实测路谱加载条件下的燃油系统动态泄漏性研究_毛洪钧.pdf

文章编号:1009-6094(2023)04-1038-08实测路谱加载条件下的燃油系统动态泄漏性研究*毛洪钧1，宋鹏飞1，陈强2，彭剑飞1，孙露娜1，李菁元2(1 南开大学环境科学与工程学院，天津市城市交通污染防治研究重点实验室，天津 300071;2 中汽研汽车检验中心(天津)有限公司，天津 300300)摘要:车辆燃油系统的动态油液泄漏将严重影响行驶安全与蒸发排放控制水平。基于实测姿态路谱在六自由度台架上探究了国阶段 5 种类型燃油系统的动态油液泄漏表现，按照炭罐丁烷工作容量测试标准研究了国与国阶段两种排放标准的炭罐在油液泄漏发生后的有效吸附容量变化。结果表明:国阶段部分燃油系统存在不能有效防止动态油液泄漏的隐性设计缺陷，在单次路谱的加载过程中泄漏 0 140 mL 不等的油液;炭罐的有效吸附容量与进油量呈负相关，国阶段炭罐的有效吸附容量衰减速度可能快于国标准。建立的测试方案和实测姿态路谱数据将完善燃油系统耐久性测试体系，基于油液泄漏量的炭罐有效吸附容量模型将提升在用车蒸发排放量的核算精度。关键词:安全工程;燃油系统;燃油泄漏;蒸发排放;路谱;炭罐中图分类号:X951文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2021.1949*收稿日期:2021 12 29作者简介:毛洪钧，教授，博士，从事城市交通污染防治研究，hongjunm nankai edu cn。基金项目:国家自然科学基金项目(42177084);天津市科技支撑重点项目(20YFZCSN01000);中央高校基本科研业务费项目(63211075);天津市科技计划项目(18PTZWHZ00120)0引言动态油液泄漏性属于燃油系统耐久性指标之一，是指车辆在极端路况或激烈驾驶情景下，油液不会由油箱压力补偿装置，一般指加油限量阀、重力阀两种通气阀流出，油箱内压保持在安全范围。燃油系统为满足通气性要求设计为开放式结构，通过炭罐与环境保持连通，见图 1。加油限量阀与重力阀根据内置浮子的受力变化实现开闭，如图 2 所示，当油箱内压大于阀门预设开启压力后，浮子打开，油气排出并被炭罐中的活性炭吸附，以减轻车辆的蒸发排放污染。油液在动态条件下可能通过开启的阀门泄漏进入炭罐，导致油箱供油或加注异常、炭罐浸油、箱体裂隙等问题1 4，对燃油系统整体的通气性能造成影响。因此，有必要对燃油系统动态油液泄漏的现状与影响进行研究。图 1国燃油系统示意图Fig 1Schematic diagram of fuel system of China 6F1为浮子 1 受到的液面浮力，N;F2为油箱顶空压力，N;F3为浮子 2受到的弹簧弹力，N;G1、G2分别为浮子 1、2 的重力，N;G1 1和 G1 2分别为浮子 1 重力的水平和竖直分力，N;G2 1和 G2 2分别为浮子2 重力的水平和竖直分力，N;图中 F3+F2 G2 2，F1+F2 G1 2，浮子所受合力向下，泄压通路打开，油液在车身晃动的作用下外漏。图 2某动态漏油时刻通气阀受力分析Fig 2Force analysis of ventilation valve at thetime of dynamic fuel leakage国外，1967 年，Wade5 首次研究了燃油系统在不同温度、油品下的通气阀开闭响应与油气排放量。1998 年，George 等6 开发的整车燃油系统模型可仿真不同工况下油箱、油泵、通气阀等关键部件的工作状态，在产品开发阶段可提升装置的设计稳定性，为后续燃油系统仿真模型发展奠定了基础。大众、通用等厂商依托先进的工况试验与设备研发能力，已开发出应用于燃油系统动态油液泄漏验证的室内级别8301第 23 卷第 4 期2023 年 4 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 4Apr，2023道路模拟试验。在此基础上，2014 年，Darby 等 7 8 建立的测试方案精确取得了不同工况、装配下美国市面主流通气阀的瞬态开闭响应数据，推动了燃油系统整体的动态通气稳定性能发展。国外对高端燃油系统及通气阀的研究开始较早，并已成熟利用道路模拟系统在燃油系统设计开发阶段进行油液动态泄漏验证，在用车辆油液动态泄漏水平较低，我国在相应研究上与国外差距较大1，9。国内，2016 年，翁益明1 设计了一种可在动态条件下兼顾通气与防油液泄漏的燃油系统，并首次尝试利用六自由度台架加载美国南山姿态路谱进行了晃动验证试验，为国内相关研究奠定了基础。苏进辉等10 对油箱动态油液泄漏进行分析，基于设计应用经验对规避方案进行了综述。张恩慧2 利用流体体积(Volume of Fluid，VOF)法建立三维有限元充液模型，探索了油箱在不同工况下的油液晃动特点、顶空压力分布等。GB 182962019汽车燃油箱及其安装的安全性能要求和试验方法11 规定燃油系统油液在车辆正常行驶条件下不应从通气阀泄漏，但缺失基于实际驾驶情景的动态型式试验要求，仅在静态翻转试验中规定油箱盖油液泄漏量不应超过30 g/min。GB 18352.62016轻型汽车排放污染物限值及测量方法(中国第六阶段)12 的型试验对车辆的蒸发排放量限值大幅度减小，要求车辆在两昼夜的密闭环境中，油气蒸发量不能超过 0.7 g，对炭罐的吸附容量及工作稳定性提出了更高要求。在国内相关标准的管控下，国内厂商在部分燃油系统上设计了简单的动态油液泄漏规避装置，以避免炭罐进油，影响车辆的蒸发排放控制能力。气液分离器可暂存泄漏油液、辅助调节油箱压力，成本较低，是预防燃油系统动态油液泄漏的常见装置，一般安置在炭罐口或油箱通气阀附近，但存在布置困难和二次泄漏等缺点，同时由于容积相对较小，无法有效控制大量油液的泄漏13 15。其他如电控通气阀和组合式通气阀、减振油箱、集成炭罐等新型规避装置囿于改造成本过高和技术不成熟的现状，实际应用不多。综合来看，动态油液泄漏造成的隐患未引起有效重视，相关标准缺失对应型式试验方案，泄漏油量与炭罐实际吸附容量的关系难以定量，也阻碍在用车蒸发排放污染准确表征。因此，建立燃油系统动态油液泄漏测试方案，对燃油系统成品或关键部件进行防泄漏能力验证试验，是保障行车安全、提升在用车蒸发排放污染表征精度的必要手段。本文基于实测姿态路谱在六自由度台架上探索国标准不同类型燃油系统的动态油液泄漏表现，并对梯度注油后的炭罐进行丁烷工作容量测试(Butane Working Capacity，BWC)，构建基于油液泄漏量的炭罐吸附容量模型，探索燃油系统动态油液泄漏的影响。1研究方法1.1道路模拟试验燃油系统油液泄漏表现与车辆行驶工况、地形、燃油系统类型紧密相关，实车路测地形条件要求高、重复性差，因此选取道路模拟试验作为研究方法。道路模拟试验基本流程包括工况位置选取、实车测试、原始道路激励信号获取及处理、室内道路模拟试验、分析评价五大步骤16。1.1.1燃油系统动态油液泄漏验证试验本文采用图 3 所示的道路模拟试验系统，开展燃油系统的动态油液泄漏研究。图 3燃油系统道路模拟试验示意图Fig 3Schematic diagram of road simulationexperiment of fuel system六自由度台架属于轴耦合道路模拟器，可实现研究对象在空间坐标轴 X、Y、Z 三个方向上的高频平移和转动，广泛应用在机动车部件疲劳耐久17、操纵平顺性、晕动病研究18 中，可较好复现燃油系93012023 年 4 月毛洪钧，等:实测路谱加载条件下的燃油系统动态泄漏性研究Apr，2023统随整车在复杂路况上的急转、爬升等大姿态位移情景。选取表 1 所示的燃油系统作为研究对象，进行道路模拟试验。测试步骤如下:1)搭建道路模拟试验系统，对燃油系统加注基准油至跳枪;2)对试验燃油系统充装氮气进行密封性及通气性检验;3)加载路谱，同步采集压力数据与流量数据，记录油液泄漏量。表 1试验燃油系统示意图及通气阀布置情况Table 1Schematic diagram of experimental fuel systemand arrangement of ventilation valve类型示意图通气阀长条形顶部 3马鞍形鞍桥 1L 形顶部 1扁平形顶部 1长方形顶部中心 1(集成阀)注:燃油系统示意图中，小圈为通气阀所处位置，大圈为油泵所处位置。表 2路谱采集路段特征Table 2Characteristics of road sections collected by road spectrum路谱名称模拟情景长度/km地貌转向频率/(个km1)海拔/m落差/m纵坡分布/%道路铺装9%9%等级路面重庆歌乐山段重庆堰塘湾段重庆峡口镇段城市通勤3.44.68.8丘陵21.8240 51027026.373.7三沥青7.4205 52532038.961.1三沥青8.5200 53033059.340.7四沥青海南五指山国道长途高速23山地5.5215 75053591.58.5二沥青云南宜良十八拐极端地形道路6.6高原25.41 571 2 08050941.558.5四沥青安徽黄山环山景区路段12平原4.580 19011044.555.5三沥青北京红井路城乡短距运输14山地10.4240 73049062.737.3四沥青1.1.2姿态路谱采集与处理国外成熟姿态路谱如美国南山路谱、西班牙特内里费岛路谱等多处于保密状态，中国地势西高东低，呈阶梯状分布，山地、丘陵、高原等地貌约占国土面积的 2/3，地形崎岖程度与国外差异较大，需采集基于国内实际地形变化的姿态路谱19。选取表 2中城市通勤、长途高速、极端地形、景区路段、城乡运输 5 个情景中较可能发生燃油系统动态泄漏的路段，按图 4 方向标定使用陀螺仪记录车辆在既定路段行驶过程中六自由度变化数据，采集频率为 100Hz，每路段采集 5 次，选取连续性最平稳的一次作为试验路谱20。陀螺仪采集的原始路谱数据格式如表 3 所示，每个自由度由一组基于时域变化的加速度数据组成。陀螺仪在数据采集过程中易受环境干扰产生误差，按下述步骤进行编译处理以去除异常数据，并对加速度数据进行积分以计算六自由度台架的各向位移参数。1)剔除信号异常点。采用莱茵达准则17 进行异常值剔除，基本原理图 4陀螺仪采集方向标定Fig 4Calibration of gyroscope acquisition direction0401Vol 23No4安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 4 期为计算各自由度路谱数据 x1，x2，x3，xn的平均值与标准差。x=1nni=1xi(1)=1nni=1(xi x)槡2(2)当xi x 3 时，判定该点为正常点，反之为异常点，进行删除，该点位新值 xi通过前两点值进行外推替代，即表 3原始姿态路谱部分数据Table 3Partial data of original Attitude Heading road-spectrum时间/s各向加速度变化各向角度变化X 向加速度/(ms2)Y 向加速度/(ms2)Z 向加速度/(ms2)俯仰角度/()横滚角度/()航向角度/()0.010.034 5460.031 0060.011 4142.263 1841.779 7901.636 9630.020.034 5460.031 0060.011 4142.263 1841.779 7901.636 9630.030.043 7620.030 3960.013 9162.263 1841.779 7901.636 9630.040.039 1240.030 2120.013 3062.263 1841.779 7901.636 9630.050.039 1240.030 2120.013 3062.263 1841.779 7901.636 963表 4试验炭罐性能参数Table 4Properties of the experimental ca