某混動(dòng)車(chē)型高壓油箱設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

張?jiān)史?鄭宇 唐基榮 徐靖

摘要：基于環(huán)保與節(jié)能要求，PHEV車(chē)型逐漸成為從傳統(tǒng)汽車(chē)到純電動(dòng)汽車(chē)的過(guò)渡方案。其中油箱從常壓油箱改為高壓油箱，涉及材料、結(jié)構(gòu)、NVH性能、OBD策略等。本文基于某混動(dòng)車(chē)型高壓油箱的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，對(duì)高壓油箱的法規(guī)依據(jù)、材料選擇、耐壓性能、NVH性能等進(jìn)行探討研究，總結(jié)了一些成功經(jīng)驗(yàn)、方案方法，為整車(chē)廠(chǎng)帶來(lái)一定的借鑒和幫助，在降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和成本的同時(shí)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

Abstract： Based on the requirement of environmental protection and saving energy， PHEV vehicles has gradually become the transition from traditional cars to electric vehicles. The fuel tank from atmospheric pressure to high pressure tank， involved material， structure， harshness （NVH） performance， OBD strategy， etc. This article researched the high pressure fuel tank foundation， material selection， compression performance， harshness （NVH） performance based on the design of high pressure fuel tank of a hybrid vehicle development process， summarized some successful experiences for OEMs to reduce the development risk and cost at the same time improve the quality of design.

關(guān)鍵詞： PHEV;高壓油箱;混動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）23-0024-02

0? 引言

隨著汽車(chē)保有量增加，能源消耗與環(huán)境污染問(wèn)題日益突出。因此世界各汽車(chē)大國(guó)在大力發(fā)展新能源汽車(chē)相關(guān)技術(shù)。但受限于電池容量、充電便利性等因素，相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)無(wú)法完全替代傳統(tǒng)汽車(chē)。而插電式混合動(dòng)力汽車(chē)（PHEV，Plug-in Hybrids Electric Vehicle），具有接受外部公用電網(wǎng)對(duì)車(chē)載電池組充電的能力，電池容量續(xù)航30至80公里，可滿(mǎn)足市區(qū)日常用車(chē)需求，同時(shí)具有傳統(tǒng)汽車(chē)的加油便利性、長(zhǎng)續(xù)航特性，成為從傳統(tǒng)汽車(chē)到純電動(dòng)汽車(chē)的過(guò)渡方案。

市面上符合國(guó)六排放法規(guī)的PHEV車(chē)型，如寶馬i3、大眾高爾夫GTE、沃爾沃XC90等，都采用了高壓油箱來(lái)滿(mǎn)足環(huán)保法規(guī)要求。

1? 法規(guī)滿(mǎn)足

炭罐作為汽車(chē)上臨時(shí)吸附油箱內(nèi)燃油蒸汽的環(huán)保裝置，是利用發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓，吸入空氣來(lái)對(duì)炭罐進(jìn)行沖洗，以便實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用。而插電式混合動(dòng)力汽車(chē)，在電量充沛的條件下可能在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，無(wú)法為炭罐提供充足的沖洗流量，造成炭罐沖洗不徹底。某PHEV車(chē)型按GB18352.6-2016 IV型試驗(yàn)流程中整體式炭罐條件下所測(cè)出的炭罐脫附流量嚴(yán)重不足，IV型試驗(yàn)結(jié)果不合。因此，PEHV車(chē)型采用常規(guī)燃油箱已無(wú)法滿(mǎn)足環(huán)保法規(guī)要求，而需采用高壓油箱，禁止燃油蒸汽流出，從而滿(mǎn)足環(huán)保法規(guī)要求。

2? 方案選擇

較早上市的PHEV車(chē)型，以外資、合資車(chē)型為主。其燃油箱有塑料、不銹鋼兩種方案。其中，塑料油箱方案，需要采用兩片式吹塑工藝，在油箱內(nèi)部增加支撐結(jié)構(gòu)，確保高壓條件下不會(huì)破損。由于塑料高壓油箱開(kāi)發(fā)資源極少、開(kāi)發(fā)難度高，研發(fā)成本和周期都非常巨大。

比較而言，不銹鋼高壓油箱在工藝性、價(jià)格等方面具有較大優(yōu)勢(shì)。表1是兩種方案的工程對(duì)比。

因塑料高壓油箱內(nèi)部增加大量支撐結(jié)構(gòu)，其重量比壁厚1.2mm的不銹鋼高壓油箱減少并不明顯。而對(duì)于NVH性能，由于沒(méi)有動(dòng)力總成、排氣系統(tǒng)的背景噪音，燃油晃動(dòng)噪音是PHEV車(chē)型需要克服的問(wèn)題。塑料油箱的隔音效果相對(duì)金屬油箱較好，但通過(guò)內(nèi)置隔板、加強(qiáng)整車(chē)隔音效果，同樣可以達(dá)到滿(mǎn)意的效果。

3? 耐壓性能

經(jīng)研究表明，PHEV高壓油箱的工作壓力保持在20kPa左右，行業(yè)定義高壓油箱的工作壓力范圍是-15～30kPa。為了滿(mǎn)足高壓要求、控制整車(chē)重量，可考慮屈服強(qiáng)度更高的不銹鋼材料。寶鋼的一款高強(qiáng)度不銹鋼板材BFS400，材料屬性、冷加工特性?xún)?yōu)異，與SUS304、DC04材料屬性對(duì)比見(jiàn)表2。

同時(shí)，BFS400具有良好的成形強(qiáng)化能力，在10%左右變形時(shí)屈服強(qiáng)度/抗拉強(qiáng)度大大提升。

某車(chē)型高壓油箱，采用壁厚1.2mm的BFS400，前期CAE分析與實(shí)物驗(yàn)證：在35kPa壓力下油箱最大應(yīng)力小于材料屈服強(qiáng)度，油箱變形量≤5mm，同時(shí)順利通過(guò)12000次耐壓疲勞分析。

除了材料、規(guī)格外，在結(jié)構(gòu)、裝配方式、筋條布置等方面有如下建議：①盡量縮小油箱水平截面積：金屬油箱結(jié)構(gòu)，一般由上、下兩個(gè)殼體，通過(guò)縫焊技術(shù)焊接在一起。該結(jié)構(gòu)的油箱強(qiáng)度最弱的地方集中在上、下殼體表面，其面積越小，其耐壓性越高。②采用綁帶固定：傳統(tǒng)金屬油箱的固定，是采用四顆螺栓，通過(guò)邊緣的四個(gè)安裝點(diǎn)固定在車(chē)架上。對(duì)于高壓油箱，建議采用綁帶固定，可以在油箱的上、下殼體提供更多支撐點(diǎn)。該結(jié)構(gòu)可減少高壓條件下油箱上、下殼體的變形量，從而增加耐壓性能。

4? NVH改進(jìn)

油箱內(nèi)燃油晃動(dòng)產(chǎn)生的噪音，頻率范圍一般在30～500Hz，與金屬油箱高階模態(tài)重合度較高，隔音較塑料油箱差。加上PHEV車(chē)型背景噪音的降低，需要在設(shè)計(jì)上最大限度的降低高壓油箱內(nèi)燃油晃動(dòng)異響。關(guān)于降低晃動(dòng)噪音，有如下建議：①規(guī)則的外形：油箱晃動(dòng)異響主要表現(xiàn)為液體在油箱內(nèi)前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的撞擊。油箱殼體避免臺(tái)階、鼓包特征，使液體運(yùn)動(dòng)較為平順，可以減少劇烈異響的發(fā)生。②縮短X向尺寸：相關(guān)研究表明，液體晃動(dòng)頻率與容器水平尺寸成反比。所以橫置油箱相對(duì)縱置油箱，其液體晃動(dòng)周期短、次數(shù)少。③合理的防浪板設(shè)計(jì)：油箱晃動(dòng)異響，是發(fā)生在整車(chē)制動(dòng)完全停止后，液體從油箱前端迅速回流時(shí)產(chǎn)生的。在油箱內(nèi)部設(shè)置防浪板，可大大縮短液體運(yùn)動(dòng)周期，削弱晃動(dòng)異響。某高壓油箱的防浪板布置，使油箱內(nèi)大致分為三個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?qū)挾染S持在100mm左右。（圖1）

5? OBD策略

國(guó)六排放法規(guī)要求，汽車(chē)具備車(chē)載自動(dòng)診斷系統(tǒng)（OBD），其中包括燃油系統(tǒng)蒸發(fā)系統(tǒng)泄漏診斷。常見(jiàn)的診斷方案有DTESK、DMTL、NVLD等。相對(duì)傳統(tǒng)車(chē)型，混動(dòng)車(chē)型的OBD略微復(fù)雜，常見(jiàn)的幾種方式如下：

方式一：通過(guò)VCV，將燃油系統(tǒng)隔離為一個(gè)封閉區(qū)域。VCV作為常閉閥，用來(lái)維持系統(tǒng)封閉功能。在停車(chē)狀態(tài)下，油箱內(nèi)蒸汽壓力隨溫度而緩慢變化，并通過(guò)壓力傳感器來(lái)判斷系統(tǒng)的泄漏情況。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)并進(jìn)行脫附時(shí)，打開(kāi)VCV、關(guān)閉VBV。（圖2）

方式二：通過(guò)FTIV分成低壓區(qū)域、高壓區(qū)域，兩個(gè)區(qū)域獨(dú)立進(jìn)行診斷。高壓區(qū)域—以FTIV為界的油箱、加油管區(qū)域，該區(qū)域利用油箱內(nèi)壓力變化，通過(guò)油箱壓力傳感器來(lái)進(jìn)行診斷。低壓區(qū)域—炭罐及前后的燃油蒸汽管路，該區(qū)域利用主動(dòng)式泄漏診斷模塊，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行加壓、抽負(fù)壓來(lái)診斷。兩個(gè)區(qū)域的診斷均在停車(chē)后進(jìn)行。（圖3）

方式三：與方式二類(lèi)似，低壓區(qū)域OBD策略由主動(dòng)式泄漏診斷模塊改為DTESK模式——將主動(dòng)式泄漏診斷模塊改為CVS，并增加了炭罐壓力傳感器。低壓區(qū)域在做泄漏診斷時(shí)，關(guān)閉CVS，依靠發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)進(jìn)氣歧管產(chǎn)生的負(fù)壓對(duì)低壓區(qū)域抽真空，通過(guò)炭罐壓力傳感器來(lái)進(jìn)行泄漏診斷。

上述三種方案在成本、系統(tǒng)需求等方面有所差異，需基于項(xiàng)目情況、供應(yīng)商資源來(lái)做選擇。某混動(dòng)車(chē)型是在已量產(chǎn)國(guó)六傳統(tǒng)車(chē)型的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)，在底盤(pán)布置、車(chē)身結(jié)構(gòu)方面不易做較大改動(dòng)，故該高壓油箱選擇了方式三的OBD策略。該方案借用了原來(lái)的炭罐總成等零件，既減少專(zhuān)用件開(kāi)發(fā)，同時(shí)縮短O(píng)BD標(biāo)定工作量，從而降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

6? 總結(jié)

本文基于某混動(dòng)車(chē)型高壓油箱開(kāi)發(fā)過(guò)程，對(duì)高壓油箱在材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、NVH性能、OBD策略等方面進(jìn)行探討研究，選擇出可行性高、成本較低的方案，并通過(guò)防浪板優(yōu)化，解決金屬油箱N(xiāo)VH性能不足的問(wèn)題。最后又基于項(xiàng)目情況選擇最佳的燃油系統(tǒng)OBD方案，降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)整車(chē)各項(xiàng)測(cè)試證明，某車(chē)型高壓油箱的設(shè)計(jì)方案滿(mǎn)足整車(chē)需求，為整車(chē)廠(chǎng)帶來(lái)一定的借鑒和幫助，從而降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

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