基于CFD的ORVR燃油系統加油性能分析

霍建杰，馬智勇，胡結兵，馬陸娟，宋立廷

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基于CFD的ORVR燃油系統加油性能分析

霍建杰，馬智勇，胡結兵，馬陸娟，宋立廷

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 200129）

與傳統燃油系統不同，ORVR系統內部較大的油蒸汽壓力，較細的加油管對加油性能帶來了更大的挑戰。文章試驗研究了ORVR燃油系統與非ORVR燃油系統加油過程中的區別，確定了加油性能CFD仿真的方法，提出了CFD仿真結果的判斷準則，并模擬了整個加油過程，與試驗結果進行了比較。結果表明，ORVR燃油系統較傳統燃油系統壓力更大，達到加油穩態過程所需時間更長，CFD仿真結果與試驗結果一致，該方法可以有效預測燃油系統的加油性能，對燃油系統設計開發具有指導性意義。

車載加油；ORVR；CFD；加油

前言

近年來我國機動車保有量逐漸增加，機動車排放污染是造成空氣污染的主要因素之一。汽車燃油蒸發排放主要有運轉排放、熱浸排放、晝間排放和加油排放，約占整個汽車排放的20%[1]。加油排放是汽油蒸發排放的主要部分，加油過程中每1升汽油約排放1.0g-1.5g汽油。每年因汽油揮發0.2%-0.3%的汽油，造成環境污染的同時也造成了能源的巨大浪費。美國從20世紀90年代開始開發車載加油蒸氣回收系統，作為加油站STATE－II回收技術的補充。研究結果表明，ORVR系統能夠回收95% 以上的加油排放污染物[2]。2011 年美國加利福尼亞州開始實施零排放汽車(ZEV)計劃，而ORVR系統是ZEV計劃中重要的一部分[1]。在美國ORVR技術實施十多年被證明是一項高效的油氣回收技術，其效率可達98%，第二階段回收技術已于2013年停止了在尚未實施控制的地區推廣使用。國六排放標準將于2020年7月1日全國范圍正式實施，要求燃油系統配備ORVR系統。

ORVR的作用是收集和儲存加油過程中汽油蒸氣，然后脫附到發動機中去燃燒，從而節約能源[2]。從圖1和圖2是ORVR 和非ORVR 示意圖。非ORVR 燃油系統加油時，油蒸汽通過加油通氣管回到加油管口部，通過加油管口部直接排放到大氣中。ORVR燃油系統有更細的加油管內徑。加油時，加油管口部要么有機械密封結構，要么管路內有油液充滿管徑橫截面形成的液體密封[3]。這兩種密封作用均能防止油蒸汽通過加油管通往外部大氣。液體密封由于結構簡單，穩定可靠，應用范圍更加廣泛。本文研究的燃油系統是基于液體密封而言。開時加油的瞬間，液體密封形成。油蒸汽通過加油循環管回到加油管口部，此時加油管口部由于文丘里效應，形成負壓，油蒸汽會被流動的油液帶入到油箱內。所以，加油過程中油蒸氣幾乎全部經過炭罐吸附，不會從加油排到大氣中。當活性炭罐中汽油蒸氣儲存到一定量時，發動機會對炭罐進行脫附，這樣就把原來逃逸到大氣中的汽油蒸氣回收起來，達到了節能和環保的目的。

ORVR燃油系統是對傳統燃油系統的再設計，而不是一個額外的系統附加在傳統燃油系統之上。ORVR燃油系統相比傳統燃油系統主要區別在于：加油管直徑由35mm左右降至25mm左右，以便加油過程中形成液封，防止油箱內的油汽在加油時候經加油管排向大氣；燃油箱上方連接炭罐的管路系統通氣性要足夠好，保證燃油箱在加油過程中壓力逐漸釋放。國五標準的車輛通常使用直徑約8毫米的油箱炭罐連接管，而ORVR系統中這條管路的直徑需要增加到約16毫米；為了充分吸收油蒸氣，炭罐體積相對于國五炭罐體積增大約2倍，而且需要使用較低通氣阻抗的活性炭，例如直徑為2毫米的柱狀活性碳。

圖1 非ORVR燃油系統加油示意圖

圖2 ORVR燃油系統加油示意圖

ORVR燃油系統較細的加油管，更大的炭罐，更嚴格的密封性能，導致加油過程中背壓較傳統燃油系統更大，加劇了發生提前跳槍的可能性。同時加油過程中若發生提前跳槍會大大增加加油排放，無提前跳槍是控制加油揮發的關鍵。

計算流體動力學，簡稱CFD，是近代流體力學，數值數學和計算機科學結合的產物，是一門具有強大生命力的邊緣科學。它以電子計算機為工具，應用各種離散化的數學方法，對流體力學的各類問題進行數值實驗、計算機模擬和分析研究，以解決各種實際問題。加油過程復雜的多相流動過程，利用CFD方法可以揭示加油過程中所發生的復雜氣液兩相流動特性，為燃油系統的設計提供幫助。目前已有大量相關研究工作，如汪智等人利用CFD方法研究了加油管的液封設計；陳家慶等人利用CFD方法研究了機動車加油過程中氣液兩相流動特性[4]。ORVR技術是對燃油系統一個根本性的改變，目前的數值仿真大都基于傳統的燃油系統。針對ORVR系統對加油性能的影響以及仿真工作開展的較少。

本文首先通過試驗方法研究了ORVR燃油系統與非ORVR燃油系統加油過程中的區別，并從試驗中得到加油分析所需的各項數據。最后利用CFD方法模擬了整個加油過程，評價了加油過程中的各項指標，并與試驗結果進行了比較。

1 ORVR燃油系統加油試驗及數據采集

由于國內市場上ORVR燃油系統的車輛較少，本研究選用本公司某ORVR燃油系統以及兩款已經上市的非ORVR燃油系統（分別記為非ORVR系統A和B）進行加油性能試驗，試驗過程中采集加油背壓數據、加油速度等參數。

1.1 試驗方案

在室溫下將ORVR燃油系統、非ORVR燃油系統A和B，分別采用Elaflex ZVA Slimline 2加油槍以50L/min的速度進行加油直至第一次自動跳槍，加油槍位于加油管口部6點鐘方向。記錄整個過程加油速度、加油容積、背壓等數據，并觀察加油口是否有蒸氣溢出，數據采集的頻率為10Hz。

圖3 加油試驗

1.2 試驗結果

三個燃油系統在加油量達到油箱額定容積前均未發生提前跳槍的情況。加油過程中非ORVR燃油系統A和B在加油口處明顯有大量蒸氣揮發，而ORVR燃油系統加油口未見蒸氣溢出。加油過程中流速和壓力數據如圖4，5，6所示。

試驗結果表明ORVR系統和非ORVR系統加油過程是相似的，加油初始油箱內部壓力為大氣壓，隨著加油速度增大油液增多背壓逐漸增大，到達一定壓力值后趨于平穩，直到油液淹沒液位通氣閥后內部壓力驟然增大，觸發加油槍跳槍，完成第一次自動跳槍。整個過程由加油初期背壓持續增大、流動形態不穩定的瞬態過程，中期背壓穩定、流動形態比較恒定的穩態過程以及后期背壓急劇增大加油停止的瞬態過程組成。

圖4 ORVR燃油系統加油試驗數據采集

圖5 非ORVR燃油系統A加油試驗數據采集

圖6 非ORVR燃油系統B加油試驗數據采集

比較試驗數據，ORVR系統與非ORVR系統又存在很大區別：

背壓差別巨大：ORVR系統背壓穩定狀態約為1.8kPa，非ORVR系統穩態背壓約為0.8kPa，且兩個完全不同的非ORVR系統背壓數據基本一致。

加油初期瞬態過程持續時間不同：ORVR系統約為3秒達到背壓穩定狀態，非ORVR系統約為2秒達到背壓穩定狀態。

2 基于CFD方法的ORVR燃油系統加油性能分析

2.1 CFD分析方法的確定與模型簡化

通過對加油過程的分析可以得知加油過程由初期的瞬態，中期的穩態和后期的瞬態組成。提前跳槍主要發生在加油初期的瞬態過程。整個加油過程涉及氣液兩相流、湍流并伴隨著氣液傳質等多種物理和化學現象。因此CFD加油性能分析是一個針對加油初期的氣液兩相瞬態分析。

加油過程中的背壓是影響加油順暢性的重要因素。ORVR燃油系統背壓增大直接影響加油性能。油箱、炭罐、油蒸氣以及閥系對加油性能的影響主要體現在增大了加油背壓，因此為簡化模型減小計算規模，將上述因素的影響簡化為加油管管與油箱的連接閥（ICV）末端處的背壓。背壓數據采用實驗采集的數據，考慮到背壓數據為油箱內部氣體的壓力，當油液沒過ICV時，ICV處除了受到氣體的壓力外還受到油液產生的壓力。出于設計穩健性的考慮，油液產生的壓力選為油箱滿油時的液面高度產生的壓力。在初期瞬態3S內，壓力由0逐漸增大到1.8kpa，本實驗中采用的油箱，ICV處距滿油液面高度為80mm。根據公式P=ρgh，可以得到油液產生的壓力約為600Pa。所以初期瞬態后液體壓力為2.4kpa。為了簡化模型，本文視初期瞬態壓力變化為線性變化，其等效替代壓力曲線如圖7所示。

另外假設整個燃油系統是個等溫體系，不存在熱量傳遞過程；不考慮液態汽油與油氣之間存在的傳質問題；只考慮強制對流，不考慮氣相密度不同而帶來的浮力的影響，氣體在整個體系內的擴散比較均勻[5]。

圖7 CFD仿真用背壓曲線

2.2 CFD模型的建立與參數設置

Fluent是目前國際上流行的商用CFD軟件包，用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮流體的復雜流動，本研究選用Fluent軟件。通過逆向掃描的方法得到ZVA加油槍的幾何模型，加油管的模型來自設計模型。在UG中將加油槍與加油管按照實際加油時的位置擺放。首先在Hypermesh中將加油管內表面，加油槍(只需要劃分加油口到與加油管口齊平的一段)內外表面以2mm劃分為三角形殼單元。將三角形殼單元導入Fluent中生成體單元。

圖8 加油管與加油槍幾何模型

圖9 CFD模型局部放大圖與全部模型

Fluent中多相流模型中的VOF 模型適用于分層流、自由面流動、灌注、晃動、液體中大氣泡的流動等問題。在VOF模型中，氣液兩相共用壓力和速度等體積平均變量，因此本模型多相流模型使用VOF模型。Fluent 湍流模型中的RNGK-ε模型適用于急轉彎、高湍流的情況。考慮到加油速度較高，故本設計中湍流模型選擇RNGK-ε模型。模型中的流體介質使用Fluent數據庫中默認的汽油材料。

模型邊界條件的設置，加油槍出口設置為速度進口(velocity-inlet) ，汽油以50L/min 速度從加油槍噴入加油管；加油管的全部固體外壁面都設置為壁面(wall) ；加油管ICV閥處設置為壓力出口，施加圖6所示的壓力曲線。加油管口設置為壓力出口，壓力為0Pa。進口和出口的湍流參數都設置為湍流強度和水力直徑(Hydraulic diameter)，水力直徑取各自的管道直徑。

在Fluent 求解器中選擇3ddp 模式，壓強-速度耦合算法格式采用“PISO”，壓力方程的離散化采用“PRESTO! ”，動量方程和湍流動能方程的離散都采用一階迎風格式。

2.3 仿真結果評判準則

加油槍跳槍的跳槍機理是當氣孔被油液堵死，空氣無法補償到加油槍內部，空腔中空氣被帶走后形成負壓，此時加油槍內膜片向上變形，膜片帶動自封機構封死噴油口，終止加油。加油過程中當有汽油回流時即存在油液封住氣孔的可能性。因此在仿真結果中加油槍通氣口出現回流現象發生即認為存在提前跳槍的可能性。

2.4 CFD仿真分析結果

本文選擇的ORVR 燃油系統臺架實驗表明，加油過程中符合蒸發排放要求，加油管口部幾乎沒有油蒸汽冒出。通過觀察CFD 仿真結果，加油過程中加油口處油液的流動形態，如圖10、11 所示，0.1S及3S 加油管口部油液不存在回流現象，不存在提前跳槍的可能性，與試驗現象吻合，一定程度上說明了CFD仿真方法的正確性。

圖10 T=0.1S時的燃油流動狀態

圖11 T=3S時的燃油流動狀態

經過計算結果分析，可以得到燃油箱內的燃油分布及流動情況、流體的速度和壓力。

ORVR燃油系統在加油過程不允許蒸氣從加油管排出，如圖12、13所示，當T=0.12秒時有少許空氣從加油管中流到大氣中，這是由于此時加油速度剛剛到達最大值，高速流動的油液還未影響到加油口部。當T=0.28秒時空氣流動狀態為氣流往加油管內部流動，這是由于高速流動的液體帶動空氣流動在加油口部形成一定真空度，有效防止了燃油蒸氣的揮發。這和實驗中加油口未觀察到蒸氣流出的現象相一致。

圖12 T=0.12 S時加油管口的空氣流動狀態

圖13 T=0.28 S 時加油管口的空氣流動狀態

3 結論

ORVR燃油系統較非ORVR燃油系統加油過程中背壓顯著增大，不利于加油順暢性。

CFD加油性能分析是一個針對加油初期的氣液兩相瞬態分析。采用多相流模型實現了對注油過程中加油管內的燃油流動情況的模擬。得到了加注過程中燃油分布、流體壓力、速度等數值，分析結果與實驗結果一致。在燃油系統開發過程中應用CFD技術對加油過程的模擬可以有效預測燃油系統的加油性能，判斷加油過程中是否有提前跳槍的風險，并提出改進方案，縮短設計周期和減少設計成本，指導燃油系統的設計。

[1] 汪智,何仁.基于Fluent仿真的ORVR加油管液封設計[J].重慶理工大學學報(自然科學),2014.02.004.

[2] 蔡錦榕,何仁,韋海燕．控制轎車加油排放的ORVR 技術綜述[J].車用發動機,2009.02.181.

[3] 湯水清,陳家慶,劉美麗等.ORVR系統液封性能數值模擬[J].汽車工程學,2015,5,3.

[4] 陳家慶,張男,王金惠等.機動車加油過程中氣液兩相流動特性的CFD數值模擬[J].環境科學,2011,32,12.

[5] 何仁,鄧曉析等.基于二維非穩態模型的ORVR加油特性的數值模擬[J].汽車工程學,2017,11,39.

ORVR fuel system refilling analysis based on CFD

Huo Jianjie, Ma Zhiyong, Hu Jiebing, Ma Lujuan, Song Liting

（Pan Asia Technical Automotive Center Co., Ltd, Shanghai 200129）

On-board refueling vapor recovery (ORVR) system is a bigger challenge for refilling, as it brings out higher vapor pressure inside of tank, smaller inner diameter filler pipe contrast to the traditional fuel system. The refilling process difference has been studied. A refilling CFD method and the refilling performance evaluation criteria has been established. The CFD result matched the test result. The result showed that ORVR has a bigger inner vapor pressure, longer time to reach the homeostasis step. This study could predict refilling performance and be instructive to fuel system development.

On-board refueling vapor recovery; ORVR; CFD; Refilling

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.037

U467

A

1671-7988(2019)10-105-04

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1671-7988(2019)10-105-04

霍建杰，燃油系統工程師，就職于泛亞汽車技術中心有限公司，致力于汽車燃油系統技術難題研究。