某PHEV燃油箱加油反噴問題研究及對策

劉學敏 鄧湘 卜江華 金永鎮(zhèn) 郭亞威

摘? 要：針對某插電式混合動力汽車燃油箱加滿油的瞬間燃油反噴的故障，結(jié)合插電式混合動力燃油系統(tǒng)的工作原理及故障處理經(jīng)驗，分析故障產(chǎn)生的根本原因，提出相應(yīng)的改進措施，同時優(yōu)化了技術(shù)設(shè)計標準，補充完善了試驗規(guī)范中加油槍的型號要求，對之后的燃油箱設(shè)計和加油性能驗證方面有一定的指導作用。推薦的加油反噴改善措施，具有技術(shù)可行、實施周期短、成本低廉、效果良好的優(yōu)點，可供借鑒。

關(guān)鍵詞：插電式混合動力；燃油箱；反噴

中圖分類號：U473? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2023）06-0011-05

Research and Countermeasures of Refueling Spit back in a PHEV Fuel Tank

LIU Xue-min， DENG Xiang， BU Jiang-hua， JIN Yong-zhen， GUO Ya-wei

（ Lantu Automobile Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430056， China）

Abstract： in view of the fault of fuel spit back when the fuel tank of a plug-in hybrid vehicle is filled with fuel， combined with the working principle and fault handling experience of the plug-in hybrid fuel system， this paper analyzes the root causes of the fault and puts forward corresponding improvement measures. At the same time， it optimizes the technical design standard and supplements and perfects the model requirements of the fuel gun in the test specification， It provides important experience feedback and design guidance for subsequent projects in the development and approval of fuel tank.

Key Words： Plug-In Hybrid; Fuel Tank; Spit Back

1? ? 引言

近年來，全球市場汽車保有量逐年大幅增長，同時全球也面臨著石油等非可再生資源逐步枯竭和大氣環(huán)境惡化的問題，為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，各國政府都在大力推進新能源汽車的研發(fā)和投放，以便降低汽車綜合油耗和污染物排放。我國也不例外，新能源汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)被列為七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。近年來我國相關(guān)政策對新能源汽車的補貼、鼓勵及支持，也促使車企紛紛進入該領(lǐng)域。

目前，新能源汽車主要包括混合動力汽車、純電動汽車以及燃料電池汽車等。其中，插電式混合動力（PHEV，即Plug-in Hybrid Electric Vehicle），由于其具有更低的綜合油耗、更靈活的驅(qū)動模式被廣泛應(yīng)用。插電式混合動力汽車可以跟據(jù)工況選擇其驅(qū)動模式，分別采用純電驅(qū)動模式、純發(fā)動機驅(qū)動模式或者發(fā)動機與驅(qū)動電機共同工作的混合動力模式。

因為在純電驅(qū)動模式時插電式混合動力汽車的燃油箱會有相當長的時間段內(nèi)不進行燃油輸送及燃油蒸汽輸送，燃油和燃油蒸汽都封閉保存在燃油箱內(nèi)部，燃油箱內(nèi)部壓力會比傳統(tǒng)內(nèi)燃機模式下高約5倍，所以對于插電式混合動力汽車，其燃油箱在性能上和結(jié)構(gòu)上會與傳統(tǒng)內(nèi)燃機的燃油箱有所區(qū)別，也會遇到不同的故障模式、需要應(yīng)用不同的解決方案。本文解決的即是某插電式混合動力燃油箱在加油時的燃油反噴問題，整理歸納了反噴問題的故障樹，其解決思路具有借鑒意義。

2? ? PHEV燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能要求

為了能更清楚地進行問題闡述，首先簡要介紹插電式混合燃油系統(tǒng)與傳統(tǒng)內(nèi)燃機燃油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能的差異。

燃油系統(tǒng)工作原理示意圖，如圖1所示。傳統(tǒng)內(nèi)燃機燃油系統(tǒng)主要由以下關(guān)鍵零部件組成：燃油箱、燃油泵、燃油箱呼吸閥、加油管、燃油管路、碳罐等。燃油箱用于儲存燃油，燃油泵則把燃油從燃油箱中吸出、加壓后通過燃油管路輸送到發(fā)動機。燃油箱呼吸閥的作用是平衡燃油箱內(nèi)外部壓力。碳罐內(nèi)裝有活性炭，用于吸附燃油蒸氣，待 ECU（即Electronic Control Unit，電子控制單元）控制碳罐電磁閥開啟時，清新空氣將通過碳罐通氣管進入碳罐，形成氣流清洗碳罐內(nèi)的油蒸氣進入發(fā)動機內(nèi)參與燃燒[1]。根據(jù)GB18352. 6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法 （ 中國第六階段） 》法規(guī)要求（為敘述方便，后續(xù)簡稱為“國六”），加油過程中的燃油蒸汽不能直接排放到大氣中，而是要經(jīng)過炭罐過濾后再排往大氣。

插電式混合動力汽車的燃油系統(tǒng)與傳統(tǒng)純內(nèi)燃機燃油系統(tǒng)設(shè)計差異主要是需要增加能夠進行燃油蒸汽的控制管理，減少燃油蒸氣排放至碳罐的零部件。因為插電式混合動力汽車在發(fā)動機不工作的工況下，不能及時進行炭罐的脫附清洗。由于車輛運行時油箱內(nèi)燃油晃動、溫度升高等因素影響會導致油箱內(nèi)汽油蒸氣較多，如果不進行蒸汽控制管理，大量的汽油蒸氣進入碳罐、又不能及時進行炭罐有效脫附清洗，會造成炭罐被擊穿、燃油蒸汽泄露到大氣中污染環(huán)境。鑒于這種情況，為減少燃油蒸氣排放到碳罐，需盡可能將蒸氣控制在油箱內(nèi)。對于傳統(tǒng)內(nèi)燃機燃油系統(tǒng)，當燃油箱內(nèi)燃油蒸氣壓力達到4～7kPa時，位于燃油箱上的燃油呼吸閥會打開，燃油蒸氣將被釋放到碳罐中。而對于插電式混合動力燃油系統(tǒng)，為使燃油蒸氣控制在油箱內(nèi)，一般將油箱內(nèi)燃油蒸氣壓力控制在35kPa以內(nèi)，壓力控制通過燃油箱上FTIV閥（即Fuel Tank Isolate Valve，燃油箱隔離閥）實現(xiàn)。另外，通過增加燃油箱壁厚及燃油箱內(nèi)部增設(shè)加強筋增加燃油箱強度，抵抗燃油箱內(nèi)蒸氣壓力過高造成燃油箱變形[2]。

3? ? 問題描述

某插電式混合動力車型在上市前的整車路試過程中，發(fā)現(xiàn)車輛在加油時有燃油反噴出加油口蓋的缺陷，如圖2所示。出現(xiàn)反噴的車輛使用的加油搶型號是美國維德路特VEEDER-ROOT，加油速度約45L/min，加油過程中加油流暢、沒有提前跳槍和反噴情況，但是在加滿油時跳槍的時候，有部分燃油反噴，此時加油槍的加油角度在時鐘6點鐘和7點半鐘包絡(luò)區(qū)間。

4? ? 原因分析

分別從燃油箱產(chǎn)品符合性和設(shè)計開發(fā)因素對反噴問題進行分析。

4.1? ?符合性檢查

針對反噴缺陷，供應(yīng)商質(zhì)量工程師牽頭對供應(yīng)商進行緊急審核，從原材料的入廠檢查、零件的生產(chǎn)過程、最終產(chǎn)品的尺寸檢測等方面逐一核對。重點審核了產(chǎn)品定義、生產(chǎn)設(shè)備參數(shù)、關(guān)鍵特性項的監(jiān)控方法、監(jiān)控頻次等實操方面與前期文件的一致性。同時，對故障車上的燃油箱進行符合性檢查。結(jié)果，都未發(fā)現(xiàn)明顯的不符合項。篇幅有限，本文不對符合性檢查細節(jié)展開描述。

4.2? ?產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)因素分析

4.2.1 加油槍型號的影響

目前中國市場占比最大的德國ZVA和美國OPW加油槍在加油過程中的油箱壓力、通氣管流量、回氣管流量和炭罐增重均不同，這是加油槍的結(jié)構(gòu)參數(shù)（均滿足國六法規(guī)對加油槍的要求），如槍口內(nèi)徑、槍口外徑、直線部分長度、槍嘴到彈簧部分長度等差異造成的[3]。

此次發(fā)生故障的VEEDER-ROOT加油槍的這些參數(shù)跟ZVA和OPW又有所區(qū)別，而上述這些參數(shù)對加油性能會有影響。為了佐證這一觀點，將故障車輛上的燃油箱放置到試驗臺架上，用德國ZVA 2G、ZVA SL2和美國OPW 12VWH、OPW 11A-8加油槍進行加油試驗，加油速度45L/min，加油正常，沒有反噴現(xiàn)象。同樣的燃油箱，用某型號的加油槍加油時會出現(xiàn)反噴，而其他加油槍不會出現(xiàn)反噴，可見，加油槍型號是影響反噴的因素。

核實項目開發(fā)階段的試驗報告發(fā)現(xiàn)，VEEDER-ROOT加油槍不在試驗清單里，試驗清單里面僅驗證了4把燃油搶，分別是德國ZVA 2G、ZVA SL2和美國OPW 12VWH、OPW 11A-8。經(jīng)市場調(diào)研，目前VEEDER-ROOT的加油槍在中國市場中占比接近10%，而該項目的燃油箱產(chǎn)品性能認可規(guī)范里僅僅要求驗證ZVA和美國OPW的4種加油槍，看來是不充分的，有必要將VEEDER-ROOT的加油槍納入到產(chǎn)品認可清單里，在后續(xù)項目中提前進行驗證工作。

4.2.2 加油速率的影響

國六法規(guī)的加油速率要求是37L/min，而國五法規(guī)的加油速率要求是45L/min，加油速率小，燃油蒸汽有較充足的時間通向炭罐，經(jīng)炭罐吸附，不會聚集在燃油箱內(nèi)部形成大的壓力。為了驗證加油速率的影響，仍然用VEEDER-ROOT的加油槍進行加油，但是將加油速率從45L/min降低到37L/min，反噴故障不再現(xiàn)。國六法規(guī)執(zhí)行時間尚短，市場上加油站可能存在國五和國六加油速率混用的情況，這是客觀制約因素，短時間內(nèi)無法避免。

4.2.3 燃油箱內(nèi)部壓力影響

如前所述，對于插電式混合動力汽車，在純電驅(qū)動時，內(nèi)燃機不工作，燃油蒸汽被完全封閉在燃油箱內(nèi)部，此時燃油箱內(nèi)部的壓力會比內(nèi)燃機工作時壓力大很多。在加油過程中，隨著燃油蒸汽的增多，燃油箱內(nèi)氣體空間進一步被壓縮，燃油箱內(nèi)部壓力可能不能及時被燃油箱呼吸閥釋放。過大的壓力會將燃油壓出加油口，造成反噴。為了更直觀地看到加油過程中燃油箱內(nèi)部壓力的變化，在燃油箱頂部外接壓力傳感器，測試出加油過程的壓力曲線，如圖3所示：

圖3中黑色曲線是油箱內(nèi)部壓力曲線，單位是kPa；加油速度為45L/min。可以看到，在50秒之前，加油量平穩(wěn)上升，燃油箱內(nèi)部壓力維持在1.2kPa左右；在50秒后，燃油箱內(nèi)部壓力突變到了6.8kPa，此時加油量達到了燃油箱額定容積43L。參閱文獻可知，大部分PHEV燃油箱在加滿油瞬間，內(nèi)部壓力不超過3kPa。該項目燃油箱加滿油時內(nèi)部壓力太大，容易造成燃油反噴。

4.2.4 加油導管結(jié)構(gòu)影響

燃油箱加油管頭部有一個加油導管，其作用是限制加油槍姿態(tài)和加油深度、同時在加油過程中對燃油進行導流，加油導管位置示意圖，詳見前面章節(jié)圖1所示。

為了更好的觀察加油反噴的缺陷模式，用透明材料制作了燃油箱加注管，可以看到加油結(jié)束時有大量的燃油從加油導管返涌到加油槍感應(yīng)口，加油槍感應(yīng)到燃油后彈跳起來阻斷了加油進程，然而已經(jīng)返涌上來的燃油量太大，加油槍跳起來后，有部分燃油直接噴出了加油口。

4.3? ?分析結(jié)論

綜上所述，一共有四個因素造成該燃油箱燃油反噴，分別是：

（1）加油槍型號；

（2）加油速率；

（3）跳槍瞬間燃油箱內(nèi)部壓力過大；

（4）加油導管的結(jié)構(gòu)不能有效阻擋跳槍時返涌上來的燃油；

對于加油槍型號，在燃油箱產(chǎn)品開發(fā)臺架驗證階段，需要選擇市場占比大的燃油搶盡量多的驗證一些型號；對于加油速率，可以在車輛使用說明書里告知客戶，國六車型建議加油速率為37L/min；對于燃油箱內(nèi)部壓力過大和加油導管結(jié)構(gòu)方面，可以做一些設(shè)計優(yōu)化。不過由于該項目已經(jīng)到投產(chǎn)階段，零件模具已經(jīng)定型，大部分試驗已經(jīng)完成，綜合考慮質(zhì)量、成本、周期影響，只能通過有限的設(shè)計改動來解決問題。

5? ? 設(shè)計優(yōu)化方案

5.1? ?優(yōu)化燃油箱呼吸閥的結(jié)構(gòu)

該燃油箱的呼吸閥集成了兩個閥體，分別是加油限制閥FLVV（Fuel level Vent valve）和翻轉(zhuǎn)閥ROV（Roll over valve），剖面圖如圖4所示。在未加滿油時，燃油箱的內(nèi)部壓力釋放主要通過FLVV來實現(xiàn)。加滿油后，F(xiàn)LVV閥關(guān)閉，此時的壓力釋放靠ROV閥實現(xiàn)。經(jīng)分析，可以從ROV閥入手來降低加滿油時的燃油箱內(nèi)部壓力。ROV閥內(nèi)部有一個盤片結(jié)構(gòu)，其作用是保持燃油箱內(nèi)部壓力在閾值范圍，防止由于燃油箱內(nèi)壓力太低而容易被過度加油，即防止燃油箱加入超過額定容積的燃油，因為過度加油會犧牲燃油箱內(nèi)部預留給燃油蒸汽的膨脹容積。理論上可以通過取消這個盤片結(jié)構(gòu)使得燃油蒸汽快速地排出去，實現(xiàn)壓力降低的目的。考慮到取消盤片可能有過度加油的風險，必需進行加油試驗驗證。

5.2? ?優(yōu)化加油導管的結(jié)構(gòu)

加油槍插在加油導管內(nèi)進行加油，燃油反噴時一定量的燃油從加油管中反涌到加油導管，進而反噴出加油口蓋，被加油者目測到。考慮可以在加油導管喇叭口處增加一個擋板，將反涌上來的燃油擋住，避免燃油反噴出去，如圖5所示。

6? ? 物理試驗驗證

分別對取消翻轉(zhuǎn)閥內(nèi)部盤片，以及在加油導管喇叭口處增加擋板的方案進行加油試驗驗證。

試驗一，僅采用取消了盤片的翻轉(zhuǎn)閥，對燃油箱進行加油試驗，測量此時的燃油箱壓力曲線，如圖6所示，加油跳槍瞬間燃油箱內(nèi)部壓力從6.8kPa降低到5kPa，降低了1.8kPa，降幅可觀。此時，燃油反噴量減少約70%，但不能百分之百避免反噴。燃油箱沒有過度被加油的情況。

試驗二，僅采用加油導管增加擋板的方案，此時由于燃油箱內(nèi)部壓力過大，反噴的燃油量很多且壓力大，擋板變形脫落了。需要加強擋板強度，增強固定可靠性，同時對導管進行更大的適配性更改。

驗證三，取消翻轉(zhuǎn)閥盤片的同時給導管增加擋板，即方案一與方案二同時實施，發(fā)現(xiàn)效果非常好，反噴情況消失。

綜合考慮成本、周期及實施效果，最終選擇取消翻轉(zhuǎn)閥盤片和增加加油導管擋板共同實施的方案。

7? ? 結(jié)論

本文針對某插電式混合動力汽車在加油跳槍瞬間的燃油反噴缺陷，結(jié)合燃油系統(tǒng)的工作原理及故障處理經(jīng)驗，從零件的符合性檢查、加油槍型號、加油速率、燃油系統(tǒng)內(nèi)部壓力、加油導管的結(jié)構(gòu)等方面入手，逐一進行原因分析及解決方案的尋找和驗證，找出故障產(chǎn)生的根本原因、提出相應(yīng)的改進措施，對于相似質(zhì)量問題的分析與改進工作有一定的指導借鑒意義。在解決問題的過程中，完善了現(xiàn)有燃油箱認可試驗規(guī)范里面的加油槍型號清單，為后續(xù)該公司在燃油箱開發(fā)認可方面提供了重要的經(jīng)驗反饋和設(shè)計指導。

本文的研究是基于產(chǎn)品已經(jīng)開發(fā)出來進行的，難免會對項目成本和周期產(chǎn)生影響，目前的三維仿真能力尚不足以有效模擬燃油箱加滿油瞬態(tài)的油液和燃油蒸汽的流動和相變過程，如何提升這方面的三維仿真能力，避免成品后出現(xiàn)加油異常問題，是后續(xù)的研究方向。

參考文獻：

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[8]王望予，汽車設(shè)計[M]，北京： 機械工業(yè)出版社，2006．

專家推薦語

蔡文新

東風汽車集團有限公司技術(shù)中心

動力總成專業(yè)總工程師? ?研究員級高級工程師

本文針對加油系統(tǒng)開發(fā)過程中出現(xiàn)的加油反噴現(xiàn)象從原理入手對其影響因子進行細致分析，并就量產(chǎn)可行的解決方案進行了試驗研究。結(jié)果顯示其方案可行合理，對工程師開發(fā)設(shè)計有很好的借鑒。論文行文流暢，可讀性強，研究內(nèi)容和結(jié)果具有較好的實用價值，推薦發(fā)表并推廣。