汽車塑料燃油箱主要特點及阻滲技術(shù)研究

秦 睿，姜曉明，易代珊，沙 濤，王旭東，秦 奡Qin Rui，Jiang Xiaoming，Yi Daishan，Sha Tao，Wang Xudong，Qin Ao

汽車塑料燃油箱主要特點及阻滲技術(shù)研究

秦 睿1，姜曉明1，易代珊1，沙 濤1，王旭東1，秦 奡2
Qin Rui，Jiang Xiaoming，Yi Daishan，Sha Tao，Wang Xudong，Qin Ao

（1.考泰斯（長春）塑料技術(shù)有限公司，吉林 長春 130102；2.吉林大學(xué) 汽車工程學(xué)院，吉林 長春 130022）

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，塑料燃油箱已逐步取代傳統(tǒng)金屬燃油箱。通過對塑料燃油箱基本構(gòu)造、功能特性的研究，論述塑料燃油箱的主要特點。就單層及多層塑料燃油箱的阻滲原理及阻滲技術(shù)進(jìn)行分析，最后對塑料燃油箱未來發(fā)展做出展望。

塑料燃油箱；功能特性；主要特點；阻滲技術(shù)

0 引 言

1973年，世界第一款量產(chǎn)塑料燃油箱問世，20世紀(jì)80年代后期，我國開始引入塑料燃油箱生產(chǎn)技術(shù)，并應(yīng)用于少數(shù)國產(chǎn)化車型。

隨著塑料燃油箱技術(shù)的發(fā)展以及生產(chǎn)成本的降低，塑料燃油箱逐步取代了傳統(tǒng)金屬燃油箱的市場地位。目前，我國除商用車仍以金屬燃油箱為主外，乘用車市場80%以上都采用了塑料燃油箱；因此，研究塑料燃油箱自身的特點以及阻滲技術(shù)，可以促進(jìn)其進(jìn)一步發(fā)展。

1 塑料燃油箱總成基本構(gòu)造

目前，塑料燃油箱總成通常由油箱箱體、注油管、FLVV（Filling Level Venting Valve，加油限制排氣閥）、ROV（Roll-Over Valve，翻車閥）、油氣分離器、排氣管、ICV（Inlet Check Valve ，單向閥）、燃油泵、液位傳感器、炭罐、隔熱護(hù)板、裝車綁帶等主要部件組成，各部件在油箱總成上的布置如圖1所示。

塑料燃油箱總成中，油箱箱體作為油箱總成的基礎(chǔ)構(gòu)件，起到燃油存儲和作為其他裝配件載體的作用，其使用的材料為高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，HDPE）。

圖1 燃油箱總成結(jié)構(gòu)

2 塑料燃油箱總成功能特性

塑料燃油箱總成作為汽車發(fā)動機(jī)燃油供給系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著燃油儲存、燃油供給、燃油加注、油量監(jiān)測、控制蒸發(fā)污染物排放等功能。

2.1 燃油儲存

塑料燃油箱總成負(fù)責(zé)車輛的燃油儲存，為保證燃油在車輛上的安全儲存，塑料燃油箱箱體要達(dá)到一定的強(qiáng)度以及耐沖擊性，同時要具有較好的耐腐蝕性。為保證車輛具有較高的續(xù)航里程，車輛要有足夠的燃油存儲量，因此普通乘用車燃油箱的設(shè)計容積一般為45～70 L，可以保證車輛的續(xù)航里程達(dá)到500 km以上。為保證車輛行駛過程中的舒適性，燃油箱內(nèi)一般設(shè)有減噪機(jī)構(gòu)，如使用防浪板來減小車輛在運(yùn)行過程中的燃油晃動噪聲[1]。

2.2 燃油供給

汽車運(yùn)轉(zhuǎn)時，塑料燃油箱總成負(fù)責(zé)向發(fā)動機(jī)提供低壓燃油。燃油箱內(nèi)置燃油泵總成，將儲存在油箱內(nèi)的燃油通過低壓油管輸送到發(fā)動機(jī)。燃油泵在油箱內(nèi)的布置位置要考慮多重因素：第一，燃油泵的布置位置要與整車底盤布置相配合，保證燃油泵拆裝的便利性，一般燃油泵會布置在汽車后座下方區(qū)域，并在車架上留有油泵拆裝口，將汽車后座拆下后可通過拆裝口拆卸燃油泵，而不需要將油箱總成整體從汽車底盤上拆下；第二，燃油泵的布置位置要考慮油箱的幾何形狀，以保證燃油量處于低位及車輛處于斜坡時仍能保證燃油的有效供應(yīng)，因此油泵需要布置在油箱底部較低區(qū)域。如油箱具有多個儲油區(qū)域，一般需要布置多個吸油管通往未布置油泵的儲油區(qū)域，如馬鞍式油箱會在油箱一側(cè)布置燃油泵，另外一側(cè)布置吸油管路與油泵相連，以保證燃油供給，如圖2所示。

圖2 馬鞍式油箱

2.3 燃油加注

塑料燃油箱總成需要具備燃油加注功能，確保燃油可以通過加油槍順利加注到油箱內(nèi)部。油箱設(shè)計有加油口、注油管、排氣系統(tǒng)等機(jī)構(gòu)。油箱設(shè)計過程中要考慮注油管流道的幾何形狀，以及油箱排氣系統(tǒng)的工作能力。當(dāng)燃油通過注油管加注到油箱內(nèi)部時，油箱內(nèi)的氣體通過油箱頂部的FLVV、ROV以及排氣管路向外排出，直到燃油液位達(dá)到FLVV的限制液位時，F(xiàn)LVV內(nèi)的浮漂將排氣口密封，油箱內(nèi)的氣體不能迅速外排，燃油在注油管中的液位迅速上升至加油槍自封機(jī)構(gòu)，加油槍跳槍，加油過程停止，如圖3所示。

圖3 車載加油油氣回收系統(tǒng)工作原理

2.4 油量監(jiān)測

塑料燃油箱總成具備油量監(jiān)測功能，在車輛啟動后可實時監(jiān)測油箱剩余油量，并通過中控儀表進(jìn)行油量顯示。油量監(jiān)測功能主要通過油箱內(nèi)部的液位傳感器實現(xiàn)，目前使用較多的為浮標(biāo)式液位傳感器，其由浮子、連接桿、滑線變阻器等主要元件組成。連接桿的兩端分別連接浮子和滑線變阻器，當(dāng)浮子位置隨燃油液位發(fā)生變化時，連接桿帶動滑線變阻器上的滑臂在電阻片上滑動，通過傳感器電阻阻值的變化引起電流信號的變化來實現(xiàn)油量監(jiān)測。通常液位傳感器與燃油泵總成設(shè)計為一個整體布置在油箱內(nèi)部，如油箱具有多個儲油區(qū)域，則會布置多個液位傳感器，如馬鞍式油箱會在油箱內(nèi)布置2個液位傳感器，如圖2所示。

2.5 控制蒸發(fā)污染物排放

汽車蒸發(fā)污染物排放是指除汽車排氣管排放以外，從汽車燃料（汽油）系統(tǒng)損失的碳?xì)浠衔镎魵獾倪^程。在《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(zhǔn)中涉及燃油供給系統(tǒng)的污染物排放試驗有2項，分別是蒸發(fā)污染物排放試驗和加油過程污染物排放試驗[2]。因此，燃油箱總成作為燃油供給系統(tǒng)的重要組成部分，需具備降低汽車蒸發(fā)污染物排放的功能。

燃油箱總成設(shè)計時，與燃油接觸的部分需具備燃油阻滲功能，并且油箱排氣系統(tǒng)需連接到炭罐。燃油蒸氣需要通過炭罐才能排出到大氣，炭罐又與發(fā)動機(jī)電磁脫附閥相連接，在設(shè)定工況下，脫附閥打開，將吸附在炭罐內(nèi)活性炭上的燃油重新以蒸氣形式吸入到發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管，并最終進(jìn)入發(fā)動機(jī)燃燒室進(jìn)行燃燒。

在燃油加注過程中，大量燃油蒸氣會從加油口排放到大氣，相較國五排放標(biāo)準(zhǔn)，在國六排放標(biāo)準(zhǔn)中增加了加油過程污染物排放試驗，為控制該過程產(chǎn)生的蒸發(fā)污染物排放，燃油箱總成引入了ORVR（Onboard Refueling Vapor Recovery，車載加油油氣回收系統(tǒng)）。ORVR工作原理如圖3所示，加油時燃油通過ICV進(jìn)入油箱內(nèi)腔，并通過ICV的阻力作用，在注油管內(nèi)形成液封，使油箱內(nèi)的燃油蒸氣不能通過注油管排到大氣；此外，在油箱和注油管間需增加一根直徑較小的再循環(huán)管，形成文丘里效應(yīng)，使注油口區(qū)域形成負(fù)壓，抑制燃油蒸氣向外排出[3]。

3 塑料燃油箱的主要特點

塑料燃油箱較傳統(tǒng)金屬燃油箱具有較大優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下7個方面。

（1）輕量化。塑料燃油箱箱體平均壁厚通常為5 mm左右，材料密度約為0.95 g/cm3，而金屬燃油箱箱體平均壁厚通常為1.2 mm左右，鐵質(zhì)材料密度為7.8 g/cm3，因此相同規(guī)格的塑料油箱要比金屬油箱質(zhì)量輕30%～50%[4]。研究表明，汽車整備質(zhì)量每減少100 kg，則車輛每百公里燃油消耗量可減少0.3～0.6 L，汽車質(zhì)量每減少10%，則減少6%～8%的燃油消耗量[5]，因此塑料燃油箱的使用對于整車輕量化具有重要意義，更加滿足節(jié)能減排、降低污染的環(huán)保需求。

（2）形狀自由度大。隨著汽車科技的快速發(fā)展，車輛底盤布置愈發(fā)緊湊，留給燃油箱的布置空間也愈發(fā)苛刻，因此對油箱外形設(shè)計的要求越來越高。塑料燃油箱箱體是通過模具一體吹塑成型，因此其空間外形可設(shè)計成各種異形曲面形狀，充分利用底盤空間，而傳統(tǒng)金屬燃油箱箱體需要經(jīng)過沖壓、焊接等多道工藝進(jìn)行成型加工，金屬油箱在設(shè)計時需要盡量簡化箱體外形，復(fù)雜的異形曲面很難在金屬燃油箱上實現(xiàn)。

（3）耐沖擊性高。HDPE具有一定彈性，在塑料油箱受到外力撞擊后能夠自行回彈，不易產(chǎn)生永久變形，且在-40～70 ℃環(huán)境下，依然具有較好的抗沖擊性和其他機(jī)械性能。在常溫下，金屬油箱從4 m高處落到水泥地面上會產(chǎn)生損壞，而塑料油箱從8～10 m高處落下依然不易損壞。

（4）耐腐蝕性強(qiáng)。HDPE具有極高的耐化學(xué)腐蝕能力，能夠避免車輛在使用過程中由于箱體遭到腐蝕而引發(fā)各類問題，從而降低燃油箱的維護(hù)成本，提高其使用壽命。與之相比金屬燃油箱耐腐蝕性較差，雖然在加工過程中對箱體內(nèi)外表面做了防腐處理，但油箱在雨水、污物、鹽類融雪劑及其他介質(zhì)的作用下仍然會有腐蝕的情況發(fā)生，且箱體內(nèi)表面被汽油中硫、酸類、醇類等化學(xué)物質(zhì)腐蝕后會產(chǎn)生雜質(zhì)，雜質(zhì)經(jīng)由供油系統(tǒng)進(jìn)入到發(fā)動機(jī)中，會對其造成損傷，降低發(fā)動機(jī)的使用壽命。

（5）安全性高。HDPE的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.5 W/（m·K），鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為36～54 W/（m·K），塑料燃油箱的導(dǎo)熱能力僅為金屬油箱的1%左右，在車輛起火時，塑料燃油箱不會產(chǎn)生熱膨脹引發(fā)爆炸，且塑料燃油箱在撞擊和摩擦過程中不會像金屬油箱一樣產(chǎn)生電火花引起爆炸事故，因此塑料燃油箱具有較高的安全性。

（6）成型加工性。塑料燃油箱箱體的主要加工工藝為吹塑工藝，對于外形復(fù)雜的油箱同樣通過吹塑模具一體吹塑成型，加工工藝相對單一，而金屬油箱箱體一般通過沖壓、焊接、防腐處理等多工藝過程完成加工，工藝過程相對復(fù)雜。

（7）廢料可回收。塑料燃油箱在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的不良件可在油箱廠家直接進(jìn)行粉碎回收，并添加到油箱的回料層重新用于箱體吹塑加工，而金屬燃油箱生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的不良件很難在油箱廠家直接回收再利用。

塑料燃油箱在以上7個方面優(yōu)于傳統(tǒng)金屬燃油箱，但在箱體燃油滲透率上，由于塑料燃油箱材料的分子結(jié)構(gòu)與汽油的分子結(jié)構(gòu)相似，會產(chǎn)生一定的滲透揮發(fā)，而金屬油箱本體無滲透情況，所以塑料燃油箱的主要問題集中在燃油阻滲技術(shù)上。

4 塑料燃油箱阻滲技術(shù)

塑料燃油箱箱體使用的材料為HDPE，其與汽油分子結(jié)構(gòu)類似，根據(jù)相似相溶原理，汽油中的分子會滲透到HDPE箱體內(nèi)部，并擴(kuò)散到外界氣化損失掉[6-7]；因此，提高塑料燃油箱的燃油阻隔性對于降低燃油氣化損失和降低環(huán)境污染極為重要。

塑料燃油箱箱體分為單層塑料箱體和多層塑料箱體2種，單層塑料箱體原材料為HDPE，多層塑料箱體原材料包括HDPE、EVOH（Ethylene Vinyl Alcohol Copolymer, 乙烯-乙烯醇共聚物）、LLDPE（Linear Low Density Polyethylene，線性低密度聚乙烯）、色母料4種材料。

4.1 單層塑料油箱箱體阻滲技術(shù)

基于HDPE的缺陷，在單層箱體生產(chǎn)過程中通常使用氟化、磺化、等離子體3種處理方法，在油箱內(nèi)壁形成阻隔層，阻隔燃油滲透。

（1）氟化處理。在油箱吹塑過程中向模具夾持的型坯內(nèi)充入氟、氮混合氣體（F2-N2），其中F2占比1%～2%，或?qū)⒂拖湎潴w放置在含F(xiàn)2-N2的壓力容器內(nèi)加熱氟化。氟化過程中箱體表面的聚乙烯與F2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，氟原子取代PE（Polyethylene，聚乙烯）主鏈上的部分氫原子，在箱體表面形成一層深度為幾微米的致密氟化合物，增加燃油阻隔效果。

（2）磺化處理。在吹塑機(jī)使用壓縮空氣和少量N2吹脹型坯后，未進(jìn)行合模前，通過吹氣桿向油箱型坯內(nèi)吹入三氧化硫（SO3）氣體，反應(yīng)完畢后，排出氣體，再使用氨氣（NH3）中和過量的SO3，然后通水清洗，油箱磺化后可在箱體內(nèi)壁形成一層厚度為20 μm左右的阻滲層。

（3）等離子體處理。等離子體是電子、離子、分子、原子或自由基的集合體，是物質(zhì)除固、液、氣以外的第四態(tài)存在形態(tài)。等離子體處理原理是利用等離子體中的高能粒子擊斷聚乙烯分子鏈中的化學(xué)鍵，并引入相應(yīng)的官能團(tuán)以實現(xiàn)材料表面改性，從而達(dá)到提高油箱阻滲能力的目的。

4.2 多層塑料油箱箱體阻滲技術(shù)

多層塑料燃油箱箱體通常由6層組成，如圖4所示，由內(nèi)而外分別為基層（HDPE）、粘結(jié)層（LLDPE）、功能層（EVOH）、粘結(jié)層（LLDPE）、回料層（回用料）和裝飾層（HDPE+色母料）。其中功能層即為阻隔層，具有較好的燃油阻隔效果。多層塑料燃油箱制造關(guān)鍵技術(shù)在于多層共擠，使用6個螺桿擠出機(jī)，將6層材料分別擠出到擠出機(jī)機(jī)頭，在機(jī)頭中6層材料熔體通過各自的流道最后合流成為一體在口模擠出。

（1）基層，處于箱體最里側(cè)，占油箱壁厚的20%～40%，使用材料為HDPE，其作為油箱的主體，主要決定產(chǎn)品的強(qiáng)度、剛度和尺寸穩(wěn)定性。

（2）功能層，也稱為阻滲層，占油箱壁厚的 1%～3%，使用材料為EVOH，其具有較高的阻隔性能，可以有效阻隔燃油向外滲透。在EVOH厚度為10 μm的情況下可達(dá)到較為優(yōu)秀的阻隔性能，所以該層是實現(xiàn)油箱阻隔燃油滲透的關(guān)鍵層，同時，該層也起到阻隔外界氣體進(jìn)入油箱的功能。

圖4 多層塑料燃油箱各層分布

（3）粘結(jié)層，共有2層，每層占油箱壁厚的1%～3%，處于功能層的兩側(cè)，分別與基層和回料層相連，使用材料為LLDPE，其是功能層與基層和回料層之間的粘結(jié)劑。

（4）回料層，處于箱體外側(cè)第2層，占油箱壁厚的40%～50%，其材料包括多種聚合物，是整個多層油箱材料的回收料層。在油箱吹塑過程中會產(chǎn)生一定比例的料邊和報廢產(chǎn)品，料邊在修邊工位被修割下來，料邊和報廢產(chǎn)品通過粉碎機(jī)粉碎后變成回收料，再輸送回吹塑機(jī)添加到回料層。

（5）裝飾層，處于箱體最外側(cè)，占油箱壁厚的10%～20%，使用材料為HDPE和色母料，其功能除保證油箱具有一定強(qiáng)度和剛度外，也對油箱外側(cè)進(jìn)行一定的顏色裝飾，通常使用黑色色母料，對油箱進(jìn)行外觀裝飾，油箱制造完成后外觀呈黑色。

5 結(jié)束語

塑料燃油箱在滿足其功能特性的情況下，整體表現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)金屬燃油箱，且隨著塑料燃油箱技術(shù)的發(fā)展，其成本在逐漸減低，未來仍將處于增長狀態(tài)。目前，汽車市場主要采用阻滲效果較好的多層塑料燃油箱，單層塑料燃油箱由于其阻滲處理工藝較為繁瑣，并且阻滲效果一般，制造過程對環(huán)境有一定的污染，所以應(yīng)用的越來越少；此外，通過對塑料燃油箱特點的分析，得出阻滲技術(shù)仍將是塑料燃油箱發(fā)展的主要技術(shù)問題。提高塑料燃油箱的阻滲能力以滿足日益突出的環(huán)境需求和更高的排放標(biāo)準(zhǔn)仍將是塑料燃油箱發(fā)展的重大考驗。

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2021-04-25

U464.136+.5.04

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.04.004

1002-4581（2021）04-0015-05