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 carbon canister排放标准炭罐有效容积/mL炭粉配方炭粉质量/g炭粉比表面积BET/(m2g1)装填密度/(gmL1)理论丁烷工作容量/(g102mL1)国阶段850WV C11003151 0900.3716.80国阶段2 412BAX1500/BAX11008051 1050.3336.22注:炭粉配方中，WV C、BAX 为产品序号，其中 WV C 一般指颗粒状炭粉，BAX 指柱状炭粉，1100/1500 代表理论丁烷工作能力为 11/15(g/100 mL)，其中 BAX1500/BAX1100 代表该炭罐为两种炭粉组合装填。xi=xi1+(xi1 xi2)(3)2)滤波滤除 20 Hz 以上的高频信号。实际采集过程中由于车身振动等原因，陀螺仪将采集到高频噪音信号，巴特沃兹低通滤波(式(4)21 具有通带内最大平坦的振幅特性，为保证设备的复现精度，利用二阶巴特沃兹滤波器滤除高频数据。H(u，v)=11+D(u，v)/D02n(4)式中D0为截止频率，取 50 Hz;D(u，v)为从点(u，v)到频域原点的距离;n 表示阶数，取 2。3)数据积分获得台架各向位移参数。依据式(5)对 X、Y、Z 三向加速度数据进行二次积分，计算六自由度台架各向位移参数。Si=100(aidt)dt(5)式中Si为方向位移，mm;ai为方向加速度，m/s2;i代表 X、Y、Z 方向。4)根据台架运动量程将航向角度等比例压缩至0 15，换算公式为i=i15max()min(6)式中i为角度数据，();max、min分别为路谱转向角度数据的最大值、最小值，()。1.2炭罐浸油模拟试验选取符合国与国排放标准的相同生产批次方体炭罐各 3 个，炭罐容积、炭粉配方和理论丁烷工作容量等性能参数见表 4。利用氮气对炭罐进行脱附后向吸附口梯度注入基准油，每次注油完成后均使用 25 L/min 的压缩空气对炭罐进行脱附，至炭罐质量保持稳定。按照 GB/T 204492006活性炭丁烷工作容量测试方法22 进行炭罐的实际吸附容量测定，每10 s 记录1 次炭罐质量，得到不同程度动态漏油发生后炭罐的吸附容量变化。2试验结果探讨2.1燃油系统油液泄漏量分析燃油系统根据油箱形状、加载路谱等条件不同，14012023 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油液泄漏量表现具有明显差异(图 5)。L 形、长条形、长方形燃油系统在单次路谱加载过程中均出现明显的油液泄漏情况，最大可达到 140 mL;马鞍形、扁平形燃油系统防油液泄漏能力较好，泄漏量均少于 5 mL。图 5国燃油系统油液泄漏量表现Fig 5Performance of China 6 fuel system fuel leakage图 6 和 7 展示了试验全过程燃油系统内部压力及通气流量的分布情况，可根据色块颜色深浅在左侧柱状图例中对应出单次试验压力/流量在此色块横坐标所示数值的百分比，色块颜色越深，分布越集中。试验燃油系统内部压力集中处于 0 6 kPa 正常工作范围(图 6)，其中马鞍形、扁平形燃油系统出现憋压情况，内部压力大于 10 kPa 的油箱内压理论设计上限，最大可达 20 kPa，油箱存在发生形变及产生裂隙的隐患。试验燃油系统通气流量集中处于18 25 L/min(图 7)，马鞍形、扁平形燃油系统的通气流量在 2 8 L/min 的低值区间内分布比例显著高于其余 3 种燃油系统，表明其更易发生动态通气不畅的情况，原因可能是这两种燃油系统存在通气阀预设开启压力过大或油箱内部导流设计缺陷，在动态条件下与外界不能有效进行气体交换，油箱内部形成封闭环境，避免了燃油系统漏油情况的发生。根据 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，油液在车辆正常行驶条件下不应从通气阀流出，但试验选取的燃油系统在道路模拟试验中均出现不同程度的油液泄漏，表明国阶段部分燃油系统存在不能有效规避动态油液泄漏的隐性设计缺陷，建议相关标准中新增基于实际驾驶情境的型式试验，确保燃油系统通气阀及导流系统有效预防油液动态泄漏。2.2炭罐注油后吸附容量变化分析图 8 和 9 展示了两种排放阶段下的梯度注油炭罐在丁烷工作能力测试中的增重表现，在初始阶段，炭罐吸附丁烷混合气，质量缓慢增加，当炭罐通大气口处的逃逸丁烷气累计 2 g 时，设备启动脱附程序，炭罐吸附的丁烷被空气脱附，质量迅速降低，吸附时图 6不同路谱加载下的燃油系统内部压力分布情况Fig 6Performance of internal pressure distribution of fuelsystem under different road spectrum图 7不同路谱加载下的燃油系统通气流量分布情况Fig 7Performance of distribution of fuel system ventilationflow under different road spectrum2401Vol 23No4安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 4 期间与脱附时间的比例在 2 1 4 1，国炭罐吸附容量约为国炭罐的 3 倍。炭罐注油量与其有效吸附容量呈负相关，国炭罐在注油 750 mL 时，吸附容量由 145 g 下降至 80g。图 10 展示了炭罐的有效吸附容量占比(%)随注油量累计的变化。在计算过程中，以炭罐的原始吸附容量为基准，定义每次注油后的实测吸附容量与其比例为有效吸附容量占比(%)。国炭罐有效吸附容量占比(%)注油量线性拟合公式为 y=0.048x+100，2=0.9839;国炭罐有效吸附容量占比(%)注油量线性拟合公式为 y=0.062x+100，2=0.8129。2均大于 0.8，斜率为负，表明炭罐有效吸附容量与注油量有较强负相关关系。根据拟合方程，L 形燃油系统在南山路谱单次加载条件下的 140 mL 漏油量可以造成炭罐 8%左右的吸附图 8国排放标准炭罐注油试验质量变化Fig 8Change of fuel injection test quality of China5 standard carbon canister图 9国排放标准炭罐浸油试验质量变化Fig 9Change of fuel immersion test quality ofChina 6 standard carbon canister容量损失，将影响机动车的蒸发排放控制能力。国炭罐有效吸附容量占比(%)注油量线性拟合公式斜率大于国炭罐，表明试验选取的国炭罐吸附容量衰减速度快于国炭罐。炭粉比表面积是指单位质量的炭粉所具有的内外表面积之和，与炭粉吸附性能成正比，根据表 4 可知两种炭粉比表面积差异不大，吸附性能近似，但绝大部分国炭罐为通过 LY/T 28642017燃油蒸发排放控制炭罐用颗粒活性炭23 标准，与国炭罐仅填充颗粒碳不同，一般采用柱状炭组合装填，在炭罐吸附口附近优先填充 200 300 mL BAX1100 炭粉，剩余空间填充 BAX1500 炭粉，在保证炭罐吸附性能的同时提升了通气与耐振动水平。根据表 4，国炭罐装填密度较小，紧实度弱于国炭罐，油液在注入及脱附过程中更易渗透，导致炭粉浸油面积较大，造成吸附容量衰减速度较快。由于目前市场上炭罐用炭粉为美德维实伟克(MeadWestvac)公司垄断，炭罐以方体结构为主24，因此试验炭罐各项性能指标具有较好的代表性，结论有一定可信度。建议国炭罐强制加装气液分离器等装置预防泄漏油液进入，减少炭罐过早失效导致的蒸发排放污染。图 10炭罐注油后有效吸附容量占比变化Fig 10Change of effective adsorption capacity ratio ofcarbon canister after fuel injection3结论本文利用实测姿态路谱在六自由度台架上探究了 5 种类型燃油系统的油液泄漏水平，并测试了炭罐在梯度注油后的吸附容量变化，主要结论如下。1)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，建议标准中新增基于实际驾驶情境的型式试验，确保燃油系统通气阀及导流系统有效预防油液动态泄漏。2)国、国排放阶段的炭罐有效吸附容量与34012023 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注油量呈负相关，炭罐吸附容量减小将造成更多的蒸发排放污染，国排放阶段的炭罐在进油后的有效吸附容量衰减速度可能快于国阶段，建议国炭罐强制加装气液分离器等装置预防泄漏油液进入，减少炭罐过早失效导致的蒸发排放污染。参考文献(eferences):1 翁益明 汽车燃油系统通气阀门研究D 上海:上海交通大学，2016.WENG Y M Study on the valve of vehicle fuel system D Shanghai:Shanghai Jiao Tong University，2016.2 张恩慧 不同工况下汽车燃油箱中油液晃动特性及其控制研究 D 镇江:江苏大学，2020.ZHANG E H The 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Attitude Heading road spectrum was acquired by avehicle-mounted gyroscope in five scenarios:urban commuterdriving，urban and rural transportation driving，long-distancehighway driving，extreme terrain driving，and scenic sectiondrivingThe outliers of Attitude Heading road-spectrumcaused by gyroscope and high-frequency vibration of the vehiclebodyduringacquisitionwereeliminatedbyusingsignalprocessing methods such as Pauta criterion and Butterworth band-pass filter Then，the Attitude Heading road spectrum wasloaded into a 6-Dof platform and the fuel leakage performance offive types of fuel systems in the China 6 stage under dynamicconditions was studied Lastly，according to the test method forbutane work capacity of carbon canister，the adsorption capacitychanges of carbon canisters with China 6 stage and China 5 stageafter fuel leakage were studied Studies have shown that:(1)some fuel systems in the China 6 stage have invisible designdefects that cannot effectively prevent dynamic fuel leakageDuring the loading process of a single Attitude Heading roadspectrum，fuel ranging from 0 to 140 mL is leaked，and the testmethod for fuel system quality needs to be perfected(2)Theadsorption capacity of the carbon cani