柴油車型燃油箱負(fù)壓補(bǔ)氣功能的分析

鄧海文，張楊，劉建華，彭義增

1.江鈴汽車股份有限公司,江西南昌 330000;2.亞普汽車零部件有限公司，江蘇揚(yáng)州 225009

0 引言

油箱是柴油車低壓燃油系統(tǒng)的主要零部件，也是汽車安全的關(guān)鍵部件，主機(jī)廠對(duì)油箱通氣性能也非常重視，都有預(yù)防油箱吸癟的設(shè)計(jì)[1]。但是各個(gè)主機(jī)廠對(duì)油箱通氣性能的理解各有不同，少數(shù)主機(jī)廠認(rèn)為油箱上只有一個(gè)閥門就可以，通氣流量參數(shù)也不清楚該如何定義;大多數(shù)主機(jī)廠標(biāo)準(zhǔn)是前、后傾16.7°，左、右傾10°，在此情況下保證油箱加入額定容積后至少有一個(gè)閥門可以通氣，通氣流量參數(shù)也各不相同。看上去大多數(shù)主機(jī)廠的這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)很合理，確實(shí)可以保證油箱不吸癟，但可能會(huì)存在過(guò)設(shè)計(jì)，從而造成成本浪費(fèi)。

本文結(jié)合理論和實(shí)踐對(duì)柴油油箱負(fù)壓補(bǔ)氣功能進(jìn)行了深度刨析，并通過(guò)臺(tái)架及整車試驗(yàn)驗(yàn)證，為柴油車型燃油箱負(fù)壓補(bǔ)氣功能的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)依據(jù)。

1 柴油油箱的工作原理

柴油燃油系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 柴油燃油系統(tǒng)原理

加油過(guò)程中，加油槍插入加油管釋放出燃油，燃油通過(guò)加油管進(jìn)入油箱，直到油箱內(nèi)燃油淹沒(méi)排氣接頭，油箱無(wú)法排氣，導(dǎo)致燃油無(wú)法繼續(xù)進(jìn)入油箱，燃油便會(huì)在加油管總成內(nèi)迅速增多，直到淹沒(méi)加油槍上的負(fù)壓補(bǔ)氣孔，此時(shí)加油槍內(nèi)負(fù)壓腔無(wú)法補(bǔ)氣，加油槍內(nèi)負(fù)壓腔的膜片被負(fù)壓迅速提起，加油槍跳槍，加油結(jié)束。由于排氣接頭的位置比GVV(grade venting valve)閥門低，此時(shí)燃油只淹沒(méi)了排氣接頭，未淹沒(méi)GVV閥門[2]。

行車過(guò)程中，燃油箱內(nèi)燃油通過(guò)油泵，經(jīng)過(guò)燃油濾清器輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)，油箱內(nèi)燃油減少，油箱內(nèi)形成負(fù)壓。當(dāng)油箱內(nèi)負(fù)壓壓力超過(guò)GVV閥負(fù)壓開(kāi)啟壓力時(shí)，GVV閥門打開(kāi)，大氣通過(guò)GVV閥門進(jìn)入油箱，油箱的負(fù)壓不再繼續(xù)增大。當(dāng)車輛上坡或下坡時(shí)，油箱內(nèi)液面處于傾斜狀態(tài)，可能會(huì)淹沒(méi)GVV閥門，導(dǎo)致油箱負(fù)壓補(bǔ)氣過(guò)程受阻，隨著燃油的消耗，油箱內(nèi)會(huì)形成更大的負(fù)壓，該負(fù)壓要克服閥門的負(fù)壓開(kāi)啟壓力和淹沒(méi)閥門的液體壓力才能實(shí)現(xiàn)補(bǔ)氣。

2 行車過(guò)程中油箱負(fù)壓補(bǔ)氣過(guò)程分析

汽車在平路上行駛時(shí)，燃油液面最高會(huì)達(dá)到排氣接頭，不會(huì)淹沒(méi)GVV閥門。GVV閥門可以正常補(bǔ)氣，保證油箱不被吸癟[3]。

當(dāng)汽車在上坡或下坡行駛時(shí)，如果坡度不大時(shí)，油箱內(nèi)燃油傾斜角度不夠大，GVV閥門未被淹沒(méi)，可以正常補(bǔ)氣。如果坡度足夠大，GVV閥門被淹沒(méi)，油箱內(nèi)負(fù)壓會(huì)逐漸加大，直到負(fù)壓大到可以通過(guò)液體將閥門吸開(kāi)，也就是該負(fù)壓可以克服閥門的負(fù)壓開(kāi)啟壓力和淹沒(méi)閥門的液體壓力，此時(shí)大氣通過(guò)閥門再穿過(guò)燃油與油箱的氣體匯合,負(fù)壓不再繼續(xù)增大，油箱內(nèi)負(fù)壓維持在一定水平，該負(fù)壓等于閥受到的液體壓力+閥門的負(fù)壓開(kāi)啟壓力。

3 油箱負(fù)壓補(bǔ)氣案例分析

某車型加額定容積燃油后，車輛在坡角為16.7°下坡時(shí)燃油和油箱示意如圖2所示，圖中燃料為柴油，密度ρ為820 kg/m3。

圖2 車輛在坡角為16.7°下坡時(shí)燃油和油箱示意

此時(shí)油箱上GVV閥門負(fù)壓補(bǔ)氣需要克服的壓力為p=p1+p2=ρgh+p2=820×10×0.174 5+0=1.43 kPa。如果油箱內(nèi)燃油被逐漸消耗掉，油箱內(nèi)負(fù)壓逐漸升高，直到負(fù)壓超過(guò)-1.43 kPa時(shí)，該GVV閥門會(huì)被油箱內(nèi)負(fù)壓吸開(kāi)(根據(jù)U型管連通器原理)，大氣中空氣穿過(guò)GVV和燃油與油箱內(nèi)空氣匯合。當(dāng)閥門補(bǔ)氣速度等于燃油消耗速度時(shí)，油箱內(nèi)負(fù)壓不再變化，維持在-1.43 kPa左右，-1.43 kPa油箱負(fù)壓不會(huì)導(dǎo)致油箱變形，也不會(huì)影響油箱內(nèi)燃油正常輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 整車試驗(yàn)

采用某車型的開(kāi)發(fā)樣車，加油至額定容積80 L，用堵頭堵住油箱上所有可以通往大氣的通道，將車輛行駛到試驗(yàn)廠，然后再高環(huán)高速行駛1 h(直道120 km/h，彎道90 km/h)，消耗燃油11.75 L，此時(shí)車輛駛離環(huán)道至平坦的空地，并觀察油箱的變形量。

封閉油箱燃油消耗示意如圖3所示，液位降低，氣體空間會(huì)變大。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程(pV=nRT)計(jì)算得出，如果油箱不變形，且前后環(huán)境溫度無(wú)變化。試驗(yàn)前壓力為p0=101 kPa(大氣壓)，體積為V0=8 L(V0是燃油消耗11.75 L前油箱內(nèi)的空氣體積);試驗(yàn)后壓力為p1，體積為V1=19.75 L(V1是燃油消耗11.75 L后油箱內(nèi)的空氣體積)，根據(jù)公式p0V0=p1V1推導(dǎo)出p1=p0V0/V1=40.91 kPa(絕對(duì)壓力)，換算成相對(duì)壓力，油箱內(nèi)負(fù)壓為60.09 kPa。

圖3 封閉油箱燃油消耗示意

實(shí)際上當(dāng)油箱密閉后消耗燃油，油箱形成負(fù)壓會(huì)導(dǎo)致變形。80 L額定容積的油箱密閉后消耗11.75 L燃油后油箱的變形情況，如圖4所示。實(shí)際上在壓力為-6 kPa左右時(shí)，油箱開(kāi)始變形；在壓力為-25 kPa左右時(shí)，油箱嚴(yán)重吸癟。而變形和吸癟會(huì)使油箱內(nèi)氣體空間變小，使得壓力回升一部分。所以試驗(yàn)結(jié)束后油箱內(nèi)實(shí)際負(fù)壓沒(méi)有達(dá)到-60 kPa，油箱變形彌補(bǔ)了一部分負(fù)壓，彌補(bǔ)之后油箱內(nèi)負(fù)壓為-25 kPa左右。

圖4 油箱壓力為-25 kPa時(shí)的變化情況

如圖5所示，當(dāng)油箱內(nèi)裝有80 L柴油時(shí)，控制油箱負(fù)壓為-4.75 kPa，油箱有輕微變形。

圖5 油箱壓力為-4.75 kPa時(shí)的變化情況

如圖6所示，當(dāng)油箱內(nèi)裝有80 L柴油時(shí)，控制油箱負(fù)壓為-2 kPa，油箱沒(méi)有變形。

圖6 油箱壓力為-2 kPa時(shí)的變化情況

4.2 臺(tái)架試驗(yàn)

準(zhǔn)備一個(gè)80 L油箱，油箱上有一個(gè)GVV閥門，該閥門負(fù)壓開(kāi)啟壓力為0 kPa,油箱加入80 L燃油,GVV閥門不堵住，模擬整車下坡16.7°固定油箱，GVV閥門被油箱內(nèi)燃油淹沒(méi)，采用設(shè)備以1 L/min的速度將油箱內(nèi)空氣抽出，油箱壓力變化曲線如圖7所示，負(fù)壓逐漸增大到-3.6 kPa然后突然回升，最后穩(wěn)定在-1.4 kPa左右，該負(fù)壓大小值與理論值基本吻合。負(fù)壓先增大到-3.6 kPa再回升到-1.4 kPa,原因是閥門由關(guān)閉到打開(kāi)這個(gè)狀態(tài)變化需要做功，故才導(dǎo)致了這個(gè)壓力的變化，當(dāng)閥門開(kāi)啟后補(bǔ)氣很快達(dá)到平衡，此時(shí)油箱內(nèi)壓力會(huì)維持在-1.4 kPa左右。

圖7 油箱壓力變化曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上分析可知，油箱內(nèi)出現(xiàn)較大負(fù)壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的變形，但油箱上只有閥門可以通氣，就不會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)壓，閥門補(bǔ)氣只要克服液體壓力和閥門自身的負(fù)壓開(kāi)啟壓力就可以實(shí)現(xiàn)往油箱內(nèi)補(bǔ)氣。故柴油油箱通氣性能可參考如下要求進(jìn)行設(shè)計(jì)：油箱設(shè)計(jì)一個(gè)GVV通氣即可，油箱模擬整車前、后、左、右傾[4]，找出油箱閥體被淹沒(méi)的最大深度h，通過(guò)計(jì)算“液體壓力+閥門自身的負(fù)壓開(kāi)啟壓力+閥門補(bǔ)氣平衡負(fù)壓(閥門補(bǔ)氣平衡負(fù)壓：當(dāng)閥門沒(méi)有被液體淹沒(méi)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)消耗燃油過(guò)程油箱內(nèi)負(fù)壓，該壓力接近0 kPa)”，得出整車前、后、左、右傾時(shí)油箱能建立的最大負(fù)壓，并且該負(fù)壓下油箱的變形量需在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。