李長江，何彥彬

（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北 保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

插電式混合動力車燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)開發(fā)

李長江1,2，何彥彬1,2

（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北 保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

對插電式混合動力車面臨的燃油蒸發(fā)排放超標問題進行了探討，通過魚骨刺法識別出HC排放超標的影響因素，提出了兩種燃油蒸發(fā)排放控制方案，既高壓燃油箱方案及燃油冷卻方案，并詳細介紹了兩種方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及控制邏輯。

插電式混合動力；蒸發(fā)排放；高壓燃油箱；燃油冷卻

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)01-12-04

前言

隨著汽車保有量的持續(xù)增加，全球面臨著非可再生能源逐漸枯竭以及環(huán)境持續(xù)惡化的問題。目前各國政府均在大力推進新能源汽車的發(fā)展以便降低汽車綜合油耗及污染物排放量，我國也在“十二五”規(guī)劃中將新能源汽車產(chǎn)業(yè)列為七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一[1]。現(xiàn)階段新能源型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，而受成本、技術(shù)成熟度以及配套設(shè)施建設(shè)遲緩等因素影響,純電動汽車及燃料電池汽車都無法在短時間內(nèi)推廣普及，而混合動力汽車由于技術(shù)成熟度高以及對配套設(shè)施的依賴度低已經(jīng)成為各汽車廠商的優(yōu)先發(fā)展項目，其中插電式混合動力。由于其具有更低的綜合油耗、更靈活的驅(qū)動模式，也成為了混合動力汽車開發(fā)的排頭兵。

圖1 一種典型的插電式混合動力車布置結(jié)構(gòu)

插電式混合動力車雖然具有良好的節(jié)能減排性能，但如匹配不當也會帶來新問題，如在長時間純電行駛工況下的燃油蒸發(fā)控制問題。純電動行駛工況下發(fā)動機不工作，此時碳罐無法及時脫附清洗，如采用傳統(tǒng)的燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)長時間純電動行駛碳罐極易飽和失效，導致燃油蒸發(fā)排放超標造成燃油損失及環(huán)境污染。消除此問題插電式混合動力車需設(shè)計一種全新的燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)。

圖2 傳統(tǒng)燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)

1、燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)設(shè)計思路

為控制燃油蒸發(fā)排放首先需要了解影響其的主要因素，由圖3魚骨刺圖可知在無法提升發(fā)動機脫附管流量的情況下，可通過增加碳罐設(shè)計容積以及降低燃油蒸汽產(chǎn)生量來降低蒸發(fā)排放，而增加碳罐容積不但需要協(xié)調(diào)可布置空間且治標不治本，隨著時間累計必然也會達到飽和狀態(tài)，因此降低燃油蒸汽產(chǎn)生量成為了最佳的解決方案。

圖3 燃油系統(tǒng)蒸發(fā)排放影響因素魚骨刺圖

降低燃油箱外溢的燃油蒸汽量最切實可行方案就是采用高壓燃油箱和降低燃油溫度。

2、高壓燃油箱系統(tǒng)設(shè)計

2.1 零部件組成

高壓燃油箱系統(tǒng)就是燃油箱通過提升承壓能力將燃油蒸汽儲存在燃油箱內(nèi)，降低碳罐負荷。圖4為一種典型高壓燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)（附帶ORVR功能）。

圖4 高壓燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)

高壓燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)最重要的零部件就是高壓燃油箱，油箱承壓能力的設(shè)計應結(jié)合燃油蒸發(fā)排放特性來確定。油箱廠D試驗測試，在額定容積為50L燃油箱加入48L RVP12的燃油，對燃油箱進行逐漸加熱并在各溫度下靜置1h，并監(jiān)測靜置前后溫度，油溫和壓力對照數(shù)據(jù)如下：

表1 燃油溫度和壓力對應表

基于以上數(shù)據(jù)并結(jié)合典型的晝夜溫度趨勢[2]可初步確認燃油箱承壓能力高于350Kpa即可滿足大多數(shù)工況和環(huán)境溫度下的燃油蒸發(fā)控制要求。

高壓燃油箱通常分為金屬燃油箱和塑料燃油箱，金屬燃油箱主要通過采用高強度不銹鋼焊接而成，而塑料燃油箱通常通過增加內(nèi)骨架、外骨架、壁厚以及采用多層結(jié)構(gòu)的方式實現(xiàn)高承壓能力。

油箱隔離閥作為高壓燃油箱系統(tǒng)特有零部件，其結(jié)構(gòu)和性能直接關(guān)系到系統(tǒng)的可靠性和安全性，通常由機械式雙向安全閥和電磁閥組成，安全閥主要是在油箱內(nèi)壓力接近正、負極限值時對油箱進行放氣或補氣，電磁閥主要是可通過油箱壓力控制模塊控制實現(xiàn)隨時對油箱進行放氣和補氣。

溫度、壓力傳感器主要用于監(jiān)控燃油箱內(nèi)燃油蒸汽的壓力和溫度，燃油箱壓力控制模塊通過實施采集數(shù)據(jù)來確認是否需要緊急放氣或補氣，此外也可以通過壓力、溫度差核算碳罐吸附量，確認碳罐是否接近飽和,為發(fā)動機脫附策略執(zhí)行提供輸入。

油箱門閉鎖控制器主要用來控制油箱門的開啟，只有當油箱內(nèi)壓力小于3Kpa時根據(jù)操作人員意圖執(zhí)行油箱門開啟功能，防止油箱在高壓狀態(tài)時開啟發(fā)生燃油及蒸汽從加注孔向外噴濺對操作人員造成傷害并避免安全事故發(fā)生。

碳罐主要用于吸收泄壓、加油過程中從油箱中揮發(fā)出來的燃油蒸汽，同時其也是燃油箱的補氣通道。

2.2 控制邏輯原理

高壓燃油箱系統(tǒng)其主要電子模塊如下：

圖5 高壓燃油箱系統(tǒng)電器模塊組成圖

油箱壓力控制模塊邏輯：油壓控制模塊上電后對碳罐電磁閥工作狀態(tài)、燃油箱內(nèi)部壓力溫度、燃油液位以及是否出現(xiàn)加油控制信號進行采集，從而控制燃油箱隔離閥、油箱門閉鎖器的開閉，在燃油蒸汽密封儲存的同時實現(xiàn)加油及燃油箱保護功能，并核算碳罐脫附時機避免碳罐飽和外溢[3]。控制邏輯詳見圖7。

3、燃油溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 零部件組成

燃油的熱能主要來源于熱空氣對油箱的熱傳導、路面對燃油箱的熱輻射、排氣管對燃油箱的熱輻射、汽油泵運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量、回油帶回的熱量、燃油箱沖擊油箱壁產(chǎn)生的熱量。

燃油溫度控制系統(tǒng)結(jié)合相應的控制策略可實現(xiàn)燃油箱內(nèi)燃油控制在較低溫度下，從而降低燃油揮發(fā)速率減少進入碳罐的燃油蒸汽量，從而消除碳罐易飽和失效問題，降低插電式混合動力車的污染排放物量。

燃油溫度控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)詳見圖6。

圖6 燃油溫度控制系統(tǒng)

圖7 高壓燃油箱系統(tǒng)控制邏輯圖

為滿足油溫檢測以及降低燃油泵功耗，需在燃油箱內(nèi)布置油溫傳感器和電磁泄壓閥，可采用和燃油泵集成方式，集成結(jié)構(gòu)方案可參考圖8。

圖8 燃油泵結(jié)構(gòu)圖

燃油泵上油溫傳感器主要是用來檢測燃油箱內(nèi)燃油溫度，為是否開啟冷卻通道提供參數(shù)支持。

電磁泄流閥為常閉狀態(tài)，當其未通電開啟時回油會經(jīng)過油壓調(diào)節(jié)器進行系統(tǒng)保壓，以便保證為發(fā)動機提供額定的輸油壓力，而當電磁泄壓閥開啟式，回油將通過大口徑通道直接泄入儲油桶，此時供油通道壓力將明顯降低，泵芯負載也隨之降低，從而降低了燃油泵運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量，起到最大限度降低燃油溫度的目的。此模式只在發(fā)動機不工作情況下的燃油冷卻時可以使用。燃油溫度控制系統(tǒng)相對傳統(tǒng)燃油系統(tǒng)也增加了循環(huán)控制閥和冷卻芯體部件。

循環(huán)控制閥為雙路單控結(jié)構(gòu)，通過是否通電來確認那路聯(lián)通，詳見下圖8，通電時1口至2口的散熱通道連通，不通電時1口至3口回油通道連通。

圖9 循環(huán)控制閥結(jié)構(gòu)圖

冷卻芯體主要由散熱板，燃油管路和冷卻管路集成，詳見圖10。

圖10 冷卻芯體簡圖

冷卻芯體主要是通過冷空氣吹過散熱板將燃油管路里燃油的熱量帶走實現(xiàn)冷卻，此外還可通過冷卻管路（如空調(diào)制冷時壓縮機吸氣管）溫度低的特點，使其通過散熱板實現(xiàn)和燃油管中燃油的熱交換，達到燃油降溫的目的。

3.2 控制邏輯原理

基于空調(diào)壓縮機吸氣管作為冷卻管路的燃油溫度控制系統(tǒng)其電器模塊組成如圖11：

圖11 燃油冷卻控制系統(tǒng)電器模塊組成圖

此系統(tǒng)的控制邏輯：燃油冷卻控制模塊上電后，對燃油溫度、空氣溫度、車速、發(fā)動機及空調(diào)工作狀態(tài)進行信息采集，識別是否可以進行燃油冷卻，并根據(jù)判斷結(jié)果控制燃油泵控制模塊、循環(huán)控制閥以及電磁泄流閥進入不同的燃油冷卻模式或者是退出燃油冷卻模式。此外還設(shè)置了兩個溫度閥值輔助燃油冷卻模塊進行判定操作，其中T1主要是基于空調(diào)工作時壓縮機進氣管通常的表面溫度確認，點檢燃油溫度和閥值T1的大小主要是判斷壓縮機進氣管是否有冷卻燃油的能力，避免出現(xiàn)燃油反被壓縮機進氣管加熱的問題；溫度閥值T2設(shè)置主要是避免燃油箱內(nèi)燃油過冷影響到發(fā)動機低溫啟動性能，同時避免在燃油蒸發(fā)受控的情況下系統(tǒng)運行造成非必要的能源損耗。燃油泵由燃油泵控制模塊控制，應具備兩種轉(zhuǎn)速以上的控制能力，以便實現(xiàn)正常供油和低能耗輸油散熱功能。具體控制邏輯詳見圖12。

圖12 燃油溫度控制系統(tǒng)邏輯圖

4、結(jié)束語

高壓燃油箱系統(tǒng)和燃油溫度控制系統(tǒng)均可以控制燃油箱外溢的蒸汽量來降低碳罐飽和失效發(fā)生幾率，為插電式混合動力車滿足更苛刻的環(huán)保法規(guī)提供的有效應對方案。另外此兩套系統(tǒng)也可以集成使用。

[1] 蘭鳳崇,黃維軍等.新能源汽車產(chǎn)業(yè)專利分析綜述.科技管理研究. 2013.

[2] 何彥彬. 淺談汽車燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng).汽車實用技術(shù). 2015.

[3] 肖菊紅等.插電式混合動力新型燃油系統(tǒng)技術(shù)研究.上海汽車. 2012.

Plug-in hybrid fuel evaporation control system development

Li Changjiang1,2, He Yanbin1,2
( 1.R＆D Center of Great Wall Motor company, Hebei Baoding 071000; 2.Automotive Engineering Technical Center of HeBei, Hebei Baoding 071000 )

A For plug-in hybrid excess fuel evaporative emission problems are discussed in this paper, through the fish bone spurs method identify the influence factors of HC emissions levels， put forward the two kinds of fuel evaporative emissio n control system,the high pressure fuel tank and fuel oil cooling scheme, and introduced two kinds of schemes of system str ucture and control logic.

Plug-in hybrid; evaporative emission; high pressure fuel tank; fuel oil cooling

U469.7

A

A1671-7988 (2017)01-12-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.01.006

李長江，學士學位，助理工程師，就職于長城汽車股份有限公司，負責汽車燃油系統(tǒng)開發(fā)。何彥彬，學士學位，工程師，就職于長城汽車股份有限公司、負責汽車燃油系統(tǒng)開發(fā)。