國六整車工廠下線后加油跳槍的問題研究

李曉明、黃波、羅張祥、肖垂元

（奇瑞汽車股份有限公司動力總成集成院 241006）

0 引言

2016年，中國環(huán)境保護部正式發(fā)布《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》標(biāo)準，該標(biāo)準增加了加油污染物排放限值要求。為滿足要求，燃油系統(tǒng)的設(shè)計既要保證加注過程順暢，又要使得汽油蒸氣在加注過程中被炭罐充分吸收，此種情況極易導(dǎo)致加油過程中出現(xiàn)加油槍提前跳槍。本文主要研究國六整車從工廠下線后，加注汽油時產(chǎn)生的提前跳槍問題，并給出可行的解決方案以及類似問題的排查思路。

1 加油跳槍原理

如圖1所示，加油時，油槍主閥開啟，帶壓油液進入槍體內(nèi)主、副閥間的空腔，并克服副閥彈力推開副閥，經(jīng)油槍嘴排出。油液經(jīng)過副閥時，由于液流的空吸作用，使開關(guān)膜上腔壓力降低。但因開關(guān)膜上腔通過轉(zhuǎn)接套斜孔、進氣管和油槍嘴前端進氣嘴與外界相通，外界空氣不斷補充到開關(guān)膜上腔，開關(guān)膜上腔仍與下腔壓力保持一致，開關(guān)膜處于平衡位置。當(dāng)油液淹沒進氣嘴時，開關(guān)膜上腔與外界大氣隔絕形成負壓，而開關(guān)膜下腔仍保持大氣壓，致使開關(guān)膜上、下腔間形成壓力差。當(dāng)壓力差增大到一定值時，開關(guān)膜向上拱起并使與之固定的自封桿向上移動，鋼球被擠落到自控桿孔內(nèi)。自控桿在開關(guān)把的拉力作用下向下移動，主閥頂桿因開關(guān)把支點下移而向下移動，主閥關(guān)閉，供油停止，形成跳槍。

圖1 6061-T6 母材拉伸試樣斷裂情況

2 燃油系統(tǒng)差異

表1所示為零部件造成提前跳槍可能的影響因素。如油箱總成，當(dāng)加油過程中有大流量氣流通過時，國五系統(tǒng)的直通排氣接頭存在排氣不及時導(dǎo)致的閥體關(guān)閉，而國六的加油限量閥也可能會出現(xiàn)此種情況。再加炭罐，國五系統(tǒng)加油時產(chǎn)生的燃油蒸氣不經(jīng)過炭罐，主要經(jīng)由加油管頭部的通氣孔排到大氣中[1]，而國六加油產(chǎn)生的燃油蒸氣經(jīng)過炭罐（圖2），炭罐阻力會影響加油性能。

表1 造成提前跳槍的影響因素

3 國六整車工廠下線后燃油加注過程中遇到的問題

通常，工廠下線燃油加注流速在30 ～40 L/min，國五車型未出現(xiàn)首次下線加注汽油異常跳槍的問題。國六整車燃油系統(tǒng)因其特殊特性，在首次下線加注時會出現(xiàn)頻繁提前跳槍的現(xiàn)象。下文詳述了解決此問題的排查思路，并給出了解決辦法。

圖2 燃油蒸氣經(jīng)過限量閥到炭罐

圖3 對加油管頭部進行解剖

4 首次加注燃油時頻繁提前跳槍原因

根據(jù)前述燃油系統(tǒng)加注的原理分析，造成此問題的原因可能是加油管結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)阻力、燃油箱、油品或加油槍差異（插槍深度、角度及流速等）。經(jīng)檢查確認，油品和加油槍的影響因素可以排除，重點分析其他幾個影響因素。

4.1 加油管排查

對加油管頭部進行解剖分析（圖3），加油槍插槍狀態(tài)符合設(shè)計定義，可以排除此因素影響。

4.2 燃油系統(tǒng)通氣阻力排查

搭建燃油系統(tǒng)臺架，檢查系統(tǒng)通氣性。經(jīng)實測，燃油系統(tǒng)密封性正常，通氣性正常。再排查整個排氣通道的其他零部件，如表2所示。

經(jīng)過調(diào)查，整個排氣通道未發(fā)現(xiàn)異常。給出現(xiàn)提前跳槍現(xiàn)象的整車重新加油，故障未出現(xiàn)；將此車燃油系統(tǒng)整體拆下做臺架加油，故障未出現(xiàn)。

4.3 監(jiān)測異常跳槍時油箱壓力變化

通過上述排查發(fā)現(xiàn)，車輛經(jīng)過使用后在第二次及后續(xù)的汽油加注過程中，未再出現(xiàn)加油跳槍的情況。接下來對新油箱（未經(jīng)過汽油加注）和老油箱（經(jīng)過汽油加注）在加注過程中的壓力變化進行監(jiān)測（圖4）。新油箱在首次加注汽油的瞬間，油箱內(nèi)壓力急劇升高，接近加滿油正常跳槍時油箱內(nèi)的壓力。這很可能是造成工廠下線首次燃油加注頻繁提前跳槍的根本原因。為驗證此推斷，進行反復(fù)的對比試驗（表3）。

表2 排查排氣通道零部件

圖4 新油箱和老油箱加注過程中的壓力變化

從上表可以看出，新油箱在首次加注汽油時，油箱壓力普遍出現(xiàn)急劇升高的情況，接近正常跳槍時油箱內(nèi)的壓力。選取有代表性的壓力曲線如圖5[2]（新油箱1）、圖6[3]（老油箱3）所示。

綜上，在相同的加注流速度（38 L/min）下，新、老油箱在加注起始時，油箱內(nèi)產(chǎn)生的壓力差異在1.5 kPa 以上。接下來，需要研究為何會產(chǎn)生這樣的差異。假設(shè)油箱為一個微型儲油罐，加油前油箱內(nèi)有殘余燃油，即可認為油箱內(nèi)達到了氣液相平衡狀態(tài)，油氣與空氣傳質(zhì)為自然擴散傳質(zhì)。加油前，油箱內(nèi)油氣摩爾分數(shù)分布均勻。根據(jù)非穩(wěn)態(tài)油品蒸發(fā)數(shù)學(xué)模型，參考公式（1）。

式中：V'為加油過程中油品蒸發(fā)總體積，單位為m3；U1 為油箱內(nèi)液面上升速率，單位為m/s；D 為油氣與空氣的擴散系數(shù)，單位為m2/s；t 為計算時間，單位為s；λ 為通過加油限量閥排出的油氣和空氣混合氣總體積與加油總體積比。

表3 對比試驗

由公式（1）可知，λ ＞1，即通過加油限量閥排出的油汽和空氣混合氣的總體積大于加油總體積。通常，λ 只能通過試驗或生產(chǎn)實際來估算，油箱初始油氣濃度越低，燃油揮發(fā)越劇烈，λ 也就越大。加注過程中，油箱內(nèi)的壓力與加油速率、油箱Z向截面積的變化程度以及燃油溫度相關(guān)。

圖5 新油箱1 的壓力曲線圖

圖6 老油箱3 的壓力曲線圖

對于老油箱來說，再次加注燃油之前，油箱內(nèi)部空間是飽和的燃油蒸氣，已近似達到氣液相平衡。對于新油箱，在加注之前內(nèi)部是清潔的空氣，在燃油首次進入油箱的瞬間，為了維持氣液相平衡，燃油蒸氣分子急劇擴散，產(chǎn)生大量油氣混合物，并在極短時間內(nèi)經(jīng)加油限量閥排出。此時經(jīng)過加油限量閥孔的氣體流量過大，導(dǎo)致其短時間內(nèi)閥體關(guān)閉，造成油箱內(nèi)壓力急劇升高，引起提前跳槍。

5 解決方案

通過以上分析，解決此問題有以下2 種思路：第一，盡可能增大加油限量閥額定流量，但需要綜合考慮其動態(tài)泄漏量等因素的影響；第二，降低首次加注速率，減小油汽分子在首次進入新油箱時的擴散速度，進而降低首次加油時油箱內(nèi)的壓力。也可通過降低油溫的方法來減緩油汽分子在油箱內(nèi)的擴散速度，但是會增加額外投資成本，從實際應(yīng)用出發(fā)不建議采用。圖7所示為新油箱在不同加油流速下，油箱內(nèi)部壓力曲線。從圖中可以看出，降低整車下線首次燃油加注流速后，新油箱內(nèi)的壓力遠小于正常跳槍壓力，加注過程正常。

6 結(jié)束語

新油箱經(jīng)過工廠下線首次燃油加注后，第二次及后續(xù)加注，過程正常。通過降低加注速率可以解決國六整車工廠下線首次加注頻繁提前跳槍的問題，同時本文對此問題的研究也可為類似問題的解決提供排查思路。

圖7 不同加油流速下，油箱內(nèi)部壓力曲線對比