鄧海文，張楊，劉建華，彭義增

1.江鈴汽車股份有限公司,江西南昌 330000;2.亞普汽車零部件有限公司，江蘇揚州 225009

0 引言

油箱是柴油車低壓燃油系統(tǒng)的主要零部件，也是汽車安全的關(guān)鍵部件，主機廠對油箱通氣性能也非常重視，都有預(yù)防油箱吸癟的設(shè)計[1]。但是各個主機廠對油箱通氣性能的理解各有不同，少數(shù)主機廠認為油箱上只有一個閥門就可以，通氣流量參數(shù)也不清楚該如何定義;大多數(shù)主機廠標準是前、后傾16.7°，左、右傾10°，在此情況下保證油箱加入額定容積后至少有一個閥門可以通氣，通氣流量參數(shù)也各不相同?？瓷先ゴ蠖鄶?shù)主機廠的這個標準很合理，確實可以保證油箱不吸癟，但可能會存在過設(shè)計，從而造成成本浪費。

本文結(jié)合理論和實踐對柴油油箱負壓補氣功能進行了深度刨析，并通過臺架及整車試驗驗證，為柴油車型燃油箱負壓補氣功能的設(shè)計提供了指導依據(jù)。

1 柴油油箱的工作原理

柴油燃油系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 柴油燃油系統(tǒng)原理

加油過程中，加油槍插入加油管釋放出燃油，燃油通過加油管進入油箱，直到油箱內(nèi)燃油淹沒排氣接頭，油箱無法排氣，導致燃油無法繼續(xù)進入油箱，燃油便會在加油管總成內(nèi)迅速增多，直到淹沒加油槍上的負壓補氣孔，此時加油槍內(nèi)負壓腔無法補氣，加油槍內(nèi)負壓腔的膜片被負壓迅速提起，加油槍跳槍，加油結(jié)束。由于排氣接頭的位置比GVV(grade venting valve)閥門低，此時燃油只淹沒了排氣接頭，未淹沒GVV閥門[2]。

行車過程中，燃油箱內(nèi)燃油通過油泵，經(jīng)過燃油濾清器輸送到發(fā)動機，油箱內(nèi)燃油減少，油箱內(nèi)形成負壓。當油箱內(nèi)負壓壓力超過GVV閥負壓開啟壓力時，GVV閥門打開，大氣通過GVV閥門進入油箱，油箱的負壓不再繼續(xù)增大。當車輛上坡或下坡時，油箱內(nèi)液面處于傾斜狀態(tài)，可能會淹沒GVV閥門，導致油箱負壓補氣過程受阻，隨著燃油的消耗，油箱內(nèi)會形成更大的負壓，該負壓要克服閥門的負壓開啟壓力和淹沒閥門的液體壓力才能實現(xiàn)補氣。

2 行車過程中油箱負壓補氣過程分析

汽車在平路上行駛時，燃油液面最高會達到排氣接頭，不會淹沒GVV閥門。GVV閥門可以正常補氣，保證油箱不被吸癟[3]。

當汽車在上坡或下坡行駛時，如果坡度不大時，油箱內(nèi)燃油傾斜角度不夠大，GVV閥門未被淹沒，可以正常補氣。如果坡度足夠大，GVV閥門被淹沒，油箱內(nèi)負壓會逐漸加大，直到負壓大到可以通過液體將閥門吸開，也就是該負壓可以克服閥門的負壓開啟壓力和淹沒閥門的液體壓力，此時大氣通過閥門再穿過燃油與油箱的氣體匯合,負壓不再繼續(xù)增大，油箱內(nèi)負壓維持在一定水平，該負壓等于閥受到的液體壓力+閥門的負壓開啟壓力。

3 油箱負壓補氣案例分析

某車型加額定容積燃油后，車輛在坡角為16.7°下坡時燃油和油箱示意如圖2所示，圖中燃料為柴油，密度ρ為820 kg/m3。

圖2 車輛在坡角為16.7°下坡時燃油和油箱示意

此時油箱上GVV閥門負壓補氣需要克服的壓力為p=p1+p2=ρgh+p2=820×10×0.174 5+0=1.43 kPa。如果油箱內(nèi)燃油被逐漸消耗掉，油箱內(nèi)負壓逐漸升高，直到負壓超過-1.43 kPa時，該GVV閥門會被油箱內(nèi)負壓吸開(根據(jù)U型管連通器原理)，大氣中空氣穿過GVV和燃油與油箱內(nèi)空氣匯合。當閥門補氣速度等于燃油消耗速度時，油箱內(nèi)負壓不再變化，維持在-1.43 kPa左右，-1.43 kPa油箱負壓不會導致油箱變形，也不會影響油箱內(nèi)燃油正常輸送到發(fā)動機。

4 試驗驗證

4.1 整車試驗

采用某車型的開發(fā)樣車，加油至額定容積80 L，用堵頭堵住油箱上所有可以通往大氣的通道，將車輛行駛到試驗廠，然后再高環(huán)高速行駛1 h(直道120 km/h，彎道90 km/h)，消耗燃油11.75 L，此時車輛駛離環(huán)道至平坦的空地，并觀察油箱的變形量。

封閉油箱燃油消耗示意如圖3所示，液位降低，氣體空間會變大。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程(pV=nRT)計算得出，如果油箱不變形，且前后環(huán)境溫度無變化。試驗前壓力為p0=101 kPa(大氣壓)，體積為V0=8 L(V0是燃油消耗11.75 L前油箱內(nèi)的空氣體積);試驗后壓力為p1，體積為V1=19.75 L(V1是燃油消耗11.75 L后油箱內(nèi)的空氣體積)，根據(jù)公式p0V0=p1V1推導出p1=p0V0/V1=40.91 kPa(絕對壓力)，換算成相對壓力，油箱內(nèi)負壓為60.09 kPa。

圖3 封閉油箱燃油消耗示意

實際上當油箱密閉后消耗燃油，油箱形成負壓會導致變形。80 L額定容積的油箱密閉后消耗11.75 L燃油后油箱的變形情況，如圖4所示。實際上在壓力為-6 kPa左右時，油箱開始變形；在壓力為-25 kPa左右時，油箱嚴重吸癟。而變形和吸癟會使油箱內(nèi)氣體空間變小，使得壓力回升一部分。所以試驗結(jié)束后油箱內(nèi)實際負壓沒有達到-60 kPa，油箱變形彌補了一部分負壓，彌補之后油箱內(nèi)負壓為-25 kPa左右。

圖4 油箱壓力為-25 kPa時的變化情況

如圖5所示，當油箱內(nèi)裝有80 L柴油時，控制油箱負壓為-4.75 kPa，油箱有輕微變形。

圖5 油箱壓力為-4.75 kPa時的變化情況

如圖6所示，當油箱內(nèi)裝有80 L柴油時，控制油箱負壓為-2 kPa，油箱沒有變形。

圖6 油箱壓力為-2 kPa時的變化情況

4.2 臺架試驗

準備一個80 L油箱，油箱上有一個GVV閥門，該閥門負壓開啟壓力為0 kPa,油箱加入80 L燃油,GVV閥門不堵住，模擬整車下坡16.7°固定油箱，GVV閥門被油箱內(nèi)燃油淹沒，采用設(shè)備以1 L/min的速度將油箱內(nèi)空氣抽出，油箱壓力變化曲線如圖7所示，負壓逐漸增大到-3.6 kPa然后突然回升，最后穩(wěn)定在-1.4 kPa左右，該負壓大小值與理論值基本吻合。負壓先增大到-3.6 kPa再回升到-1.4 kPa,原因是閥門由關(guān)閉到打開這個狀態(tài)變化需要做功，故才導致了這個壓力的變化，當閥門開啟后補氣很快達到平衡，此時油箱內(nèi)壓力會維持在-1.4 kPa左右。

圖7 油箱壓力變化曲線

5 結(jié)束語

綜上分析可知，油箱內(nèi)出現(xiàn)較大負壓時會產(chǎn)生明顯的變形，但油箱上只有閥門可以通氣，就不會產(chǎn)生較大的負壓，閥門補氣只要克服液體壓力和閥門自身的負壓開啟壓力就可以實現(xiàn)往油箱內(nèi)補氣。故柴油油箱通氣性能可參考如下要求進行設(shè)計：油箱設(shè)計一個GVV通氣即可，油箱模擬整車前、后、左、右傾[4]，找出油箱閥體被淹沒的最大深度h，通過計算“液體壓力+閥門自身的負壓開啟壓力+閥門補氣平衡負壓(閥門補氣平衡負壓：當閥門沒有被液體淹沒時，發(fā)動機消耗燃油過程油箱內(nèi)負壓，該壓力接近0 kPa)”，得出整車前、后、左、右傾時油箱能建立的最大負壓，并且該負壓下油箱的變形量需在設(shè)計要求范圍內(nèi)。