汽車加油管的輕量化設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證

林國(guó)發(fā)，袁 衛(wèi)

汽車加油管的輕量化設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證

林國(guó)發(fā)，袁 衛(wèi)

（上海汽車集團(tuán)創(chuàng)新研究開(kāi)發(fā)總院，上海 201800）

文章設(shè)計(jì)了一款符合國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的輕量化多層塑料加油管。開(kāi)展了輕量化材料選型，加油管整體重量減少28%。在現(xiàn)有生產(chǎn)線基礎(chǔ)上通過(guò)增加波紋吸附模具實(shí)現(xiàn)了多層波紋管的擠出?；贏NSYS Fluent建立了加油管的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）仿真模型，并對(duì)加油管進(jìn)行的流體流動(dòng)分析，結(jié)果表明波紋管能減緩內(nèi)部流體流動(dòng)，有利液封形成。建立了加油試驗(yàn)臺(tái)架，并進(jìn)行了常用加油槍的加油試驗(yàn)和ORVR試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，加油管性能良好，加油時(shí)不會(huì)出現(xiàn)飛濺、反噴和提前跳槍問(wèn)題，蒸發(fā)排放值為7 mg/day，加油排放結(jié)果3.5 mg/L，符合設(shè)計(jì)要求。

汽車加油管；輕量化；CFD仿真；液體密封；國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)；波紋管；加油性能

為了進(jìn)一步減少汽車排放污染物，中國(guó)于2016年底發(fā)布了《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》（GB18352.6—2016）（以下簡(jiǎn)稱國(guó)六）。國(guó)六新法規(guī)嚴(yán)格了汽車燃油系統(tǒng)的VI型蒸發(fā)排放限值，同時(shí)增加了V型的車載加油油氣回收系統(tǒng)（Onboard Refueling Vapor Recovery, ORVR）加油排放污染物限值[1]。為了滿足國(guó)六新法規(guī)，汽車燃油系統(tǒng)在材料和結(jié)構(gòu)上有了很大變化。上海汽車袁衛(wèi)對(duì)燃油系統(tǒng)的材料和限值進(jìn)行詳細(xì)闡述，加油管采用金屬主管和THV材質(zhì)橡膠管，加油管總成的滲透排放限值為15 mg/day的值[2]。秦昊等對(duì)國(guó)五和國(guó)六燃油系統(tǒng)解決方案展開(kāi)了詳細(xì)對(duì)比，國(guó)內(nèi)的主機(jī)廠的加油管總成一般都采用了金屬材質(zhì)[3]，金屬加油管的密度大導(dǎo)致重量重，導(dǎo)致整車的油耗增加，金屬?gòu)澒艿牟涣悸瘦^高[4]。文獻(xiàn)[5-8]對(duì)國(guó)六燃油系統(tǒng)的車載油氣回收（以下簡(jiǎn)稱ORVR）系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬、建立的相應(yīng)的計(jì)算模型、研究了汽液兩相的內(nèi)部流動(dòng)、研究了液封跟加油管管徑大小的關(guān)系。但目前各類文獻(xiàn)，缺乏對(duì)帶有波紋的塑料加油管進(jìn)行分析模擬及深入的研究。而金屬加油管重量和成本對(duì)整車不友好，本文從塑料加油管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選型、工藝開(kāi)發(fā)、基于ANSYS Fluent的仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證等系統(tǒng)地設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款輕量化的多層塑料的加油管，既滿足了國(guó)六法規(guī)要求、實(shí)現(xiàn)了整車性能要求又減輕了重量、降低了成本。

1 加油管設(shè)計(jì)

1.1 加油管子零件的設(shè)計(jì)

基于某款轎車車型的整車布置空間，開(kāi)展了加油管總成及子件的設(shè)計(jì)。加油管總成由導(dǎo)流口、加油管本體、護(hù)板、循環(huán)管、加油主管、炭罐吸附管、尾部密封套等子零件組成。各個(gè)子件的材料及功能如表1所示，其中炭罐吸附管、炭罐脫附管、循環(huán)管考慮到裝配便利性，均采用快插接頭跟對(duì)手件連接。而作為加油管的主管，長(zhǎng)期貯存油蒸汽，并且要實(shí)現(xiàn)順暢加油的功能，還要滿足法規(guī)要求，所以加油主管的材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

1.2 加油管的輕量化材料選型

綜合零件的輕量化和應(yīng)用的成熟度，加油管各子零件的材料選型如表1所示。金屬管的對(duì)汽油分子的阻隔作用很明顯，而純塑料材質(zhì)對(duì)汽油的阻隔作用相對(duì)比較差，因此，需在塑料中增加阻隔材料來(lái)降低汽油分子的滲透擴(kuò)散，燃油系統(tǒng)常見(jiàn)的阻隔層有：EVOH、MXD6、PVDF、ETFE、PA6、POM等材料。根據(jù)SAE J2659對(duì)不同的材料阻隔E10汽油滲透擴(kuò)散的試驗(yàn)結(jié)果：PPA>EVOH> MXD6>PVDF>ETFE>PA6>POM>PA12>PP。

表1 加油管總成的各子零件材料選型

序號(hào)加油管子件名稱塑料管子件材料 1導(dǎo)流口PA6 2加油管本體PA6 3加強(qiáng)護(hù)板PA6 4循環(huán)管多層尼龍管PA12/ EVOH/PA12 5加油主管多層波紋管PA12/PVDF/PA12 6炭罐吸附管多層尼龍管PA12/ EVOH/PA12 7炭罐脫附管多層尼龍管PA12/ EVOH/PA12 8尾部密封套氟橡膠FKM

在國(guó)六燃油系統(tǒng)中，炭罐脫附管、循環(huán)管及炭罐吸附管中由于長(zhǎng)時(shí)間充滿油蒸汽，所以使用常用的管路結(jié)構(gòu)PA12/EVOH/PA12的成熟結(jié)構(gòu)來(lái)減少汽油分子的滲透。加油主管的彎管處帶有波紋段，且長(zhǎng)期與液態(tài)汽油接觸。PVDF也就是偏氟聚乙烯，特殊的高結(jié)晶性和表面張力使其防滲透性能非常好，且具有優(yōu)異的耐低溫沖擊性能、機(jī)械強(qiáng)度和堅(jiān)韌性能[9]。

綜合考慮成本、性能，最終選擇聚偏氟乙烯（PVDP）作為加油主管的阻隔層。同時(shí)內(nèi)層使用導(dǎo)電PA12，滿足加油管導(dǎo)電要求（小于106Ω），將加油時(shí)產(chǎn)生的電荷導(dǎo)走，滿足加油管的安全要求。至此，以多層塑料波紋材質(zhì)為主管的加油管總重1 335 g，以金屬材質(zhì)為主管的加油管重量為960 g，所以多層塑料波紋材質(zhì)的加油管減輕28%。

2 多層擠出波紋管的工藝及流程

基于現(xiàn)有供應(yīng)商體系，確認(rèn)生產(chǎn)線的工藝及制造能力將加油管子零件分別進(jìn)行生產(chǎn)制造。加油管本體、護(hù)板、尾部連接處密封套等用成熟的注塑工藝即可實(shí)現(xiàn)。炭罐吸附管、脫附管、循環(huán)管、加油主管則用成熟的多層擠出工藝。多層擠出塑料管擠出后為直管形狀，而在整車的空間限制需要進(jìn)行折彎定型，使得各零件之間有足夠的安全間隙。加油主管直徑比脫附管、排氣管大，為實(shí)現(xiàn)多層塑料管在整車的布置，避免在折彎處出現(xiàn)明顯失圓，如果加油主管失圓后的直徑明顯小于25 mm，影響加油性能[6]。

所以在加油主管的折彎處增加波紋段過(guò)渡防止該處失圓。為此需要在現(xiàn)有擠出生產(chǎn)線增加波紋管段模具。波紋的工藝流程如下：多層擠出管的原材料粒子PA12/PVDP/PA12等經(jīng)烘干后，通過(guò)多層管口模以流動(dòng)熔體形式擠出，再由成模臺(tái)中各模塊孔以整圈抽取空氣的方式，將流動(dòng)的熔體吸附在有波紋形狀的模塊內(nèi)壁，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，波紋管從成模臺(tái)末端脫模成型，然后冷卻定型，最后卷起來(lái)存放。

3 加油管的流體CFD仿真

燃油系統(tǒng)的加油順暢性是表征加油管是否滿足設(shè)計(jì)和使用要求的重要性能，燃油系統(tǒng)的加油排放（ORVR）性能則關(guān)系到燃油系統(tǒng)是否滿足法規(guī)要求。加油管的傳統(tǒng)驗(yàn)證方法是通過(guò)試驗(yàn)不斷試錯(cuò)，但因?yàn)闀r(shí)間周期長(zhǎng)、更改代價(jià)很大，影響了項(xiàng)目的周期和成本。而本次首次采用波紋形狀的加油管，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)較少。因此，在設(shè)計(jì)方案鎖定之前有必要對(duì)燃油系統(tǒng)的內(nèi)部流體流動(dòng)情況進(jìn)行仿真分析，盡早避免和提前識(shí)別出設(shè)計(jì)缺陷，縮短實(shí)物驗(yàn)證的周期及成本。

基于ANSYS Fluent對(duì)燃油系統(tǒng)建模，簡(jiǎn)化不必要的邊界，對(duì)加油過(guò)程進(jìn)行流體流動(dòng)分析。本文對(duì)計(jì)算模型全部采用相同的網(wǎng)格劃分方式，改變壁面邊界層厚度、入口段軸向網(wǎng)格疏密程度和加油管軸向網(wǎng)格尺寸大小，尤其是拐角和喉管等流動(dòng)變化劇烈區(qū)域的網(wǎng)格尺寸，劃分出四種不同數(shù)量的網(wǎng)格，其中網(wǎng)格數(shù)量為493萬(wàn)個(gè)。

3.1 加油順暢性能仿真

加油管的順暢性能主要是指加油管內(nèi)部的汽油是否及時(shí)加入到油箱，里面的液面是否及時(shí)下降，加油管的順暢性能直接關(guān)系到汽車到加油站加油時(shí)油箱未滿是否會(huì)提前跳槍，關(guān)系到客戶感知。通常情況下，加油速度越快，對(duì)加油管的設(shè)計(jì)要求越高，也就是說(shuō)加油時(shí)能承受的最高速度是考核加油順暢性重要指標(biāo)之一。因此，本文選50 L/min的加油速度來(lái)進(jìn)行加油管內(nèi)部的流體流動(dòng)仿真。

在加注燃油時(shí)，燃油與壁面有一定的夾角，導(dǎo)致燃油有一小部分撞擊到壁面從而產(chǎn)生反向速度矢量。在加油管的幾個(gè)拐角的波紋管處也產(chǎn)生反向速度矢量，特別是在50 L/min這樣高流速下，有些反向矢量是正常的。如圖1所示，在加油口位置以及在直角拐角處都產(chǎn)生了反向速度矢量。特別是在波紋管的波峰處，燃油有循環(huán)不再向前流動(dòng)趨勢(shì)。波紋管內(nèi)部的速度矢量無(wú)序，以及出波紋管的速度矢量較少，體現(xiàn)了波紋管減緩流速的作用。

圖1 加油速度50 L/min時(shí)加油主管內(nèi)部的速度矢量圖

雖然波紋管有一定的阻流作用，但由于加油管內(nèi)部油液的重力勢(shì)能及已經(jīng)加油速度產(chǎn)生的動(dòng)能足以克服阻力作用，所以加油管內(nèi)的流體流動(dòng)比較順暢，未出現(xiàn)明顯反噴現(xiàn)象，圖2為加油主管內(nèi)部的壓力云圖。

圖2 加油速度50 L/min時(shí)加油主管內(nèi)部的壓力云圖

加油管除了順暢性要求外，國(guó)六法規(guī)實(shí)施以來(lái)，另外一個(gè)重要的性能要求是加油排放限值低，所以在50 L/min的流速下，在第一拐角上附近設(shè)個(gè)截面，可以觀察出加油管內(nèi)部的汽液的體積分?jǐn)?shù)可達(dá)到80%以上，形成液封。由于有幾個(gè)拐角的存在，使油管的流線復(fù)雜，降低了汽油在管內(nèi)的流速，有利于液封的形成。加油主管的汽油體積分?jǐn)?shù)云圖如圖3所示。

3.2 液封性能仿真

自從國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)發(fā)布后，ORVR系統(tǒng)的要求在加油管某處完全充滿汽油以形成液封來(lái)減少加油排放限值以滿足法規(guī)要求。法規(guī)要求的加油速度是38 L/min（約為2 m/s），因此我們針對(duì) 38 L/min的流速進(jìn)行液封的流體流動(dòng)分析，分別在截面、、觀察該處不同時(shí)刻的體積分?jǐn)?shù)。

從圖4可以看出，由于截面出的管徑較小，形成液封效果良好，但在、截面處，在1.5 s形成的液封效果最好，這是因?yàn)槠驮诩佑凸苤谐霈F(xiàn)的噴濺、碰撞、旋流等復(fù)雜的流動(dòng)所形成的。因此初步根據(jù)流體仿真，該加油管能滿足ORVR要求，具體加油排放值多少還要通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖4 38 L/min的A/B/C液封體積分?jǐn)?shù)圖

4 加油管的試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 加油順暢性驗(yàn)證

基于ANSYS Fluent 仿真結(jié)果可以讓設(shè)計(jì)方案不斷迭代優(yōu)化，但最終的設(shè)計(jì)方案是否能符合要求得通過(guò)試驗(yàn)確認(rèn)。為此我們根據(jù)設(shè)計(jì)方案完成了試驗(yàn)樣件制作，并對(duì)樣件進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，如圖5所示。試驗(yàn)過(guò)程中使用的油箱額定容積為50 L，且在油箱內(nèi)預(yù)加了5 L油，加油機(jī)器的數(shù)據(jù)采樣頻率為2.5 Hz，國(guó)六的試驗(yàn)油蒸汽壓為62 kPa。

圖5 加油管的試驗(yàn)臺(tái)架圖

選用了市面上常見(jiàn)的市場(chǎng)占用率最高的6種加油槍型：OPW11AP、OPW12VW、ZVA 1.0R、ZVA2GR、AILE、MAIDE，放在加油臺(tái)架上分別以50 L/min和45 L/min，在不同的插槍角度（假設(shè)垂直地面的角度為0°）、不同環(huán)境溫度（常溫23 ℃和高溫70 ℃）下進(jìn)行加油試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 加油管順暢性性能試驗(yàn)

序號(hào)加油槍流速/(L/Min)角度/(°)溫度/℃試驗(yàn)結(jié)果 1OPW12VW45±200±402370合格 2OPW11AP50 3ZVR1.050 4ZVR2.0GR45 5AILE45 6MAIDE45

注：表中角度、溫度值橫向未對(duì)齊，表示所有的槍都按±20 °、0 °、±40 °，在常溫23 ℃和高溫70 ℃下實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)壓力傳感器、加油機(jī)里的流速、加油量記錄的數(shù)據(jù)，可以得出每次加油時(shí)三者之間的關(guān)系曲線。如圖6—圖11所示，6種槍型，加油速度45～50 L/min的加油曲線，從曲線上看，加油時(shí)5 s左右油箱內(nèi)壓力達(dá)到平衡，50～64 s時(shí)首次跳槍，此時(shí)油箱內(nèi)加入了大約45 L的油液，加油過(guò)程中未出現(xiàn)飛濺、反噴、提前跳槍問(wèn)題，加油管的順暢性能滿足要求。

圖6 OPW 12 VW加油槍的加油試驗(yàn)

圖7 ZVA2.0GR 0 °加油槍的加油試驗(yàn)

圖8 AILE加油槍的加油試驗(yàn)

圖9 OPW 11AP加油槍的加油試驗(yàn)

圖10 MAIDE加油槍的加油試驗(yàn)

圖11 ZVA 1.0R加油槍的加油試驗(yàn)

4.2 加油排放值測(cè)試

加油排放是表征加油時(shí)從加油管頭部散發(fā)到空氣中汽油值的多少，這個(gè)試驗(yàn)除了考核加油管，還可以考核到整個(gè)燃油系統(tǒng)。但當(dāng)前文加油順暢性符合要求時(shí)，該性能主要就與加油管有關(guān)。為了測(cè)試燃油系統(tǒng)的加油排放值，整套臺(tái)架需運(yùn)用密閉室法（Sealed Housing for Evaporative Deter- mination, SHED）進(jìn)行測(cè)試。使用加油槍OPW11、在加油時(shí)油溫20 ℃時(shí)以加油速度37 L/min加油，試驗(yàn)測(cè)得前后環(huán)境排放量差值，加油量及炭罐前后增重的重量，可以得出加油排放量為3.5 mg/L，低于整車分配給加油管[2]的限值15 mg/L，符合國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的限值50 mg/L要求。

4.3 加油管滲透排放值測(cè)試

加油管的滲透排放值是衡量加油管的材料在整車行駛過(guò)程或者放置期間對(duì)于加油管內(nèi)部汽油阻隔作用的一個(gè)重要指標(biāo)，整車分配給加油管的限值一般不超過(guò)15 mg/day，這樣分配有利于整套燃油系統(tǒng)滿足法規(guī)限值。因此，需要測(cè)試多層塑料加油管滲透排放的具體值。將加油主管內(nèi)預(yù)加入1.6 L的試驗(yàn)用油，放入40 ℃的環(huán)境艙老化20周后取出來(lái)，放到SHED室進(jìn)行24小時(shí)的滲透排放測(cè)試，結(jié)果為7 mg/day，低于限值15 mg/day，符合國(guó)六法規(guī)和內(nèi)部企標(biāo)的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

文章基于整車布置空間設(shè)計(jì)了一款加油管，選取了輕量化材料多層波紋管作為加油主管。通過(guò)ANSYS Fluent 建立了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Com- putational Fluid Dynamics, CFD）仿真模型，對(duì)加油管加油時(shí)的流體流動(dòng)進(jìn)行仿真，并制作臺(tái)架和樣件，使用不同的加油槍進(jìn)行加油順暢性試驗(yàn)，最后根據(jù)國(guó)六法規(guī)（GB18352—2016）進(jìn)行加油排放和滲透排放試驗(yàn)。得出以下結(jié)論：

1）使用輕量化的多層塑料波紋管材料的加油管能減重28%；

2）加油管拐角的能波紋段減緩內(nèi)部流動(dòng)，增加了流動(dòng)阻力；

3）以多層波紋管為主管的加油管加油順暢性良好，不會(huì)出現(xiàn)飛濺、反噴和提前跳槍問(wèn)題；

4）該加油管的滲透排放值7 mg/day，加油排放值為3.5 mg/L，低于整車的分配限值，符合法規(guī)要求。

[1] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)部國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)[S].北京:中國(guó)環(huán)境出版社, 2016.

[2] 袁衛(wèi).國(guó)Ⅵ整體控制系統(tǒng)的蒸發(fā)和加油排放研究[J].上海汽車,2019(11):44-48.

[3] 秦昊,周維,王雷,等.基于國(guó)六法規(guī)的燃油系統(tǒng)蒸發(fā)排放解決方案[J].汽車實(shí)用技術(shù),2018,43(10):56-58.

[4] HAWLEY J G, BRACE C J,COX A,et al.Influence of Timealignment on the Calculation of Mass Emissions on a Chassis Rolls Dynamometer[C]//SAE World Congress,Washington:SAE,2004:1.

[5] 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)),2014,28(2):16- 21.

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[7] 湯水清,陳家慶,劉美麗,等.ORVR系統(tǒng)加油管液封性能數(shù)值模擬[J].汽車工程學(xué)報(bào),2016,6(3):187-195.

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[9] 孫佳悅.聚偏二氟乙烯(PVDF)在石化工業(yè)中的應(yīng)用[C]//2015中國(guó)腐蝕控制技術(shù)暨油氣管道檢測(cè)技術(shù)交流會(huì).北京:中國(guó)工業(yè)防腐蝕協(xié)會(huì),2015:54-60.

Simulation Verification and Lightweight Design of Automotive Refueling Pipes

LIN Guofa, YUAN Wei

( SAIC R&D Innovation Headquarters, Shanghai 201800, China )

A lightweight multi-layer plastic fuel filler pipe is designed which meets China VI regulation.The overall weight of the fuel filler pipe is reduced 28 % by carrying out the lightweight material selection. Based on the existing production line, the extrusion of multi-layer bellows is realized by adding corrugated adsorption mold. Based on ANSYS Fluent, the computational fluid dynamics(CFD) simulation model of the fuel pipe is established, and the fluid flow analysis of the fuel pipe is carry out. The results show that the bellows can slow down the internal fluid flow and facilitate the formation of liquid seal. The refueling test bench is established, and the refueling test and ORVR test of common refueling guns are carried out. The test results show that the performance of the fuel pipe is good, and there will be no splash, reverse spray and early jump gun problems during refueling. The evaporated emission value is 7 mg/day, the refueling emission result is 3.5 mg /L, which meet design requirements.

Automotive refueling pipes;Lightweight;CFD simulation;Liquid sealing;China VI regulation;Bellows;Refueling performance

U465

A

1671-7988(2023)12-108-06

林國(guó)發(fā)（1982－），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)槠嚾加拖到y(tǒng)和儲(chǔ)氫系統(tǒng)，E-mail:94072408@qq.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.012.021