插電混合動力汽車的油箱布置與隔熱研究

袁衛(wèi)　張啟迪　胡江河

摘 要：文章對標(biāo)分析了國內(nèi)外多款插電混合動力汽車油箱在車身下方的布置位置，總結(jié)出三種典型的油箱布置形式。針對油箱布置在車身后座椅下方（排氣管位于油箱前、側(cè)面）和底盤后橋附近（排氣管位于油箱下面）兩種布置形式的插電混合動力汽車，進(jìn)行了整車高溫轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)及夏季高溫道路試驗(yàn)，對比分析了車輛運(yùn)行過程中排氣管熱輻射對油箱本體及內(nèi)部油溫的影響。此外，針對一款油箱布置在后座椅下方（排氣管位于油箱前、側(cè)面）的插電混合動力汽車，采用兩種不同形式的油箱隔熱板布置方案，在大型風(fēng)洞試驗(yàn)室進(jìn)行了高溫轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)，對比分析了車輛運(yùn)行過程中排氣管熱輻射對油箱本體及內(nèi)部油溫的影響。這些研究為插電混合動力汽車油箱及其隔熱板的布置形式提供了設(shè)計(jì)指導(dǎo)。關(guān)鍵詞：插電混合動力汽車;油箱;隔熱板;布置;溫度中圖分類號：U464.136+.5 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）08-129-06

Abstract：?The paper summarized three classical fuel tank layouts under vehicle body by amounts of overseas and in country PHEVs?（Plug in Hybrid Electric Vehicle） benchmarking. For PHEVs with fuel tank under body in white rear seat panel and nearby chassis rear axle， contrastively analyzed the exhaust pipe heat radiation effects on fuel tank shell and fuel temperature in tank by high temperature chassis dynamometer test and summer high temperature real road test. Additionally， for one PHEV with fuel tank under rear seat panel， contrastively analyzed the exhaust pipe heat radiation effects on fuel tank shell and fuel temperature in tank by high temperature chassis dynamometer test in large scale wind tunnel laboratory for two different kinds of fuel tank heat shield layout. These studies provide design guidelines for PHEV fuel tank and its heat shield layout.Keywords： PHEV; Fuel tank; Heat shield; Layout; TemperatureCLC NO.： U464.136+.5 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）08-129-06

前言

插電混合動力汽車（簡稱PHEV）車身既要布置電池又要布置油箱，這對整車總布置提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。除少數(shù)PHEV布置空間充足而油箱較大，大部分PHEV油箱相對傳統(tǒng)汽油車較小，夏季發(fā)動機(jī)運(yùn)行時(shí)受排氣管熱輻射影響較大。

當(dāng)車輛處于中高速運(yùn)行模式或者電池電量消耗到電量平衡模式，發(fā)動機(jī)將進(jìn)入相對連續(xù)的運(yùn)行模式。此時(shí)如同傳統(tǒng)汽油車，油箱將受到排氣管持續(xù)熱輻射，表面溫度將持續(xù)升高[1]，油箱內(nèi)汽油溫度將逐步升高，汽油產(chǎn)生的氣泡會越來越多，油泵流量將受到影響[2]。按GB17951-2016車用汽油標(biāo)準(zhǔn)[3]，2018年8月份抽樣檢測了海南汽車試驗(yàn)場加油站夏季92號車用汽油（VIA）的蒸發(fā)溫度，見表1。檢測結(jié)果表明，55.6℃時(shí)有5%的汽油揮發(fā)，60.8℃時(shí)有10%的汽油揮發(fā)。

為減少汽油揮發(fā)產(chǎn)生的氣泡對油泵流量的影響，夏季時(shí)，一般應(yīng)將車輛運(yùn)行時(shí)油箱內(nèi)汽油溫度控制在60℃以下。為此，如何布置PHEV油箱及隔熱板，使油箱受排氣管熱輻射影響降低到合理的水平為文章主要研究課題。

1 PHEV油箱布置相關(guān)對標(biāo)分析

對標(biāo)北美、歐洲和中國市場多款PHEV，分析得出PHEV油箱在車身下方典型的布置形式有三種，詳見表2。

各油箱布置形式的特點(diǎn)簡要描述如下：

（1）形式1主要包含以通用雪佛蘭Volt Premier為代表的PHEV，其油箱位于車身后排座椅鈑金件下方，排氣管位于油箱側(cè)面。油箱受排氣管熱輻射影響較小，但需注意與前面電池之間的安全距離，詳見表3和圖1。

（2）形式2主要包含以福特C-Max Energi為代表的PHEV，其油箱位于車身后排座椅鈑金件下方，排氣管位于車身中央通道，即油箱前、側(cè)面。油箱受排氣管熱輻射影響較大，因此需要注意油箱隔熱板的布置設(shè)計(jì)，詳見表3和圖2。

（3）形式3主要包含以奧迪A3 etron為代表的PHEV，其油箱位于底盤后橋附近，排氣管位于油箱下方。油箱受排氣管熱輻射影響適中，但需注意油箱的后防護(hù)設(shè)計(jì)，以免整車后碰發(fā)生油箱被碰漏油而不滿足碰撞法規(guī)，詳見表3和圖3。

2 不同PHEV油箱布置形式的熱影響分析-整車高溫轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)

文章對一款油箱布置形式2的PHEV國六轎車、一款布置形式3的PHEV國六SUV以及一款布置形式3的PHEV國六轎車在小型高溫轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了高溫轉(zhuǎn)鼓中等速度運(yùn)行試驗(yàn)。設(shè)定高溫轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境溫度為40℃，速度為80km/h，坡度為5%。此過程中使用溫度傳感器和熱電偶分別采集油箱出油口和油箱泵底溫度。

由于高溫轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)室相對密閉，與實(shí)際道路試驗(yàn)散熱條件差異較大，散熱有限，所以試驗(yàn)過程中油溫相對實(shí)際道路試驗(yàn)存在偏高的情況。

因此，僅以油箱油泵出油口的溫度從30℃左右持續(xù)上升到60℃的時(shí)間作為判斷依據(jù)，以判定油箱的隔熱性能，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果見表3。

該高溫轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)結(jié)果表明，油箱布置形式3的油箱隔熱性能優(yōu)于油箱布置形式2。

3?不同PHEV油箱布置形式的熱影響分析-整車夏季高溫道路試驗(yàn)

為模擬實(shí)車道路工況散熱條件，在海南吊羅山，環(huán)境溫度為37℃，將第2節(jié)中油箱布置形式2的PHEV國六轎車和油箱布置形式3的PHEV國六SUV的油箱都加滿，兩車一前一后，進(jìn)行相同工況的高溫山路運(yùn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，使用溫度傳感器和熱電偶分別采集油箱油泵出油溫度和油箱表面（油泵底部）溫度。

當(dāng)車輛從滿箱油開始試驗(yàn)進(jìn)行到油位報(bào)警過程中，油箱布置形式2的PHEV國六轎車油箱表面（油泵底部）最高溫度達(dá)到了62.8℃，油箱油泵出油最高溫度達(dá)到了59.7℃，已接近60℃，見圖9試驗(yàn)溫度曲線;油箱布置形式3的PHEV國六SUV油箱表面（油泵底部）最高溫度達(dá)到了50.8℃，油泵出油最高溫度達(dá)到了55.5℃，低于60℃，見圖10試驗(yàn)溫度曲線。

為模擬實(shí)車道路工況散熱條件，在海南汽車試驗(yàn)場高速跑道，環(huán)境溫度為36℃，將第2節(jié)中油箱布置形式2的PHEV國六轎車和油箱布置形式3的PHEV國六SUV的油箱都加滿，兩車一前一后，進(jìn)行同樣工況的高溫高速運(yùn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，使用溫度傳感器和熱電偶分別采集油箱油泵出油溫度和油箱表面（油泵底部）溫度。

當(dāng)車輛從滿箱油開始試驗(yàn)進(jìn)行到油位報(bào)警過程中，油箱布置形式2的PHEV國六轎車油箱表面（油泵底部）最高溫度達(dá)到了60.9℃，油箱油泵出油最高溫度達(dá)到了58.1℃，仍接近60℃，見圖11試驗(yàn)溫度曲線;油箱布置形式3的PHEV國六SUV油箱表面（油泵底部）最高溫度達(dá)到了49℃，油泵出油最高溫度達(dá)到了53℃，仍低于60℃，見圖12試驗(yàn)溫度曲線。

以上高溫山路和高速試驗(yàn)結(jié)果說明，實(shí)際夏季高溫道路試驗(yàn)過程中，油箱布置形式3的油箱隔熱性能仍然優(yōu)于油箱布置形式2。

4?不同PHEV油箱隔熱板布置方案對油箱的隔熱影響分析

為模擬實(shí)際道路工況散熱條件，將一款油箱布置形式2的PHEV國五轎車（油箱容積為31L，發(fā)動機(jī)為1.0T）在大型風(fēng)洞進(jìn)行高溫轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)，見圖13所示。該轎車油箱布置形式見圖14所示。

通過風(fēng)洞高溫轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)對比了兩種油箱隔熱板布置方案的油箱表面溫度和內(nèi)部油溫情況。布置方案1的隔熱板為分塊布置，見圖15所示，布置方案2的隔熱板為整體布置，見圖16所示。

設(shè)定環(huán)境溫度為40℃，光照為1000W，車速為80km/h，坡度為5%。試驗(yàn)過程中讓車輛連續(xù)運(yùn)行直至儀表油位報(bào)警，并實(shí)時(shí)測試排氣管，油箱前表面、下表面、上表面及油箱內(nèi)汽油溫度。詳細(xì)熱電偶布點(diǎn)情況見圖17～18所示。

針對裝有布置方案1和方案2油箱隔熱板的同一輛車，油量分別從94%和89%開始試驗(yàn)，統(tǒng)一耗油到18%左右。排氣管、油箱表面、油箱內(nèi)汽油相關(guān)起始溫度及終了溫度見表5所示。

整個(gè)試驗(yàn)過程中，方案1和方案2的排氣管溫度（熱電偶①）均在320～340℃，確保了排氣管對油箱的熱輻射為同一水平，見圖19所示。油箱前表面（熱電偶④）、下表面（即油箱泵底、熱電偶⑤）及上表面（熱電偶⑦）的溫度對比曲線見圖20～22所示。方案1和方案2的汽油溫度（熱電偶⑨）均從37℃開始，確保油溫起始點(diǎn)處于同一水平，溫度對比曲線見圖23所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）隔熱板布置方案1排氣管附近車身與油箱隔熱板為分塊布置[4]。車輛運(yùn)行過程中，大量排氣管熱輻射氣流不僅通過油箱下表面，還通過油箱和車身縫隙竄入油箱前表面及上表面，對油箱形成了全包裹加熱，見圖24。這使油箱前表面（熱電偶④）和上表面（熱電偶⑦）終了溫度分別達(dá)到了76.3℃和70.3℃。85分鐘時(shí)油箱內(nèi)汽油溫度從37.6℃升高到59.6℃，接近60℃;95分鐘試驗(yàn)終了即汽油消耗到18%時(shí)，汽油溫度達(dá)到了61.4℃，超過60℃。

2）隔熱板布置方案2的整體式隔熱板封閉了車身與油箱之間的縫隙[5～6]，阻擋了排氣管熱輻射氣流向油箱上表面竄入，使熱輻射氣流僅從油箱下表面通過，見圖25。這使油箱前表面（熱電偶④）和上表面（熱電偶⑦）試驗(yàn)終了溫度分別降低到58.6℃和48.8℃，有效降低了排氣管熱輻射對油箱內(nèi)汽油的加熱。85分鐘試驗(yàn)終了即汽油消耗到18%時(shí)，油箱內(nèi)汽油溫度從37℃升高到55.8℃，低于60℃。相比方案1試驗(yàn)進(jìn)行到85分鐘時(shí)油溫降低3.8℃，相比方案1試驗(yàn)進(jìn)行到95分鐘試驗(yàn)終了時(shí)油溫降低5.6℃。

5 結(jié)論

文章通過對標(biāo)分析總結(jié)了PHEV三種油箱布置形式及特點(diǎn)，并通過整車高溫轉(zhuǎn)鼓及夏季高溫實(shí)車道路試驗(yàn)分析了油箱布置形式2和形式3排氣管熱輻射對油箱的熱影響。試驗(yàn)表明油箱布置形式3受排氣管熱輻射小于布置形式2。

對排氣管熱輻射影響較大的油箱布置形式2的PHEV，進(jìn)行了大型風(fēng)洞高溫轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)。試驗(yàn)表明整體式隔熱板布置方案相比分塊式布置方案，可明顯降低油箱表面及油箱內(nèi)汽油溫度。

以上布置研究及試驗(yàn)分析對PHEV油箱及其隔熱板的布置有一定設(shè)計(jì)指導(dǎo)意義。

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