汽車加油管的輕量化設計及仿真驗證

林國發，袁 衛

汽車加油管的輕量化設計及仿真驗證

林國發，袁 衛

（上海汽車集團創新研究開發總院，上海 201800）

文章設計了一款符合國六排放標準的輕量化多層塑料加油管。開展了輕量化材料選型，加油管整體重量減少28%。在現有生產線基礎上通過增加波紋吸附模具實現了多層波紋管的擠出?；贏NSYS Fluent建立了加油管的計算流體動力學（CFD）仿真模型，并對加油管進行的流體流動分析，結果表明波紋管能減緩內部流體流動，有利液封形成。建立了加油試驗臺架，并進行了常用加油槍的加油試驗和ORVR試驗驗證。試驗結果表明，加油管性能良好，加油時不會出現飛濺、反噴和提前跳槍問題，蒸發排放值為7 mg/day，加油排放結果3.5 mg/L，符合設計要求。

汽車加油管；輕量化；CFD仿真；液體密封；國六排放標準；波紋管；加油性能

為了進一步減少汽車排放污染物，中國于2016年底發布了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（GB18352.6—2016）（以下簡稱國六）。國六新法規嚴格了汽車燃油系統的VI型蒸發排放限值，同時增加了V型的車載加油油氣回收系統（Onboard Refueling Vapor Recovery, ORVR）加油排放污染物限值[1]。為了滿足國六新法規，汽車燃油系統在材料和結構上有了很大變化。上海汽車袁衛對燃油系統的材料和限值進行詳細闡述，加油管采用金屬主管和THV材質橡膠管，加油管總成的滲透排放限值為15 mg/day的值[2]。秦昊等對國五和國六燃油系統解決方案展開了詳細對比，國內的主機廠的加油管總成一般都采用了金屬材質[3]，金屬加油管的密度大導致重量重，導致整車的油耗增加，金屬彎管的不良率較高[4]。文獻[5-8]對國六燃油系統的車載油氣回收（以下簡稱ORVR）系統進行仿真模擬、建立的相應的計算模型、研究了汽液兩相的內部流動、研究了液封跟加油管管徑大小的關系。但目前各類文獻，缺乏對帶有波紋的塑料加油管進行分析模擬及深入的研究。而金屬加油管重量和成本對整車不友好，本文從塑料加油管的結構設計、材料選型、工藝開發、基于ANSYS Fluent的仿真分析及試驗驗證等系統地設計開發了一款輕量化的多層塑料的加油管，既滿足了國六法規要求、實現了整車性能要求又減輕了重量、降低了成本。

1 加油管設計

1.1 加油管子零件的設計

基于某款轎車車型的整車布置空間，開展了加油管總成及子件的設計。加油管總成由導流口、加油管本體、護板、循環管、加油主管、炭罐吸附管、尾部密封套等子零件組成。各個子件的材料及功能如表1所示，其中炭罐吸附管、炭罐脫附管、循環管考慮到裝配便利性，均采用快插接頭跟對手件連接。而作為加油管的主管，長期貯存油蒸汽，并且要實現順暢加油的功能，還要滿足法規要求，所以加油主管的材料及結構設計至關重要。

1.2 加油管的輕量化材料選型

綜合零件的輕量化和應用的成熟度，加油管各子零件的材料選型如表1所示。金屬管的對汽油分子的阻隔作用很明顯，而純塑料材質對汽油的阻隔作用相對比較差，因此，需在塑料中增加阻隔材料來降低汽油分子的滲透擴散，燃油系統常見的阻隔層有：EVOH、MXD6、PVDF、ETFE、PA6、POM等材料。根據SAE J2659對不同的材料阻隔E10汽油滲透擴散的試驗結果：PPA>EVOH> MXD6>PVDF>ETFE>PA6>POM>PA12>PP。

表1 加油管總成的各子零件材料選型

序號加油管子件名稱塑料管子件材料 1導流口PA6 2加油管本體PA6 3加強護板PA6 4循環管多層尼龍管PA12/ EVOH/PA12 5加油主管多層波紋管PA12/PVDF/PA12 6炭罐吸附管多層尼龍管PA12/ EVOH/PA12 7炭罐脫附管多層尼龍管PA12/ EVOH/PA12 8尾部密封套氟橡膠FKM

在國六燃油系統中，炭罐脫附管、循環管及炭罐吸附管中由于長時間充滿油蒸汽，所以使用常用的管路結構PA12/EVOH/PA12的成熟結構來減少汽油分子的滲透。加油主管的彎管處帶有波紋段，且長期與液態汽油接觸。PVDF也就是偏氟聚乙烯，特殊的高結晶性和表面張力使其防滲透性能非常好，且具有優異的耐低溫沖擊性能、機械強度和堅韌性能[9]。

綜合考慮成本、性能，最終選擇聚偏氟乙烯（PVDP）作為加油主管的阻隔層。同時內層使用導電PA12，滿足加油管導電要求（小于106Ω），將加油時產生的電荷導走，滿足加油管的安全要求。至此，以多層塑料波紋材質為主管的加油管總重1 335 g，以金屬材質為主管的加油管重量為960 g，所以多層塑料波紋材質的加油管減輕28%。

2 多層擠出波紋管的工藝及流程

基于現有供應商體系，確認生產線的工藝及制造能力將加油管子零件分別進行生產制造。加油管本體、護板、尾部連接處密封套等用成熟的注塑工藝即可實現。炭罐吸附管、脫附管、循環管、加油主管則用成熟的多層擠出工藝。多層擠出塑料管擠出后為直管形狀，而在整車的空間限制需要進行折彎定型，使得各零件之間有足夠的安全間隙。加油主管直徑比脫附管、排氣管大，為實現多層塑料管在整車的布置，避免在折彎處出現明顯失圓，如果加油主管失圓后的直徑明顯小于25 mm，影響加油性能[6]。

所以在加油主管的折彎處增加波紋段過渡防止該處失圓。為此需要在現有擠出生產線增加波紋管段模具。波紋的工藝流程如下：多層擠出管的原材料粒子PA12/PVDP/PA12等經烘干后，通過多層管口模以流動熔體形式擠出，再由成模臺中各模塊孔以整圈抽取空氣的方式，將流動的熔體吸附在有波紋形狀的模塊內壁，隨著轉子的轉動，波紋管從成模臺末端脫模成型，然后冷卻定型，最后卷起來存放。

3 加油管的流體CFD仿真

燃油系統的加油順暢性是表征加油管是否滿足設計和使用要求的重要性能，燃油系統的加油排放（ORVR）性能則關系到燃油系統是否滿足法規要求。加油管的傳統驗證方法是通過試驗不斷試錯，但因為時間周期長、更改代價很大，影響了項目的周期和成本。而本次首次采用波紋形狀的加油管，應用經驗較少。因此，在設計方案鎖定之前有必要對燃油系統的內部流體流動情況進行仿真分析，盡早避免和提前識別出設計缺陷，縮短實物驗證的周期及成本。

基于ANSYS Fluent對燃油系統建模，簡化不必要的邊界，對加油過程進行流體流動分析。本文對計算模型全部采用相同的網格劃分方式，改變壁面邊界層厚度、入口段軸向網格疏密程度和加油管軸向網格尺寸大小，尤其是拐角和喉管等流動變化劇烈區域的網格尺寸，劃分出四種不同數量的網格，其中網格數量為493萬個。

3.1 加油順暢性能仿真

加油管的順暢性能主要是指加油管內部的汽油是否及時加入到油箱，里面的液面是否及時下降，加油管的順暢性能直接關系到汽車到加油站加油時油箱未滿是否會提前跳槍，關系到客戶感知。通常情況下，加油速度越快，對加油管的設計要求越高，也就是說加油時能承受的最高速度是考核加油順暢性重要指標之一。因此，本文選50 L/min的加油速度來進行加油管內部的流體流動仿真。

在加注燃油時，燃油與壁面有一定的夾角，導致燃油有一小部分撞擊到壁面從而產生反向速度矢量。在加油管的幾個拐角的波紋管處也產生反向速度矢量，特別是在50 L/min這樣高流速下，有些反向矢量是正常的。如圖1所示，在加油口位置以及在直角拐角處都產生了反向速度矢量。特別是在波紋管的波峰處，燃油有循環不再向前流動趨勢。波紋管內部的速度矢量無序，以及出波紋管的速度矢量較少，體現了波紋管減緩流速的作用。

圖1 加油速度50 L/min時加油主管內部的速度矢量圖

雖然波紋管有一定的阻流作用，但由于加油管內部油液的重力勢能及已經加油速度產生的動能足以克服阻力作用，所以加油管內的流體流動比較順暢，未出現明顯反噴現象，圖2為加油主管內部的壓力云圖。

圖2 加油速度50 L/min時加油主管內部的壓力云圖

加油管除了順暢性要求外，國六法規實施以來，另外一個重要的性能要求是加油排放限值低，所以在50 L/min的流速下，在第一拐角上附近設個截面，可以觀察出加油管內部的汽液的體積分數可達到80%以上，形成液封。由于有幾個拐角的存在，使油管的流線復雜，降低了汽油在管內的流速，有利于液封的形成。加油主管的汽油體積分數云圖如圖3所示。

3.2 液封性能仿真

自從國六標準法規發布后，ORVR系統的要求在加油管某處完全充滿汽油以形成液封來減少加油排放限值以滿足法規要求。法規要求的加油速度是38 L/min（約為2 m/s），因此我們針對 38 L/min的流速進行液封的流體流動分析，分別在截面、、觀察該處不同時刻的體積分數。

從圖4可以看出，由于截面出的管徑較小，形成液封效果良好，但在、截面處，在1.5 s形成的液封效果最好，這是因為汽油在加油管中出現的噴濺、碰撞、旋流等復雜的流動所形成的。因此初步根據流體仿真，該加油管能滿足ORVR要求，具體加油排放值多少還要通過試驗驗證。

圖4 38 L/min的A/B/C液封體積分數圖

4 加油管的試驗驗證

4.1 加油順暢性驗證

基于ANSYS Fluent 仿真結果可以讓設計方案不斷迭代優化，但最終的設計方案是否能符合要求得通過試驗確認。為此我們根據設計方案完成了試驗樣件制作，并對樣件進行了臺架試驗，如圖5所示。試驗過程中使用的油箱額定容積為50 L，且在油箱內預加了5 L油，加油機器的數據采樣頻率為2.5 Hz，國六的試驗油蒸汽壓為62 kPa。

圖5 加油管的試驗臺架圖

選用了市面上常見的市場占用率最高的6種加油槍型：OPW11AP、OPW12VW、ZVA 1.0R、ZVA2GR、AILE、MAIDE，放在加油臺架上分別以50 L/min和45 L/min，在不同的插槍角度（假設垂直地面的角度為0°）、不同環境溫度（常溫23 ℃和高溫70 ℃）下進行加油試驗。試驗結果如表2所示。

表2 加油管順暢性性能試驗

序號加油槍流速/(L/Min)角度/(°)溫度/℃試驗結果 1OPW12VW45±200±402370合格 2OPW11AP50 3ZVR1.050 4ZVR2.0GR45 5AILE45 6MAIDE45

注：表中角度、溫度值橫向未對齊，表示所有的槍都按±20 °、0 °、±40 °，在常溫23 ℃和高溫70 ℃下實驗。

根據壓力傳感器、加油機里的流速、加油量記錄的數據，可以得出每次加油時三者之間的關系曲線。如圖6—圖11所示，6種槍型，加油速度45～50 L/min的加油曲線，從曲線上看，加油時5 s左右油箱內壓力達到平衡，50～64 s時首次跳槍，此時油箱內加入了大約45 L的油液，加油過程中未出現飛濺、反噴、提前跳槍問題，加油管的順暢性能滿足要求。

圖6 OPW 12 VW加油槍的加油試驗

圖7 ZVA2.0GR 0 °加油槍的加油試驗

圖8 AILE加油槍的加油試驗

圖9 OPW 11AP加油槍的加油試驗

圖10 MAIDE加油槍的加油試驗

圖11 ZVA 1.0R加油槍的加油試驗

4.2 加油排放值測試

加油排放是表征加油時從加油管頭部散發到空氣中汽油值的多少，這個試驗除了考核加油管，還可以考核到整個燃油系統。但當前文加油順暢性符合要求時，該性能主要就與加油管有關。為了測試燃油系統的加油排放值，整套臺架需運用密閉室法（Sealed Housing for Evaporative Deter- mination, SHED）進行測試。使用加油槍OPW11、在加油時油溫20 ℃時以加油速度37 L/min加油，試驗測得前后環境排放量差值，加油量及炭罐前后增重的重量，可以得出加油排放量為3.5 mg/L，低于整車分配給加油管[2]的限值15 mg/L，符合國六標準法規的限值50 mg/L要求。

4.3 加油管滲透排放值測試

加油管的滲透排放值是衡量加油管的材料在整車行駛過程或者放置期間對于加油管內部汽油阻隔作用的一個重要指標，整車分配給加油管的限值一般不超過15 mg/day，這樣分配有利于整套燃油系統滿足法規限值。因此，需要測試多層塑料加油管滲透排放的具體值。將加油主管內預加入1.6 L的試驗用油，放入40 ℃的環境艙老化20周后取出來，放到SHED室進行24小時的滲透排放測試，結果為7 mg/day，低于限值15 mg/day，符合國六法規和內部企標的設計要求。

5 結論

文章基于整車布置空間設計了一款加油管，選取了輕量化材料多層波紋管作為加油主管。通過ANSYS Fluent 建立了計算流體動力學（Com- putational Fluid Dynamics, CFD）仿真模型，對加油管加油時的流體流動進行仿真，并制作臺架和樣件，使用不同的加油槍進行加油順暢性試驗，最后根據國六法規（GB18352—2016）進行加油排放和滲透排放試驗。得出以下結論：

1）使用輕量化的多層塑料波紋管材料的加油管能減重28%；

2）加油管拐角的能波紋段減緩內部流動，增加了流動阻力；

3）以多層波紋管為主管的加油管加油順暢性良好，不會出現飛濺、反噴和提前跳槍問題；

4）該加油管的滲透排放值7 mg/day，加油排放值為3.5 mg/L，低于整車的分配限值，符合法規要求。

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Simulation Verification and Lightweight Design of Automotive Refueling Pipes

LIN Guofa, YUAN Wei

( SAIC R&D Innovation Headquarters, Shanghai 201800, China )

A lightweight multi-layer plastic fuel filler pipe is designed which meets China VI regulation.The overall weight of the fuel filler pipe is reduced 28 % by carrying out the lightweight material selection. Based on the existing production line, the extrusion of multi-layer bellows is realized by adding corrugated adsorption mold. Based on ANSYS Fluent, the computational fluid dynamics(CFD) simulation model of the fuel pipe is established, and the fluid flow analysis of the fuel pipe is carry out. The results show that the bellows can slow down the internal fluid flow and facilitate the formation of liquid seal. The refueling test bench is established, and the refueling test and ORVR test of common refueling guns are carried out. The test results show that the performance of the fuel pipe is good, and there will be no splash, reverse spray and early jump gun problems during refueling. The evaporated emission value is 7 mg/day, the refueling emission result is 3.5 mg /L, which meet design requirements.

Automotive refueling pipes;Lightweight;CFD simulation;Liquid sealing;China VI regulation;Bellows;Refueling performance

U465

A

1671-7988(2023)12-108-06

林國發（1982－），男，碩士，工程師，研究方向為汽車燃油系統和儲氫系統，E-mail:94072408@qq.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.012.021