燃油箱內(nèi)靜電水平測試評價及預(yù)防研究

王昊，江佳廉，張?zhí)?/p>

摘? 要：在某車型開發(fā)的寒地試驗中，發(fā)生了一起燃油箱開裂的故障。分析是靜電放電引起了燃油箱爆炸。根據(jù)燃油箱內(nèi)靜電放電的原理，制定出燃油箱靜電電壓測試方法和靜電放電路徑測試方法。通過試驗調(diào)查出故障原因是燃油箱汽油里的靜電累積到油泵油位計上發(fā)生放電，放電能量大于點燃汽油最小能量0.2mJ的要求，點燃燃油箱內(nèi)汽油蒸氣引發(fā)爆炸。本文提出了靜電對策方案且進行了試驗驗證，結(jié)果表明：將油泵油位計彈片基座改為導(dǎo)電材料，可以有效降低燃油箱內(nèi)汽油靜電電壓和放電能量，解決靜電放電燃燒問題。

關(guān)鍵詞：靜電放電;表面電位;放電路徑;放電能量

中圖分類號：U467.3? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2021）05-0047-06

Test Evaluation And Prevention Research Of

Electrostatic Level In Fuel Tank

WANG Hao， JIANG Jia-lian， ZHANG Tai

（ Dongfeng Nissan Technical Center， Guangzhou 510800， China）

Abstract： In the developing test of some vehicle in cold weather， a cracking failure occurred in the fuel tank. The analysis result is that the electrostatic discharge caused the fuel tank explosion. According to the principle of electrostatic discharge in the fuel tank， we worked out the electrostatic voltage test method and the electrostatic discharge path test method of the fuel tank. The cause of the fault was investigated through tests. The static electricity in the gasoline of fuel tank was accumulated to the fuel gauge of fuel pump and a discharge occurred. The discharge energy is more than the minimum energy requirement of 0.2 mJ for igniting gasoline， so the ignited gasoline vapor in the fuel tank caused an explosion. The countermeasure against static electricity is proposed and tested. The results show that changing the wiper retainer material of fuel gauge in fuel pump to conductive material can effectively reduce the electrostatic voltage of gasoline in the fuel tank and solve the problem of electrostatic discharge.

1? ? 前言

在某車型開發(fā)的寒地試驗中，發(fā)生了一起燃油箱開裂的故障。晚上車輛停車熄火以后，第二天早上試驗員聞到濃烈的汽油味，點檢車輛發(fā)現(xiàn)燃油箱泵口邊緣出現(xiàn)了裂縫（如圖1）。油泵上有被熏黑的痕跡，但油泵本身沒有損壞和燒融，可以正常工作。燃油箱殼體也沒有燒融痕跡。車輛位于燃油箱上方的地板出現(xiàn)了變形，車輛其余部位沒有任何損壞。由于夜晚車輛熄火后油泵已經(jīng)斷電，推測燃油箱內(nèi)部發(fā)生靜電放電引起了爆炸，巨大的壓力導(dǎo)致燃油箱開裂和車體變形。為了查明故障原因，接下來我們將編制兩套試驗方法，分別測試放電電壓和放電路徑，最后制定對策方案并驗證。

2? ? 燃油系統(tǒng)介紹

在搞清故障車油箱內(nèi)靜電放電機理之前，首先介紹一下汽車燃油系統(tǒng)的功能。燃油系統(tǒng)主要由加油口蓋、加油管、燃油箱、油泵、碳罐和集中配管等零件組成。燃油箱的主要功能是安全無泄漏地貯藏燃油，油泵的主要功能是供給燃油到發(fā)動機和檢測燃油箱剩余油量。其中，檢測剩余油量的功能是由油泵上的油位計部件來實現(xiàn)的。油位計的工作原理是通過其浮子帶動上面的滑動變阻器（如圖2），給汽車儀表輸出不同的電阻值，儀表將它轉(zhuǎn)換為燃油箱中剩余油量信息顯示出來。

3? ? 燃油箱內(nèi)靜電放電原理

接下來介紹一下油箱內(nèi)靜電放電的基本原理。汽車燃油箱爆炸一般需要同時具備三個條件：易燃介質(zhì)、充足的助燃物氧氣以及點火源。燃油蒸氣的點火機理各不相同，燃油箱內(nèi)部或周圍最可能的幾類點火源包括電火花、熱火花和燃油箱的熱表面。燃油箱內(nèi)的油泵也可能由于電氣故障、靜電放電、短路而形成點火源，其中靜電放電最為復(fù)雜。

3.1? ?燃油箱內(nèi)靜電產(chǎn)生機理

汽車加油，行駛中油液在燃油箱內(nèi)晃動，油泵泵油工作，這三種情況下燃油流動并與周圍固體摩擦容易產(chǎn)生靜電。同時電荷也在逐步釋放，部分電荷會移動到燃油箱壁上并與相反的電荷中和。如果電荷產(chǎn)生速度大于電荷釋放速度，則電量逐步增大，靜電產(chǎn)生的電場強度也同時增大。當(dāng)靜電場強超過燃油箱內(nèi)氣體所能承受的場強時，則氣體被擊穿而放電，造成燃油箱爆炸等危害。燃箱內(nèi)要達到爆炸的條件，汽油蒸氣與空氣的濃度要達到可燃混合比，即1.4～7.6vol%[1]。根據(jù)以往的試驗數(shù)據(jù)，達到該混合比的汽油溫度要到-35℃以下。故障當(dāng)天夜晚氣溫在-35℃以下，燃油箱內(nèi)汽油蒸氣濃度達到爆炸范圍，可發(fā)生靜電放電引起的爆炸。

3.2? ?燃油箱內(nèi)靜電放電類型

靜電在不同位置發(fā)生放電時，由于放電兩端的零部件材料不同，放電中釋放的能量也不相同。根據(jù)發(fā)生靜電放電時兩端的材料和放電的能量，可將燃油箱內(nèi)靜電放電劃分為圖3所示的三種類型：

a）高能量放電：這種放電類型是未接地金屬部件與接地金屬部件間發(fā)生靜電放電。當(dāng)燃油箱內(nèi)存在未接地金屬部件，且燃油能夠與之接觸，附近燃油中的靜電荷會在未接地金屬部件上大量的積累。如果靜電荷積累產(chǎn)生的靜電場達到擊穿電壓，則會在這個未接地金屬部件與接地金屬部件之間發(fā)生放電，在短時間內(nèi)將積累的電荷全部轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生高能量電弧，存在較高風(fēng)險點燃燃油蒸氣。其放電能量可用下述公式表達[1]：

其中， E ：放電能量;C ：未接地金屬部件電容;VB ：未接地金屬部件與接地金屬部件間的電位差。點燃汽油的最小放電能量是0.2mJ[1]，設(shè)計時要保證放電能量低于這個限值。

b）中等能量放電：這種放電類型是絕緣表面與接地的絕緣部件間出現(xiàn)放電。此種情況一般發(fā)生在燃油液面中部，此處靜電荷密集，電位較高，且遠離金屬部件。這種放電需要較大的電位差，放電能量中等。這種放電可擊穿絕緣部件，造成部件損壞;同時放電火花可能點燃燃油蒸氣，存在一定風(fēng)險。

c）低能量放電：這種放電類型是絕緣表面與已接地金屬部件間出現(xiàn)放電。此種情況中最明顯的特征是放電在絕緣體表面發(fā)生時是分散的，多個位置產(chǎn)生電弧并最終在金屬物體處合并。由于絕緣物體的低導(dǎo)電性，電荷在絕緣物質(zhì)中的移動性非常低，另外放電過程時間短，這些就決定了只有絕緣表面上或者附近，有限區(qū)域內(nèi)的靜電荷會參與到放電中，因此，這種放電情況釋放能量較低。盡管這種放電的釋放能量較低，但仍有可能造成燃油蒸氣點火。[2]在后面的靜電放電路徑測試方法中我們將涉及到這三種放電類型。

4? ? 燃油箱靜電電壓測試

4.1? ?測試方法制定

燃油箱內(nèi)的靜電主要由油泵工作時，燃油在油泵的粗濾、精濾和尼龍管內(nèi)流動和摩擦產(chǎn)生。對于無回油的燃油系統(tǒng)（如圖4所示，油泵至發(fā)動機只有供油管沒有回油管），油泵給發(fā)動機供給后多的燃油在油泵內(nèi)部回流最終流到燃油箱，這樣燃油箱中的汽油也會帶靜電。我們選取油箱和油泵容易產(chǎn)生和積累靜電的部位進行靜電電壓測試。

靜電電壓測試方法如圖5所示，試驗中使用的儀器有：表面電位計、電導(dǎo)率計（測量汽油電導(dǎo)率）、溫度計、濕度計、穩(wěn)壓電源（為油泵供電）、流量計（調(diào)整燃油輸出流量）、數(shù)據(jù)采集器（記錄測量數(shù)據(jù)）、恒溫箱。燃油靜電的產(chǎn)生、存儲和消散分別對應(yīng)著燃油的動力粘度、介電常數(shù)和電導(dǎo)率三個參數(shù)。汽油動力粘度越大，摩擦越容易產(chǎn)生靜電。介電常數(shù)越大，儲存靜電越多。電導(dǎo)率越低，靜電越不容易消散。通過對國內(nèi)不同地區(qū)汽油的采樣分析，發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)汽油的動力粘度和介電常數(shù)差異不大，但電導(dǎo)率差異較大，有的地區(qū)汽油低溫電導(dǎo)率為0pS/m。為此試驗中我們選擇0℃電導(dǎo)率為0pS/m的95#汽油進行試驗。試驗時油泵浸沒在燃油中容易產(chǎn)生靜電流失，因此試驗時燃油箱內(nèi)的燃油量定為從燃油箱底部向上15mm液面高的容量。由于是無回油的燃油系統(tǒng)，油泵輸出的燃油通過燃油箱加油口流入燃油箱，以保持液面高度不變。從供油管輸出的燃油流量按照車速100km/h時發(fā)動機的耗油量設(shè)定。

考慮測量對象都在燃油箱內(nèi)部，按照圖5所示的方法間接測量表面電位。油泵法蘭打孔，將測量零件表面電位的3根導(dǎo)線從法蘭穿入油泵，分別連接在泵芯到精濾罐的U形尼龍管上，精濾罐到法蘭的S形尼龍管上和精濾罐上，導(dǎo)線的另一端留在油泵外部。燃油箱上表面打孔，將用于測量燃油電位的導(dǎo)線一端連接銅球置于液面以下，另一端穿過燃油箱開孔延伸到燃油箱外部。將銅板連接到燃油箱外部的導(dǎo)線端部，電位計對準(zhǔn)銅板平面并保持15mm距離測量表面電位。測量用的導(dǎo)線外面套上絕緣塑料管，導(dǎo)線與銅板及零件的連接部位覆蓋絕緣膠，銅板邊緣覆蓋絕緣膠，減少靜電流失。

試驗的燃油箱要提前放入恒溫箱中2小時以上，保證里面燃油的溫度與設(shè)定的環(huán)境溫度相同。注意燃油箱底下要墊上絕緣的墊子并且不能接地。先打開和關(guān)閉油泵的電源幾次，以排出空氣并填充燃油。給油泵施加14V的驅(qū)動電壓，以規(guī)定流量從供油管中輸出燃油。測量每個銅板上的表面電位，檢查表面電位隨時間的變化，測量直到表面電位穩(wěn)定為止。由于汽油蒸汽在-35℃以下達到可燃混合比，考慮試驗的安全性，將試驗的環(huán)境溫度定為0℃、-10℃、-20℃三種條件，相對濕度20%以下，試驗后將環(huán)境溫度和測得的電壓數(shù)據(jù)輸入EXCEL表中生成散點圖，利用添加趨勢線的工具生成公式，然后利用生成的公式計算出-30℃和-40℃的結(jié)果。

4.2? ?測試結(jié)果分析

測量故障車型燃油箱內(nèi)的靜電水平，結(jié)果如圖6所示。由于燃油箱中存在汽油蒸氣和空氣，因此使靜電放電能量維持在汽油蒸氣的點火能量以下，才能防止燃油箱內(nèi)汽油的燃燒。根據(jù)以往試驗數(shù)據(jù)，靜電電壓達到9kV以上時，靜電放電擊穿精濾罐和尼龍管的點火能量才能達到點燃汽油的最小能量0.2mJ。從測量結(jié)果看，尼龍管和精濾罐的穩(wěn)定電壓較低，擬合到-30℃和-40℃的電壓值也沒有超過9kV。燃油內(nèi)的電壓值較高，擬合到-40℃的電壓值為10.5kV，存在放電點燃汽油的可能，需要進一步分析。

5? ? 靜電放電路徑測試

5.1? ?測試方法制定

上述試驗發(fā)現(xiàn)引起燃油箱爆炸的靜電可能來自燃油箱中的燃油，根據(jù)前面介紹的燃油箱內(nèi)靜電放電的3種類型，考慮故障現(xiàn)場沒有發(fā)現(xiàn)燃油箱殼體被靜電擊穿的痕跡，可以排除放電類型b）的可能性。放電類型a）和c）中都提及了接地的金屬部件，燃油箱中只有油泵上存在接地的金屬部件，推測放電的路徑在油泵上。為了明確靜電在油泵上的放電路徑，制定了如圖7所示的測試方法。

試驗中使用的儀器有：表面電位計、靜電槍（有效放電電壓范圍0～30 kV）、LCR數(shù)字電橋測試儀（測量電容值）、數(shù)據(jù)采集器（記錄測量數(shù)據(jù)）。為了便于觀察，用一個玻璃缸代替燃油箱殼體。玻璃缸放在木質(zhì)桌子上，玻璃缸與桌面用絕緣的膠墊隔開。將待測試的油泵放入玻璃缸中，油泵法蘭上的插頭與線束插頭連接，其中油位計的負極線束和泵芯的負極線束都要接地。將水倒入玻璃缸中，水是用來導(dǎo)電的介質(zhì)。水開始先加到油位計浮子剛浮起的位置。這個位置對應(yīng)油表的空油位置，客戶一般不會將燃油箱里的燃油用到這個位置。將上面試驗中測量燃油電壓的導(dǎo)線一端浸沒在水中，另一端固定在玻璃缸邊緣上并且與周圍絕緣。將一個金屬柄的毛刷立在水中，金屬柄固定在玻璃缸邊緣上并且與周圍絕緣。先斷開油泵的接地，用靜電槍以30kV電壓向毛刷金屬柄持續(xù)放電。通過用表面電位計測量測電壓導(dǎo)線上的電壓，來監(jiān)測水中的靜電電壓，待電壓達到30kV時停止放電。 將油泵接地，靜電槍繼續(xù)向毛刷放電，放電電壓為30kV。慢慢往玻璃缸中倒水，使液面緩慢上升，直到滿油位的液面高度處。在這個過程中監(jiān)測表面電位計的讀數(shù)，觀察靜電火花是否發(fā)生以及在油泵上的發(fā)生部位。

5.2? ?測試結(jié)果分析

隨著液面的上升，油泵油位計上的2個位置發(fā)生了靜電放電。如圖8所示，首先浮子桿與彈片發(fā)生放電。液面慢慢上升接近電阻片導(dǎo)帶，液面與導(dǎo)帶發(fā)生放電。分析試驗結(jié)果，浮子桿、電阻片上的導(dǎo)帶、彈片、觸點都是金屬的，彈片基座是樹脂的。浮子桿的一端浸沒在水里，水里的靜電傳導(dǎo)到浮子桿上。電阻片上的導(dǎo)帶與油位計負極連接而接地，彈片和觸點與導(dǎo)帶連接也接地，但是浮子桿沒有接地。浮子桿與彈片發(fā)生放電屬于放電類型a），液面與導(dǎo)帶發(fā)生放電屬于放電類型c）。用LCR數(shù)字電橋測試儀測量浮子桿與彈片之間的電容為4.4pF，液面與導(dǎo)帶之間的電容為12.9 pF。根據(jù)公式? ? ? ? ? ? ? ，靜電電壓測試中得到VB=10.5kV，當(dāng)C=4.4pF時，求得E=0.24mJ;當(dāng)C=12.9pF時，求得E=0.71mJ。 兩個結(jié)果都大于點燃汽油的最小放電能量0.2mJ要求，達到點燃油箱內(nèi)汽油蒸氣的條件。

6? ? 設(shè)計優(yōu)化

有效地預(yù)防靜電放電的方法： 一是防止靜電的產(chǎn)生。二是促進靜電荷消散，減少積累。三是避免靜電放電，破壞靜電放電條件。

6.1? ?防止靜電的產(chǎn)生

燃油箱里的靜電主要來自油泵工作時燃油流動產(chǎn)生的靜電。燃油流經(jīng)油泵過濾器時，與過濾器劇烈摩擦而使帶電量增加10～100倍，控制過濾器的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和精度可有效的減少靜電的產(chǎn)生。改變油泵上尼龍管的材料，例如由PA管變?yōu)镠DPE管，也可以減少靜電的產(chǎn)生。

6.2? ?促進靜電荷消散，減少靜電積累

在燃油中添加抗靜電添加劑。燃油電阻率在1010～1012 Ω·m，燃油產(chǎn)生的靜電荷是最多的。添加抗靜電劑就是要改變?nèi)加偷碾娮杪?，使燃油不易積聚太多的電荷。但是燃油的電阻率是煉油廠出廠時設(shè)定好的，所以很難去改變市場上燃油的電阻率。

油泵接地能減少電荷向外界傳導(dǎo)的電阻，加快燃油中電荷的消散。油泵接地的方式有泵芯接地、油位計接地、精濾罐接地、調(diào)壓閥接地、尼龍管接地等。泵芯接地是將泵芯的殼體接地，精濾罐接地需要將導(dǎo)電銅芯插入濾紙里面，尼龍管接地需要提前將尼龍管的內(nèi)表面或整個尼龍管換成導(dǎo)電材料。通常接地導(dǎo)線的電阻不宜大于100Ω。[3]

6.3? ?避免靜電放電，破壞放電條件

將帶靜電的零件與接地零件保持10mm以上的距離，防止靜電放電的發(fā)生。

7? ? 對策及驗證

根據(jù)燃油箱靜電電壓測試結(jié)果，油泵精濾罐和尼龍管上的靜電量并不多，靜電主要集中在燃油箱內(nèi)的燃油里，對策的方向主要考慮將燃油里的靜電導(dǎo)走。根據(jù)靜電放電路徑測試結(jié)果，放電主要發(fā)生在油泵的油位計上，說明靜電的傳導(dǎo)路徑在油位計上，但油位計沒有有效接地。設(shè)計確認發(fā)現(xiàn)油位計的彈片基座采用的是不導(dǎo)電的POM 材料。浮子桿→彈片基座→彈片→觸點→導(dǎo)帶→負極線束，這條接地回路中除了彈片基座是不導(dǎo)電塑料外，其余所有零件都是金屬導(dǎo)電材料。燃油里的靜電傳導(dǎo)到了浮子桿，但是在彈片基座這里中斷，無法傳導(dǎo)到負極線束而接地導(dǎo)走。所以根據(jù)預(yù)防靜電放電之促進靜電荷消散的方法，將油位計的彈片基座由不導(dǎo)電的POM材料換成導(dǎo)電的POM材料作為對策方案，使整個油位計完全接地，其中彈片基座的電阻控制在106Ω以下。

采用對策后的油泵做靜電放電路徑測試，試驗中靜電槍施加30kV電壓，隨著液面上升油位計上沒有發(fā)生靜電放電。測量對策后浮子桿與彈片之間的電容為21.2pF，液面與導(dǎo)帶之間的電容仍為12.9pF未變。由于油位計彈片基座換成導(dǎo)電材料，浮子桿與彈片之間的電容變大。將對策后的油泵放入燃油箱中做靜電電壓測試，擬合到-40℃的電壓值為3.6kV。由于彈片基座換成導(dǎo)電材料，整個油位計完全接地，燃油箱內(nèi)燃油中的靜電被大量導(dǎo)走，燃油中的靜電電壓大大降低。將VB=3.6 kV代入公式? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ，其中C取電容較大值21.2pF，求得E=0.14 mJ小于點燃汽油的最小放電能量0.2mJ要求，不存在放電點燃汽油的危險，對策有效。

8? ? 結(jié)束語

汽車燃油箱的靜電問題相對比較復(fù)雜，具有一定的危險性。本文針對某車型開發(fā)試驗中發(fā)生的燃油箱爆炸故障，從燃油箱內(nèi)靜電放電原理出發(fā)，制定出燃油箱靜電電壓測試方法和靜電放電路徑測試方法。通過試驗調(diào)查出故障原因是燃油箱燃油里的靜電累積到油泵油位計上發(fā)生放電，點燃油箱內(nèi)燃油蒸氣引發(fā)爆炸。提出將油位計彈片基座改為導(dǎo)電材料的對策方案并進行試驗驗證。結(jié)果表明，該方案可有效降低燃油箱內(nèi)燃油的靜電電壓，解決靜電放電燃燒問題。

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