MPa，該壓力為噴油嘴工作壓力。

殼牌油瓶:該油瓶具有開關(guān)閥，能夠通斷油路，可承受0.5 MPa壓力，用來存儲燃油。

噴油器：用于給發(fā)動機噴射燃油，以供燃燒，該噴油器額定工作壓力為0.3 MPa。

(2)燃油供給傳遞路線

圖2為燃油供給傳遞路線。首先通過氣體壓縮蓋充氣口給氣瓶沖入壓縮氣體，再經(jīng)過壓縮瓶蓋出口壓縮氣體進入安全閥，將瓶內(nèi)壓力調(diào)節(jié)至0.5 MPa。然后通過氣壓表顯示瓶內(nèi)壓力，接著利用氣體調(diào)壓閥將氣管內(nèi)壓力調(diào)節(jié)至0.3 MPa并穩(wěn)定，氣體進入殼牌油瓶推動燃油供給。最后通過壓縮氣體在油管中推動燃油，將燃油供給至噴油嘴，通過噴油嘴將燃油供給至發(fā)動機內(nèi)部。

圖2 燃油供給傳遞路線

3 壓縮空氣瓶的有限元分析與優(yōu)化設(shè)計及材料選用

3.1 模型的建立

利用NX-UG進行壓縮氣瓶三維模型的建立，并結(jié)合ANSYS的限元分析進行模型的優(yōu)化設(shè)計，而有限元分析的準確度是建立在模型與實物相似度基礎(chǔ)之上，所以模型在可進行的分析范圍內(nèi)應當更加貼合實物，模型設(shè)計前后對比如圖3所示。

圖3 模型設(shè)計前后對比

通過對壓縮瓶進氣口的優(yōu)化，將壓縮瓶的進氣口與排氣口合并在一處，由于氣瓶在充滿氣體后，瓶底出現(xiàn)大量應力集中，在壓縮瓶底部進行倒弧處理。

3.2 有限元分析

3.2.1 模型假設(shè)

由于內(nèi)部施壓介質(zhì)為空氣，所以不考慮介質(zhì)重力與移動慣性。因此模型內(nèi)部可視為均勻壓力。油路設(shè)有壓力調(diào)節(jié)閥與限壓閥，所以容器的變形對于內(nèi)部的空氣的工作可以忽略，因此不考慮流固耦合。瓶口處連接壓縮瓶蓋與相應調(diào)壓管路，因此設(shè)定瓶口處為完全固定約束。

3.2.2 有限元模型簡化

為減少計算難度以及增加計算的準確性，利用模型對稱特性將模型簡化為原模型的1/2和1/4，如圖4所示。

圖4 簡化模型示意

3.2.3 網(wǎng)格劃分

考慮到壓縮瓶為回轉(zhuǎn)體，所以在向軸線靠近方向均會出現(xiàn)網(wǎng)格分布過渡，因此選擇在過渡處連接平滑的二階四面體網(wǎng)格，過渡速度選擇慢。通過對結(jié)果的網(wǎng)格無關(guān)性排查，確定網(wǎng)格劃分精度為2 mm。

3.2.4 確定選材屬性

由于壓縮氣瓶內(nèi)部壓力相對較小，且要求整體油路需要進行輕量化處理，故選用壓縮瓶的材料為B3015FA，該材料的泊松比為0.41，彈性模量為4 000 MPa，抗拉強度為103 MPa。

3.2.5 邊界條件

由于壓縮瓶為回轉(zhuǎn)體，所以在分析時設(shè)置1/4和1/2對稱，用作結(jié)果對比和防止出現(xiàn)應力奇異點。壓縮瓶內(nèi)部均施加0.5 MPa的壓力，且方向均朝向各個面，瓶口處設(shè)定完全固定約束。如圖5所示，所有分析模型均按此邊界條件。

圖5 邊界條件

3.3 優(yōu)化過程與應力分析結(jié)果對比

初步優(yōu)化后的應力云圖和總變形云圖如圖6所示，將進氣口與排氣口合并，壓縮瓶壁厚為2 mm。從應力云圖可以看出瓶底出現(xiàn)較大應力集中，從位移云圖可以看出模型變形較大。

圖6 初步優(yōu)化后的應力云圖和總變形云圖

底面倒弧半徑分別10、6.5、14 mm的應力云圖和總變形云圖如圖7所示。當壁厚為3 mm時，其應力云圖和總變形云圖如圖8所示;當壁厚為4 mm時，其應力云圖和總變形云圖如圖9所示。

圖7 底面倒弧半徑R分別為10、6.5、14 mm的應力云圖和總變形云圖

圖8 底面倒弧半徑R分別為10、6.5、14 mm，壁厚為3 mm的應力云圖和總變形云圖

圖9 底面倒弧半徑R分別為10、6.5、14 mm，壁厚為4 mm的應力云圖和總變形云圖

3.4 計算結(jié)果分析

通過對比位移與應力結(jié)果，重新設(shè)計壓縮瓶結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析結(jié)果如圖10所示。

圖10 重新設(shè)計后的分析結(jié)果

由圖10可知，底部倒弧均為10 mm，瓶頸部圓弧半徑32 mm，壁厚為2 mm，壓縮瓶總高為194 mm，得到壓縮瓶整體容積為550.7 mL，重新設(shè)計后的壓縮瓶的變形與應力分布均遠遠小于材料極限，故滿足使用要求。

3.5 氣動燃油供給系統(tǒng)管路選用

氣動燃油供給系統(tǒng)氣路部分管路選用透明PU PLYURETMANE材質(zhì)管路，該管路具有質(zhì)量輕，較好的彈性、耐磨性、耐沖擊性等優(yōu)點。所能承受的壓力為1.0 MPa，遠大于整套系統(tǒng)的0.5 MPa壓力，完全符合整套系統(tǒng)的設(shè)計要求。油路部分管路選用高透明硅膠材質(zhì)管，該管路具有良好的抗老化性、化學穩(wěn)定性、抗氧化性、抗高、低溫性、阻燃性等，硅橡膠常運用于燃料管路、汽車密封圈、液壓系統(tǒng)油封等，通過對比，該材質(zhì)管路完全符合氣動燃油供給系統(tǒng)的使用要求。

4 實車測試及燃油安全切斷

4.1 實車測試

在測試氣溫25 ℃、前輪胎壓0.35 MPa、后輪胎壓0.45 MPa的未開放的鋪裝柏油馬路進行氣動燃油供給系統(tǒng)測試。

在不同時速下，對傳統(tǒng)汽油泵燃油供給系統(tǒng)和氣動燃油供給系統(tǒng)進行測試，對比結(jié)果見表1至表3。

表1 時速為0～30 km/h時的對比結(jié)果 單位:mL

表2 時速為15～43 km/h時的對比結(jié)果 單位:mL

表3 時速為10～42 km/h時的對比結(jié)果 單位:mL

由表1至表3可知，當車輛在0～30、15～43、10～42 km/h 3種車速下進行油耗對比，傳統(tǒng)燃油供給系統(tǒng)的油耗均高于氣動燃油供給系統(tǒng)的油耗。接下來根據(jù)殼牌汽車環(huán)保馬拉松挑戰(zhàn)賽規(guī)則跑完整場比賽進行油耗對比。測試環(huán)境保持上述不變，在點火次數(shù)和測試時長相等的情況下進行測試,對比結(jié)果見表4。

表4 測試時長為25 min時的對比結(jié)果 單位:mL

由表4可知，當車輛在測試時長25 min、點火次數(shù)相同的情況下，傳統(tǒng)燃油供給系統(tǒng)的油耗均高于氣動燃油供給系統(tǒng)的油耗。結(jié)合上述幾次實驗可得，氣動燃油供給系統(tǒng)較傳統(tǒng)燃油供給系統(tǒng)有著較好的燃油經(jīng)濟性。

4.2 燃油安全切斷

燃油安全切斷功能是為了在車輛發(fā)生側(cè)翻、碰撞等意外時，切斷燃油輸送，確保駕駛員的安全。當車輛發(fā)生側(cè)翻、碰撞等意外時，氣體壓縮瓶會受到外力擠壓，擠壓后氣體壓縮瓶內(nèi)部壓力升高，當氣體壓縮瓶內(nèi)部壓力大于0.5 MPa時，安全閥會隨之打開，從而釋放氣體壓縮瓶內(nèi)的全部壓力，此時燃油管路及殼牌油瓶內(nèi)無任何壓力，即可切斷燃油的繼續(xù)供給，從而保證駕駛員的安全。

5 結(jié)語

文中講述了針對節(jié)能賽車的氣動燃油供給系統(tǒng)的研發(fā)與制作過程，通過UG建立三維模型，利用ANSYS對壓縮氣體瓶進行分析，最后通過實車測試。經(jīng)過封閉道路測試，更換氣動燃油供給系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)燃油供給系統(tǒng)，從之前的635.18 km/L提升至759.47 km/L，最終得出結(jié)論，針對節(jié)能車研發(fā)的氣動燃油供給系統(tǒng)具有較好的燃油經(jīng)濟性及安全性。