基于CFD的ORVR燃油系統(tǒng)加油性能分析

霍建杰，馬智勇，胡結(jié)兵，馬陸娟，宋立廷

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基于CFD的ORVR燃油系統(tǒng)加油性能分析

霍建杰，馬智勇，胡結(jié)兵，馬陸娟，宋立廷

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 200129）

與傳統(tǒng)燃油系統(tǒng)不同，ORVR系統(tǒng)內(nèi)部較大的油蒸汽壓力，較細(xì)的加油管對(duì)加油性能帶來了更大的挑戰(zhàn)。文章試驗(yàn)研究了ORVR燃油系統(tǒng)與非ORVR燃油系統(tǒng)加油過程中的區(qū)別，確定了加油性能CFD仿真的方法，提出了CFD仿真結(jié)果的判斷準(zhǔn)則，并模擬了整個(gè)加油過程，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，ORVR燃油系統(tǒng)較傳統(tǒng)燃油系統(tǒng)壓力更大，達(dá)到加油穩(wěn)態(tài)過程所需時(shí)間更長(zhǎng)，CFD仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致，該方法可以有效預(yù)測(cè)燃油系統(tǒng)的加油性能，對(duì)燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)具有指導(dǎo)性意義。

車載加油；ORVR；CFD；加油

前言

近年來我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量逐漸增加，機(jī)動(dòng)車排放污染是造成空氣污染的主要因素之一。汽車燃油蒸發(fā)排放主要有運(yùn)轉(zhuǎn)排放、熱浸排放、晝間排放和加油排放，約占整個(gè)汽車排放的20%[1]。加油排放是汽油蒸發(fā)排放的主要部分，加油過程中每1升汽油約排放1.0g-1.5g汽油。每年因汽油揮發(fā)0.2%-0.3%的汽油，造成環(huán)境污染的同時(shí)也造成了能源的巨大浪費(fèi)。美國(guó)從20世紀(jì)90年代開始開發(fā)車載加油蒸氣回收系統(tǒng)，作為加油站STATE－II回收技術(shù)的補(bǔ)充。研究結(jié)果表明，ORVR系統(tǒng)能夠回收95% 以上的加油排放污染物[2]。2011 年美國(guó)加利福尼亞州開始實(shí)施零排放汽車(ZEV)計(jì)劃，而ORVR系統(tǒng)是ZEV計(jì)劃中重要的一部分[1]。在美國(guó)ORVR技術(shù)實(shí)施十多年被證明是一項(xiàng)高效的油氣回收技術(shù)，其效率可達(dá)98%，第二階段回收技術(shù)已于2013年停止了在尚未實(shí)施控制的地區(qū)推廣使用。國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)將于2020年7月1日全國(guó)范圍正式實(shí)施，要求燃油系統(tǒng)配備ORVR系統(tǒng)。

ORVR的作用是收集和儲(chǔ)存加油過程中汽油蒸氣，然后脫附到發(fā)動(dòng)機(jī)中去燃燒，從而節(jié)約能源[2]。從圖1和圖2是ORVR 和非ORVR 示意圖。非ORVR 燃油系統(tǒng)加油時(shí)，油蒸汽通過加油通氣管回到加油管口部，通過加油管口部直接排放到大氣中。ORVR燃油系統(tǒng)有更細(xì)的加油管內(nèi)徑。加油時(shí)，加油管口部要么有機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，要么管路內(nèi)有油液充滿管徑橫截面形成的液體密封[3]。這兩種密封作用均能防止油蒸汽通過加油管通往外部大氣。液體密封由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠，應(yīng)用范圍更加廣泛。本文研究的燃油系統(tǒng)是基于液體密封而言。開時(shí)加油的瞬間，液體密封形成。油蒸汽通過加油循環(huán)管回到加油管口部，此時(shí)加油管口部由于文丘里效應(yīng)，形成負(fù)壓，油蒸汽會(huì)被流動(dòng)的油液帶入到油箱內(nèi)。所以，加油過程中油蒸氣幾乎全部經(jīng)過炭罐吸附，不會(huì)從加油排到大氣中。當(dāng)活性炭罐中汽油蒸氣儲(chǔ)存到一定量時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)對(duì)炭罐進(jìn)行脫附，這樣就把原來逃逸到大氣中的汽油蒸氣回收起來，達(dá)到了節(jié)能和環(huán)保的目的。

ORVR燃油系統(tǒng)是對(duì)傳統(tǒng)燃油系統(tǒng)的再設(shè)計(jì)，而不是一個(gè)額外的系統(tǒng)附加在傳統(tǒng)燃油系統(tǒng)之上。ORVR燃油系統(tǒng)相比傳統(tǒng)燃油系統(tǒng)主要區(qū)別在于：加油管直徑由35mm左右降至25mm左右，以便加油過程中形成液封，防止油箱內(nèi)的油汽在加油時(shí)候經(jīng)加油管排向大氣；燃油箱上方連接炭罐的管路系統(tǒng)通氣性要足夠好，保證燃油箱在加油過程中壓力逐漸釋放。國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)的車輛通常使用直徑約8毫米的油箱炭罐連接管，而ORVR系統(tǒng)中這條管路的直徑需要增加到約16毫米；為了充分吸收油蒸氣，炭罐體積相對(duì)于國(guó)五炭罐體積增大約2倍，而且需要使用較低通氣阻抗的活性炭，例如直徑為2毫米的柱狀活性碳。

圖1 非ORVR燃油系統(tǒng)加油示意圖

圖2 ORVR燃油系統(tǒng)加油示意圖

ORVR燃油系統(tǒng)較細(xì)的加油管，更大的炭罐，更嚴(yán)格的密封性能，導(dǎo)致加油過程中背壓較傳統(tǒng)燃油系統(tǒng)更大，加劇了發(fā)生提前跳槍的可能性。同時(shí)加油過程中若發(fā)生提前跳槍會(huì)大大增加加油排放，無提前跳槍是控制加油揮發(fā)的關(guān)鍵。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，簡(jiǎn)稱CFD，是近代流體力學(xué)，數(shù)值數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，是一門具有強(qiáng)大生命力的邊緣科學(xué)。它以電子計(jì)算機(jī)為工具，應(yīng)用各種離散化的數(shù)學(xué)方法，對(duì)流體力學(xué)的各類問題進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬和分析研究，以解決各種實(shí)際問題。加油過程復(fù)雜的多相流動(dòng)過程，利用CFD方法可以揭示加油過程中所發(fā)生的復(fù)雜氣液兩相流動(dòng)特性，為燃油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供幫助。目前已有大量相關(guān)研究工作，如汪智等人利用CFD方法研究了加油管的液封設(shè)計(jì)；陳家慶等人利用CFD方法研究了機(jī)動(dòng)車加油過程中氣液兩相流動(dòng)特性[4]。ORVR技術(shù)是對(duì)燃油系統(tǒng)一個(gè)根本性的改變，目前的數(shù)值仿真大都基于傳統(tǒng)的燃油系統(tǒng)。針對(duì)ORVR系統(tǒng)對(duì)加油性能的影響以及仿真工作開展的較少。

本文首先通過試驗(yàn)方法研究了ORVR燃油系統(tǒng)與非ORVR燃油系統(tǒng)加油過程中的區(qū)別，并從試驗(yàn)中得到加油分析所需的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。最后利用CFD方法模擬了整個(gè)加油過程，評(píng)價(jià)了加油過程中的各項(xiàng)指標(biāo)，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。

1 ORVR燃油系統(tǒng)加油試驗(yàn)及數(shù)據(jù)采集

由于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上ORVR燃油系統(tǒng)的車輛較少，本研究選用本公司某ORVR燃油系統(tǒng)以及兩款已經(jīng)上市的非ORVR燃油系統(tǒng)（分別記為非ORVR系統(tǒng)A和B）進(jìn)行加油性能試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中采集加油背壓數(shù)據(jù)、加油速度等參數(shù)。

1.1 試驗(yàn)方案

在室溫下將ORVR燃油系統(tǒng)、非ORVR燃油系統(tǒng)A和B，分別采用Elaflex ZVA Slimline 2加油槍以50L/min的速度進(jìn)行加油直至第一次自動(dòng)跳槍，加油槍位于加油管口部6點(diǎn)鐘方向。記錄整個(gè)過程加油速度、加油容積、背壓等數(shù)據(jù)，并觀察加油口是否有蒸氣溢出，數(shù)據(jù)采集的頻率為10Hz。

圖3 加油試驗(yàn)

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

三個(gè)燃油系統(tǒng)在加油量達(dá)到油箱額定容積前均未發(fā)生提前跳槍的情況。加油過程中非ORVR燃油系統(tǒng)A和B在加油口處明顯有大量蒸氣揮發(fā)，而ORVR燃油系統(tǒng)加油口未見蒸氣溢出。加油過程中流速和壓力數(shù)據(jù)如圖4，5，6所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明ORVR系統(tǒng)和非ORVR系統(tǒng)加油過程是相似的，加油初始油箱內(nèi)部壓力為大氣壓，隨著加油速度增大油液增多背壓逐漸增大，到達(dá)一定壓力值后趨于平穩(wěn)，直到油液淹沒液位通氣閥后內(nèi)部壓力驟然增大，觸發(fā)加油槍跳槍，完成第一次自動(dòng)跳槍。整個(gè)過程由加油初期背壓持續(xù)增大、流動(dòng)形態(tài)不穩(wěn)定的瞬態(tài)過程，中期背壓穩(wěn)定、流動(dòng)形態(tài)比較恒定的穩(wěn)態(tài)過程以及后期背壓急劇增大加油停止的瞬態(tài)過程組成。

圖4 ORVR燃油系統(tǒng)加油試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

圖5 非ORVR燃油系統(tǒng)A加油試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

圖6 非ORVR燃油系統(tǒng)B加油試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

比較試驗(yàn)數(shù)據(jù)，ORVR系統(tǒng)與非ORVR系統(tǒng)又存在很大區(qū)別：

背壓差別巨大：ORVR系統(tǒng)背壓穩(wěn)定狀態(tài)約為1.8kPa，非ORVR系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)背壓約為0.8kPa，且兩個(gè)完全不同的非ORVR系統(tǒng)背壓數(shù)據(jù)基本一致。

加油初期瞬態(tài)過程持續(xù)時(shí)間不同：ORVR系統(tǒng)約為3秒達(dá)到背壓穩(wěn)定狀態(tài)，非ORVR系統(tǒng)約為2秒達(dá)到背壓穩(wěn)定狀態(tài)。

2 基于CFD方法的ORVR燃油系統(tǒng)加油性能分析

2.1 CFD分析方法的確定與模型簡(jiǎn)化

通過對(duì)加油過程的分析可以得知加油過程由初期的瞬態(tài)，中期的穩(wěn)態(tài)和后期的瞬態(tài)組成。提前跳槍主要發(fā)生在加油初期的瞬態(tài)過程。整個(gè)加油過程涉及氣液兩相流、湍流并伴隨著氣液傳質(zhì)等多種物理和化學(xué)現(xiàn)象。因此CFD加油性能分析是一個(gè)針對(duì)加油初期的氣液兩相瞬態(tài)分析。

加油過程中的背壓是影響加油順暢性的重要因素。ORVR燃油系統(tǒng)背壓增大直接影響加油性能。油箱、炭罐、油蒸氣以及閥系對(duì)加油性能的影響主要體現(xiàn)在增大了加油背壓，因此為簡(jiǎn)化模型減小計(jì)算規(guī)模，將上述因素的影響簡(jiǎn)化為加油管管與油箱的連接閥（ICV）末端處的背壓。背壓數(shù)據(jù)采用實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)，考慮到背壓數(shù)據(jù)為油箱內(nèi)部氣體的壓力，當(dāng)油液沒過ICV時(shí)，ICV處除了受到氣體的壓力外還受到油液產(chǎn)生的壓力。出于設(shè)計(jì)穩(wěn)健性的考慮，油液產(chǎn)生的壓力選為油箱滿油時(shí)的液面高度產(chǎn)生的壓力。在初期瞬態(tài)3S內(nèi)，壓力由0逐漸增大到1.8kpa，本實(shí)驗(yàn)中采用的油箱，ICV處距滿油液面高度為80mm。根據(jù)公式P=ρgh，可以得到油液產(chǎn)生的壓力約為600Pa。所以初期瞬態(tài)后液體壓力為2.4kpa。為了簡(jiǎn)化模型，本文視初期瞬態(tài)壓力變化為線性變化，其等效替代壓力曲線如圖7所示。

另外假設(shè)整個(gè)燃油系統(tǒng)是個(gè)等溫體系，不存在熱量傳遞過程；不考慮液態(tài)汽油與油氣之間存在的傳質(zhì)問題；只考慮強(qiáng)制對(duì)流，不考慮氣相密度不同而帶來的浮力的影響，氣體在整個(gè)體系內(nèi)的擴(kuò)散比較均勻[5]。

圖7 CFD仿真用背壓曲線

2.2 CFD模型的建立與參數(shù)設(shè)置

Fluent是目前國(guó)際上流行的商用CFD軟件包，用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮流體的復(fù)雜流動(dòng)，本研究選用Fluent軟件。通過逆向掃描的方法得到ZVA加油槍的幾何模型，加油管的模型來自設(shè)計(jì)模型。在UG中將加油槍與加油管按照實(shí)際加油時(shí)的位置擺放。首先在Hypermesh中將加油管內(nèi)表面，加油槍(只需要?jiǎng)澐旨佑涂诘脚c加油管口齊平的一段)內(nèi)外表面以2mm劃分為三角形殼單元。將三角形殼單元導(dǎo)入Fluent中生成體單元。

圖8 加油管與加油槍幾何模型

圖9 CFD模型局部放大圖與全部模型

Fluent中多相流模型中的VOF 模型適用于分層流、自由面流動(dòng)、灌注、晃動(dòng)、液體中大氣泡的流動(dòng)等問題。在VOF模型中，氣液兩相共用壓力和速度等體積平均變量，因此本模型多相流模型使用VOF模型。Fluent 湍流模型中的RNGK-ε模型適用于急轉(zhuǎn)彎、高湍流的情況?？紤]到加油速度較高，故本設(shè)計(jì)中湍流模型選擇RNGK-ε模型。模型中的流體介質(zhì)使用Fluent數(shù)據(jù)庫(kù)中默認(rèn)的汽油材料。

模型邊界條件的設(shè)置，加油槍出口設(shè)置為速度進(jìn)口(velocity-inlet) ，汽油以50L/min 速度從加油槍噴入加油管；加油管的全部固體外壁面都設(shè)置為壁面(wall) ；加油管ICV閥處設(shè)置為壓力出口，施加圖6所示的壓力曲線。加油管口設(shè)置為壓力出口，壓力為0Pa。進(jìn)口和出口的湍流參數(shù)都設(shè)置為湍流強(qiáng)度和水力直徑(Hydraulic diameter)，水力直徑取各自的管道直徑。

在Fluent 求解器中選擇3ddp 模式，壓強(qiáng)-速度耦合算法格式采用“PISO”，壓力方程的離散化采用“PRESTO! ”，動(dòng)量方程和湍流動(dòng)能方程的離散都采用一階迎風(fēng)格式。

2.3 仿真結(jié)果評(píng)判準(zhǔn)則

加油槍跳槍的跳槍機(jī)理是當(dāng)氣孔被油液堵死，空氣無法補(bǔ)償?shù)郊佑蜆寖?nèi)部，空腔中空氣被帶走后形成負(fù)壓，此時(shí)加油槍內(nèi)膜片向上變形，膜片帶動(dòng)自封機(jī)構(gòu)封死噴油口，終止加油。加油過程中當(dāng)有汽油回流時(shí)即存在油液封住氣孔的可能性。因此在仿真結(jié)果中加油槍通氣口出現(xiàn)回流現(xiàn)象發(fā)生即認(rèn)為存在提前跳槍的可能性。

2.4 CFD仿真分析結(jié)果

本文選擇的ORVR 燃油系統(tǒng)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)表明，加油過程中符合蒸發(fā)排放要求，加油管口部幾乎沒有油蒸汽冒出。通過觀察CFD 仿真結(jié)果，加油過程中加油口處油液的流動(dòng)形態(tài)，如圖10、11 所示，0.1S及3S 加油管口部油液不存在回流現(xiàn)象，不存在提前跳槍的可能性，與試驗(yàn)現(xiàn)象吻合，一定程度上說明了CFD仿真方法的正確性。

圖10 T=0.1S時(shí)的燃油流動(dòng)狀態(tài)

圖11 T=3S時(shí)的燃油流動(dòng)狀態(tài)

經(jīng)過計(jì)算結(jié)果分析，可以得到燃油箱內(nèi)的燃油分布及流動(dòng)情況、流體的速度和壓力。

ORVR燃油系統(tǒng)在加油過程不允許蒸氣從加油管排出，如圖12、13所示，當(dāng)T=0.12秒時(shí)有少許空氣從加油管中流到大氣中，這是由于此時(shí)加油速度剛剛到達(dá)最大值，高速流動(dòng)的油液還未影響到加油口部。當(dāng)T=0.28秒時(shí)空氣流動(dòng)狀態(tài)為氣流往加油管內(nèi)部流動(dòng)，這是由于高速流動(dòng)的液體帶動(dòng)空氣流動(dòng)在加油口部形成一定真空度，有效防止了燃油蒸氣的揮發(fā)。這和實(shí)驗(yàn)中加油口未觀察到蒸氣流出的現(xiàn)象相一致。

圖12 T=0.12 S時(shí)加油管口的空氣流動(dòng)狀態(tài)

圖13 T=0.28 S 時(shí)加油管口的空氣流動(dòng)狀態(tài)

3 結(jié)論

ORVR燃油系統(tǒng)較非ORVR燃油系統(tǒng)加油過程中背壓顯著增大，不利于加油順暢性。

CFD加油性能分析是一個(gè)針對(duì)加油初期的氣液兩相瞬態(tài)分析。采用多相流模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)注油過程中加油管內(nèi)的燃油流動(dòng)情況的模擬。得到了加注過程中燃油分布、流體壓力、速度等數(shù)值，分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。在燃油系統(tǒng)開發(fā)過程中應(yīng)用CFD技術(shù)對(duì)加油過程的模擬可以有效預(yù)測(cè)燃油系統(tǒng)的加油性能，判斷加油過程中是否有提前跳槍的風(fēng)險(xiǎn)，并提出改進(jìn)方案，縮短設(shè)計(jì)周期和減少設(shè)計(jì)成本，指導(dǎo)燃油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

[1] 汪智,何仁.基于Fluent仿真的ORVR加油管液封設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2014.02.004.

[2] 蔡錦榕,何仁,韋海燕．控制轎車加油排放的ORVR 技術(shù)綜述[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī),2009.02.181.

[3] 湯水清,陳家慶,劉美麗等.ORVR系統(tǒng)液封性能數(shù)值模擬[J].汽車工程學(xué),2015,5,3.

[4] 陳家慶,張男,王金惠等.機(jī)動(dòng)車加油過程中氣液兩相流動(dòng)特性的CFD數(shù)值模擬[J].環(huán)境科學(xué),2011,32,12.

[5] 何仁,鄧曉析等.基于二維非穩(wěn)態(tài)模型的ORVR加油特性的數(shù)值模擬[J].汽車工程學(xué),2017,11,39.

ORVR fuel system refilling analysis based on CFD

Huo Jianjie, Ma Zhiyong, Hu Jiebing, Ma Lujuan, Song Liting

（Pan Asia Technical Automotive Center Co., Ltd, Shanghai 200129）

On-board refueling vapor recovery (ORVR) system is a bigger challenge for refilling, as it brings out higher vapor pressure inside of tank, smaller inner diameter filler pipe contrast to the traditional fuel system. The refilling process difference has been studied. A refilling CFD method and the refilling performance evaluation criteria has been established. The CFD result matched the test result. The result showed that ORVR has a bigger inner vapor pressure, longer time to reach the homeostasis step. This study could predict refilling performance and be instructive to fuel system development.

On-board refueling vapor recovery; ORVR; CFD; Refilling

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.037

U467

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霍建杰，燃油系統(tǒng)工程師，就職于泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，致力于汽車燃油系統(tǒng)技術(shù)難題研究。