基于FA的燃油箱吸癟問題分析及改進

田峰 王文水 楊菲菲

（1.一汽通用輕型商用汽車有限公司；2.通用汽車中國投資有限公司）

隨著汽車數(shù)量的不斷增加，汽車的安全性越來越引發(fā)廣泛關(guān)注，特別是汽車的燃油供給系統(tǒng)中的燃油箱，成為了一個不可忽視的重要的安全部件[1]。油箱在使用過程中，有時會因內(nèi)部壓力過小而導致向內(nèi)凹陷變形，俗稱“油箱吸癟”?！坝拖湮T”不僅會造成油箱變形，導致油表不準；還會因內(nèi)部負壓過大，使發(fā)動機在汽車行駛時突然熄火，很可能發(fā)生交通事故；甚至還會造成油箱因變形過大而破裂，從而引發(fā)燃油泄漏甚至火災(zāi)爆炸等。因此，對油箱“吸癟問題”進行細致的原因分析，并從根本上解決問題是十分必要的。這類問題在汽車售后市場上經(jīng)常發(fā)生，且多發(fā)于柴油車中，文章即以某型號柴油車“油箱吸癟”為例，對問題進行了詳細分析。

1 柴油車燃油供給系統(tǒng)的組成

柴油車的燃油供給系統(tǒng)包括燃油箱、輸油泵、油水分離器、燃油濾清器、輸油管、回油管、加油管、油箱蓋以及發(fā)動機內(nèi)部的高壓油管、噴油器等[2]，且上述系統(tǒng)在各閥體不開啟時構(gòu)成一個密封體。1）當發(fā)動機不工作時，系統(tǒng)內(nèi)因柴油的揮發(fā)，造成氣壓增加，使油箱內(nèi)的壓力大于油箱外的大氣壓力；2）當發(fā)動機工作時，系統(tǒng)內(nèi)因柴油的消耗，造成氣壓降低，使油箱內(nèi)的壓力小于油箱外的大氣壓力。為了防止油箱內(nèi)壓力和大氣壓力相差過大，需要一個雙向閥體來調(diào)節(jié)油箱內(nèi)外的氣壓，這個閥體在柴油車上，通常裝在油箱蓋內(nèi)，因此油箱蓋不僅有遮蓋油箱，防止燃油被盜的功能，還具有平衡燃油系統(tǒng)內(nèi)部壓力的作用。

2 油箱蓋基本結(jié)構(gòu)

發(fā)生了“油箱吸癟”的某型號柴油車，其油箱蓋基本結(jié)構(gòu)，如圖1 所示，其中雙向閥上蓋、雙向閥殼體、正壓閥控制彈簧、負壓閥控制彈簧、正壓閥活塞和負壓閥活塞這幾個部件構(gòu)成了油箱蓋用于平衡氣壓的雙向閥機構(gòu)。對于平衡負壓來講，正常情況下當油箱內(nèi)部氣壓過低時，為了防止“油箱吸癟”，負壓控制彈簧會控制負壓閥門開啟，氣流從外界沿圖1 中紅色箭頭流入油箱，平衡油箱內(nèi)外氣壓。

3 基于FA的油箱吸癟原因分析

FA（Function Analysis）即功能分析，是六西格瑪設(shè)計（DFSS）中的一個非常有用的工具，可以將系統(tǒng)中部件與部件之間的作用關(guān)系模型化，從而形象地展示系統(tǒng)功能實現(xiàn)的原理，幫助分析者更清楚地分析問題。

以該柴油車為例，“油箱吸癟”說明燃油供給系統(tǒng)中用于平衡氣壓的油箱蓋雙向閥出現(xiàn)了問題，油箱蓋排氣閥部分的功能模型，如圖2 所示。

從圖2 中可以看出，氣壓對油箱的壓力影響是有害的，也是造成油箱吸癟的直接原因。而真正的設(shè)計缺陷在于負壓閥控制彈簧變形應(yīng)力過大，導致需要油箱內(nèi)積累較大的負壓才能打開負壓閥活塞，而在負壓閥開啟之前，油箱內(nèi)的負壓造成了油箱的向內(nèi)凹陷，即“油箱吸癟”。另外，即便是負壓閥打開，如果雙向閥內(nèi)通氣孔過于狹窄，氣流速度慢，油箱內(nèi)的負壓得不到及時釋放，也會造成油箱吸癟。因此，選擇合適的雙向閥負壓開啟壓力和開啟后的流量是解決油箱吸癟問題的關(guān)鍵。

4 常見油箱蓋對標

市場上帶雙向閥的油箱蓋種類很多，但對于雙向閥的負壓開啟力和開啟后的流量并沒有明確的國家標準，因此，需要企業(yè)依據(jù)自己產(chǎn)品的特點，在保證燃油系統(tǒng)安全性的情況下自行制定設(shè)計標準。對于不同容量的油箱，不同油耗的車型，雙向閥的技術(shù)參數(shù)要求也有很大差別，選擇技術(shù)參數(shù)不合適的油箱蓋很可能為燃油供給系統(tǒng)的安全性帶來隱患，這也是在解決油箱吸癟問題時，不宜盲目選配油箱蓋的原因。

本課題對標時選擇了5 種適用于類似油箱容量及油耗的油箱蓋，這5 種油箱蓋分別來自于公司A～E，其中公司A 即出現(xiàn)油箱吸癟問題油箱蓋的制造商。表1 示出了各公司油箱蓋的負壓開啟力和開啟后空氣流量的技術(shù)標準。5 種油箱蓋的3D 模型，如圖3 所示。

表1 不同公司油箱蓋開啟壓力及流量對比表

通過表1 可知，公司A 和公司B～E 相比，其負壓開啟力標準制定的過大，開啟后流量標準制定的又過小，因此生產(chǎn)的產(chǎn)品的確具備造成油箱吸癟的風險。為了消除風險，需要采取修改標準的對策，在參考其他同類產(chǎn)品制造商的技術(shù)標準后，公司A 將負壓開啟力標準修改為-1.3 kPa，開啟后空氣流量修改為＞1 L/min。從圖3中可以看出，公司A～E 的雙向閥結(jié)構(gòu)類似，氣流流經(jīng)途徑也基本相同，因此用于對標的產(chǎn)品具有可參考性。

5 油箱蓋負壓調(diào)節(jié)性能的優(yōu)化設(shè)計

新標準的實現(xiàn)需要產(chǎn)品設(shè)計的更改，對于油箱蓋決定負壓開啟力和開啟后空氣流量的因素主要有負壓彈簧的力學性能、通氣孔截面積和負壓閥活塞截面積等。對于已經(jīng)形成量產(chǎn)的油箱蓋、變更通氣孔截面積和負壓閥活塞截面積需要修改模具或重新開發(fā)模具，這會增加較大成本。而變更負壓彈簧的力學性能，則可以采用變更彈簧直徑和螺旋圈數(shù)等方法實現(xiàn)，且成本較低，同樣能夠達成新標準的要求，因此被本課題采納。通過逐步變更負壓彈簧鋼絲直徑的方法，最終確定將負壓彈簧由原設(shè)計的Ф0.4 變更為Ф0.3，可以使油箱蓋負壓開啟力和空氣流量滿足新標準。圖4 示出變更前后的負壓彈簧的力學性能曲線。

由圖4 可知，變更后的負壓彈簧比變更前的負壓彈簧更“軟”，這也使雙向閥在油箱內(nèi)有負壓時，更容易開啟并獲得更大的氣流量，抑制油箱吸癟的發(fā)生。

6 新標準的驗證

由于新標準是在FA 分析和參考對標結(jié)果的基礎(chǔ)上制定的，因此需要進行試驗，確認其合理性。

6.1 燃油系統(tǒng)負壓變形試驗

負壓變形試驗實際是對油箱變形量的檢測，也是油箱吸癟問題解決效果最直接的體現(xiàn)。

試驗設(shè)備:燃油系統(tǒng)壓力和流量檢測試驗臺以及卡尺。

試驗步驟:1）將油箱、加油管及油箱蓋按照裝配要求連接好；2）將輸油管、回油管連接在試驗臺上；3）啟動試驗臺氣泵，以-0.5 kPa 為步進單位，向燃油系統(tǒng)加載負壓；4）用卡尺記錄每次加載負壓后油箱的變形量，直到油箱蓋完全打開，負壓無法增加。

試驗結(jié)果:本次試驗分別對4 個樣件進行了試驗，其中1～3#件為基于新標準的油箱蓋，4#件為造成油箱吸癟的故障件。油箱變形量對比圖，如圖5 所示。從圖5 可以看出，故障件油箱最大變形量為18.5 mm，而裝配了基于新標準油箱蓋的油箱變形量僅為0.5 mm 左右，有效地解決了油箱吸癟的問題。

6.2 負壓彈簧耐久性試驗

由于本課題的負壓彈簧是為達到油箱蓋新標準要求而重新設(shè)計的，因此有必要對負壓彈簧的耐久性進行評價，防止彈簧因設(shè)計、材料、生產(chǎn)工藝及使用環(huán)境等因素無法滿足耐久性要求[3]。

試驗設(shè)備:彈簧疲勞試驗機。

試驗步驟:1）設(shè)定試驗機以10 次/min 的速度進行疲勞試驗；2）進行10 000 次疲勞試驗，并每隔2 000 次觀察一次彈簧狀態(tài)。

試驗結(jié)果:經(jīng)過10 000 次疲勞試驗后，負壓彈簧無損壞，證明可以滿足使用耐久性要求。

6.3 燃油箱密封性試驗

根據(jù)GB 18296—2001《汽車燃油箱安全性能要求和試驗方法》中規(guī)定，燃油箱必須要滿足密封性要求，本次燃油箱蓋的變更，使雙向閥變得更容易被開啟，因此需要重新檢測燃油箱的密封性。

試驗設(shè)備:燃油箱翻轉(zhuǎn)試驗臺、量杯及秒表。

試驗步驟:1）在燃油箱內(nèi)注入50%的水后，封閉燃油箱進出口；2）在試驗臺上翻轉(zhuǎn)燃油箱至注油口中心線垂直于地面；3）待燃油箱穩(wěn)定15 s 后，用量杯接水，要求1 min 內(nèi)滲漏量不得超過30 mL。

試驗結(jié)果:經(jīng)過試驗，1 min 內(nèi)，燃油箱并無滲漏現(xiàn)象，表明新設(shè)計的油箱蓋符合密封性要求。

6.4 高速公路路試試驗

路試試驗相當于新油箱蓋的試裝試驗，用于確認油箱蓋在實際使用中是否滿足使用要求。

試驗設(shè)備:試驗用柴油車。

試驗步驟:1）按照裝配要求將油箱蓋裝配在試驗車上；2）在高速公路上以120 km/h 的速度行駛，確認是否有突然熄火現(xiàn)象；3）每消耗完一整箱燃油后，檢查一次油箱狀態(tài)，看是否有油表不準或油箱吸癟現(xiàn)象。路試需要行駛1 300 km。

試驗結(jié)果:未發(fā)現(xiàn)有燃油箱吸癟、汽車熄火及油表不準等現(xiàn)象，表明新設(shè)計的油箱蓋能夠有效解決燃油箱吸癟的問題。

7 結(jié)論

1）FA 法可以形象得地將系統(tǒng)部件間的關(guān)系表達出來，是一種高效的分析問題原因的方法；2）某車型造成油箱吸癟的主要原因是油箱蓋的壓力平衡閥（即雙向閥）設(shè)計不合理，變更負壓控制彈簧的力學性能可以解決此問題；3）不同類型的汽車所配備的油箱蓋標準也不盡相同，不能隨便互換；4）文章將負壓開啟力由原標準的-4kPa 變更為-1.3kPa，空氣流量由原標準的0.3L/min，變更為1 L/min，使油箱變形量由原來的最大18.5 mm，減小為0.5 mm，有效地解決了油箱吸癟的問題。