某乘用車燃油加注過程優化分析

劉洋，劉志鵬，何金平，秦昊，張昆

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

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某乘用車燃油加注過程優化分析

劉洋，劉志鵬，何金平，秦昊，張昆

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

摘 要：汽車的燃油加注管的結構決定了燃油加注過程的順暢性，設計結構不好的燃油加注管容易引起反噴或提前“跳槍”現象。文章運用CFD軟件對某一乘用車燃油加注過程進行模擬分析，獲得了不同時刻加注管內油氣分布的狀態。根據分析結果對加注管結構進行優化，使加注過程更加順暢，降低了跳槍和反噴的風險，為燃油系統優化設計提供了參考。

關鍵詞：燃油加注過程；CFD分析；跳槍；優化

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.010

CLC NO.: U463.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-32-03

前言

在汽車燃油系統開發過程中，油箱，燃油加注管和通氣管是注油和儲油的重要部件，但是由于整車的布置原因會受到空間的限制，使加注口初直線段長度較短，加注管和通氣管不得不轉多個彎，才能與油箱相連接。在燃油加注過程中往往加注的速度比較快，如果加注管和通氣管設計不合理，很有可能導致加注過程不順暢，氣體不能及時排出，系統內壓力過大，出現提前“跳槍”現象，更嚴重會產生反噴情況，影響整車安全。

在以往的設計中，只能通過實驗的辦法一次次的嘗試，造成開發周期延長，研發成本的增加。隨著計算機和仿真軟件的發展，可以通過CFD軟件對燃油加注過程進行模擬，對多個方案進行分析。本文對某乘用車的燃油加注過程進行了幾何模型的建立，網格的劃分，瞬態CFD分析，并對分析結果進行了分析，找到問題的原因所在，縮短了研發周期，節省了研發成本，為燃油系統開發提供了理論依據。

1、燃油加注過程的理論方程

在燃油加注過程中，系統內同時存在汽油和空氣兩種物質。在分析過程中需要采用多項流模型，多項流的基本控制模型如下：

質量守恒方程：

初始條件理論公式：

式中：Nc表示模型中存在Nc種流體形態；ρ表示密度；μ表示分析粘性；Cp表示比熱；k表示熱傳導系數。

2、模型介紹

2.1 分析過程中的假設

計算過程中做了以下的假設（1）模擬油箱內部初始有一半燃油（2）整個加油過程溫度是恒定的即燃油與空氣之間不發生熱交換（3）不考慮燃油的蒸發變成氣態。

2.2 對加注模型的簡化

加注模型包括加注口（槍頭），燃油加注管，排氣管和油箱組成，網格數量大概53萬，本文對加注槍頭做了一定的簡化，如圖1所示：

圖1　燃油加注幾何模型

2.3 邊界條件

本文采取速度進口邊界，4.143m/s（約合50L/min），加油站實際加油速度45L/min，出口采用壓力邊界，設為大氣壓力。計算過程采用VOF模型進行非穩態瞬態仿真，計算的物理時間為2S，時間步長為0.002S。

3、仿真結果

3.1 原方案計算結果分析

觀察燃油加注管內不同時刻燃油的體積分數的變化，（如圖2-7），從結果可以看出，燃油第一次碰壁的時間為0.018S，然后燃油開始沿著壁面向出口流動。由于第一個拐角的結構設計不合理，導致加注過程不順暢，在第0.05S，加注管內出現加注不暢，在第0.18S出現回流現象，在第0.264 S加注趨于穩定狀態。據統計，在燃油加注過程中，第一次碰壁后的流動特別重要，一般提前跳槍也多發生在這個時刻，所以燃油加注管第一個拐角處的設計非常重要，為此在原方案基礎上對第一個拐角處位置進行優化，再次進行仿真分析。

圖2　0.018s燃油體積分數

圖3　0.05s燃油體積分數

圖4　0.1s燃油體積分數

圖5　0.18s燃油體積分數

圖6　0.2s燃油體積分數

圖7　0.264s燃油體積分數

3.2 優化后方案計算結果分析

基于原版方案的優化結果，對燃油加注管加注角度及初直線段長度進行改進。再次對優化后的燃油加注系統進行模擬分析可以看到加注過程無明顯的回流現象，流動更加順暢，無燃油堆積的情況發生，該方案通過試驗驗證，已應用到產品開發中，無提前“跳槍”和反噴的現象。

圖8　0.018s燃油體積分數

圖9　0.05s燃油體積分數

圖10　0.1s燃油體積分數

圖11　0.18s燃油體積分數

圖12　0.2s燃油體積分數

圖13　0.264s燃油體積分數

4、總結

（1）在燃油系統開發過程中，燃油加注管的結構對燃油加注過程的順暢性起到重要的作用，特別是燃油加注管第一個拐角處的設計為重中之重。

（2）通過CFD仿真技術可以實現對整個燃油加注過程進行模擬分析，可以找到容易引起反噴和提前“跳槍”現象的原因，并通過燃油加注管的結構的優化分析減少燃油加注不順暢的風險，節省了燃油系統的開發時間，降低了研發成本。

參考文獻

[1] STAR-CCM+幫助文檔.

[2] 張杰山,蔣春龍.加注過程的CFD分析在汽車油箱系統設計中的應用[J].APPLICATION 技術應用,2010(1):51-54.

[3] 張健,方杰.VOF方法理論與應用綜述,水利水電科技進展,2005, 04.

Simulation and Optimization Analysis of Tank Fuel Filling

Liu Yang, Liu Zhipeng, He Jingping, Qin Hao, Zhang Kun
（Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141）

Abstract:The structure of fuel-filling pipe was very important for the smoothness in the fuel filling process,a bad design of oil-filling pipe could cause fuel spilling or injector shut-off.Simulation of fuel-filling base on one vehicle was performed using the CFD software in this paper.The fuel and gas distribution of filling pipe is obtained in this simulation.According the result,then,the design of fuel-filling pipe was improved,the smoothness was better,and decrease fuel spilling risk,providing a basis for optimization design of a fuel-tank system.

Keywords:fuel-filling process; CFD simulation; injector shut off; optimization

作者簡介：劉洋，就職于華晨汽車工程研究院。

中圖分類號：U463.3

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)03-32-03