插電式混合動(dòng)力汽車高壓塑料燃油箱設(shè)計(jì)

呂昊，陳學(xué)宏

(亞普汽車部件股份有限公司研究開發(fā)中心，江蘇揚(yáng)州 225001)

0 引言

能源和環(huán)境是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展必須考慮的問題。隨著社會(huì)的進(jìn)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(dòng)力汽車(Hybrid Electric Vehicle，HEV)相比傳統(tǒng)汽車具有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性和更低的排放，插電式混合動(dòng)力汽車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV)將這一概念提升到了一個(gè)更高的層次，它能夠從電網(wǎng)中提取和儲(chǔ)存能量，為車輛提供推進(jìn)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(jì)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(diǎn)

PHEV是一種既可以加油、也可以充電的混合動(dòng)力汽車。PHEV驅(qū)動(dòng)原理、驅(qū)動(dòng)單元與電動(dòng)汽車相同，唯一不同的是車上裝備有一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。PHEV首先選擇蓄電池為汽車提供動(dòng)力，當(dāng)蓄電池的電量降低到指定的下限時(shí)，才開啟內(nèi)燃機(jī)為汽車提供動(dòng)力[3-5]。

汽油是易揮發(fā)液體，也會(huì)因?yàn)樵谌加拖渲写鎯?chǔ)時(shí)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(dòng)機(jī)對碳罐進(jìn)行脫附清洗實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用。PHEV在純電模式進(jìn)行短途通勤，其發(fā)動(dòng)機(jī)長期處于不工作狀態(tài)，也就無法對燃油系統(tǒng)碳罐進(jìn)行有效脫附清洗，從而造成碳罐被擊穿，導(dǎo)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(dòng)機(jī)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(shè)計(jì)必須要解決的問題[6-8]。

2 高壓塑料燃油箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(dāng)PHEV以純電模式驅(qū)動(dòng)時(shí)，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(dāng)蓄電池的電量降低到指定的下限時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，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(jìn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(huì)高達(dá)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(qiáng)度是無法承受上述高壓荷，因此需要塑料燃油箱本體設(shè)計(jì)專門增強(qiáng)結(jié)構(gòu)來提高燃油箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jī)口模形成兩個(gè)片狀型坯，燃油箱模具閉合對片狀型坯預(yù)吹塑成型，預(yù)成型結(jié)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(jìn)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(diǎn)，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(qiáng)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，其具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 PHEV高壓塑料燃油箱結(jié)構(gòu)

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(qiáng)度的PPA材料，二者通過端部包膠方式實(shí)現(xiàn)連接。同時(shí)在立柱HDPE材料端面設(shè)置若干細(xì)小麻點(diǎn)，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(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)兩種內(nèi)置立柱結(jié)構(gòu)：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(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 內(nèi)置立柱結(jié)構(gòu)

3 高壓塑料燃油箱系統(tǒng)驗(yàn)證

為了驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)方法如圖5所示。

圖5 PHEV高壓塑料燃油箱壓力交變實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語

通過分析PHEV對燃油箱系統(tǒng)性能要求特點(diǎn)，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(xué)性能不足，結(jié)合其兩片吹塑成型工藝特點(diǎn)，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(qiáng)度。燃油箱實(shí)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。