国六整车工厂下线后加油跳枪的问题研究

李晓明　黄波　罗张祥　肖垂元

摘要：为满足国六标准的严格要求，燃油系统的设计出现了颠覆性变化，加油过程中产生的汽油蒸气不允许排向大气，需经炭罐吸附后再将清洁的空气排向大气。本文主要研究如何解决整车从工厂下线后，首次加注燃油时产生的频繁提前跳枪问题。

关键词：汽油加注;提前跳枪

中图分类号：U464.1

文献标识码：A

0 引言

2016年，中国环境保护部正式发布《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》标准，该标准增加了加油污染物排放限值要求。为满足要求，燃油系统的设计既要保证加注过程顺畅，又要使得汽油蒸气在加注过程中被炭罐充分吸收，此种情况极易导致加油过程中出现加油枪提前跳枪。本文主要研究国六整车从工厂下线后，加注汽油时产生的提前跳枪问题，并给出可行的解决方案以及类似问题的排查思路。

1 加油跳枪原理

如图1所示，加油时，油枪主阀开启，带压油液进入枪体内主、副阀间的空腔，并克服副阀弹力推开副阀，经油枪嘴排出。油液经过副阀时，由于液流的空吸作用，使开关膜上腔压力降低。但因开关膜上腔通过转接套斜孔、进气管和油枪嘴前端进气嘴与外界相通，外界空气不断补充到开关膜上腔，开关膜上腔仍与下腔压力保持一致，开关膜处于平衡位置。当油液淹没进气嘴时，开关膜上腔与外界大气隔绝形成负压，而开关膜下腔仍保持大气压，致使开关膜上、下腔间形成压力差。当压力差增大到一定值时，开关膜向上拱起并使与之固定的自封杆向上移动，钢球被挤落到自控杆孔内。自控杆在开关把的拉力作用下向下移动，主阀顶杆因开关把支点下移而向下移动，主阀关闭，供油停止，形成跳枪。

2 燃油系统差异

表1所示为零部件造成提前跳枪可能的影响因素。如油箱总成，当加油过程中有大流量气流通过时，国五系统的直通排气接头存在排气不及时导致的阀体关闭，而国六的加油限量阀也可能会出现此种情况。再加炭罐，国五系统加油时产生的燃油蒸气不经过炭罐，主要经由加油管头部的通气孔排到大气中[1]，而国六加油产生的燃油蒸气经过炭罐（图2），炭罐阻力会影响加油性能。

3 国六整车工厂下线后燃油加注过程中遇到的问题

通常，工厂下线燃油加注流速在30～40L/min，国五车型未出现首次下线加注汽油异常跳枪的问题。国六整车燃油系统因其特殊特性，在首次下线加注时会出现频繁提前跳枪的现象。下文详述了解决此问题的排查思路，并给出了解决办法。

4 首次加注燃油时频繁提前跳枪原因

根据前述燃油系统加注的原理分析，造成此问题的原因可能是加油管结构、系统阻力、燃油箱、油品或加油枪差异（插枪深度、角度及流速等）。经检查确认，油品和加油枪的影响因素可以排除，重点分析其他几个影响因素。

4.1 加油管排查

对加油管头部进行解剖分析（图3），加油枪插枪状态符合设计定义，可以排除此因素影响。

4.2 燃油系统通气阻力排查

搭建燃油系统台架，检查系统通气性。经实测，燃油系统密封性正常，通气性正常。再排查整个排气通道的其他零部件，如表2所示。

经过调查，整个排气通道未发现异常。给出现提前跳枪现象的整车重新加油，故障未出现;将此车燃油系统整体拆下做台架加油，故障未出现。

4.3 监测异常跳枪时油箱压力变化

通过上述排查发现，车辆经过使用后在第二次及后续的汽油加注过程中，未再出现加油跳枪的情况。接下来对新油箱（未经过汽油加注）和老油箱（经过汽油加注）在加注过程中的压力变化进行监测（图4）。新油箱在首次加注汽油的瞬间，油箱内压力急剧升高，接近加满油正常跳枪时油箱内的压力。这很可能是造成工厂下线首次燃油加注频繁提前跳枪的根本原因。为验证此推断，进行反复的对比试验（表3）。

从上表可以看出，新油箱在首次加注汽油时，油箱压力普遍出现急剧升高的情况，接近正常跳枪时油箱内的压力。选取有代表性的压力曲线如图5[2]（新油箱1）、图6[3]（老油箱3）所示。

综上，在相同的加注流速度（38L/min）下，新、老油箱在加注起始时，油箱内产生的压力差异在1.5kPa以上。接下来，需要研究为何会产生这样的差异。假设油箱为一个微型储油罐，加油前油箱内有残余燃油，即可认为油箱内达到了气液相平衡状态，油气与空气传质为自然扩散传质。加油前，油箱内油气摩尔分数分布均匀。根据非稳态油品蒸发数学模型，参考公式（1）。

式中：V'为加油过程中油品蒸发总体积，单位为m3;U1为油箱内液面上升速率，单位为m/s;D为油气与空气的扩散系数，单位为m2/s;t为计算时间，单位为s;λ为通过加油限量阀排出的油气和空气混合气总体积与加油总体积比。

由公式（1）可知，λ>1，即通过加油限量阀排出的油汽和空气混合气的总体积大于加油总体积。通常，λ只能通过试验或生产实际来估算，油箱初始油气浓度越低，燃油挥发越剧烈，λ也就越大。加注过程中，油箱内的压力与加油速率、油箱Z向截面积的变化程度以及燃油温度相关。

对于老油箱来说，再次加注燃油之前，油箱内部空间是饱和的燃油蒸气，已近似达到气液相平衡。对于新油箱，在加注之前内部是清洁的空气，在燃油首次进入油箱的瞬间，为了维持气液相平衡，燃油蒸气分子急剧扩散，产生大量油气混合物，并在极短时间内经加油限量阀排出。此时经过加油限量阀孔的气体流量过大，导致其短时间内阀体关闭，造成油箱内压力急剧升高，引起提前跳枪。

5 解决方案

通过以上分析，解决此问题有以下2种思路：第一，尽可能增大加油限量阀额定流量，但需要综合考虑其动态泄漏量等因素的影响;第二，降低首次加注速率，减小油汽分子在首次进入新油箱时的扩散速度，进而降低首次加油时油箱内的压力。也可通過降低油温的方法来减缓油汽分子在油箱内的扩散速度，但是会增加额外投资成本，从实际应用出发不建议采用。图7所示为新油箱在不同加油流速下，油箱内部压力曲线。从图中可以看出，降低整车下线首次燃油加注流速后，新油箱内的压力远小于正常跳枪压力，加注过程正常。

6 结束语

新油箱经过工厂下线首次燃油加注后，第二次及后续加注，过程正常。通过降低加注速率可以解决国六整车工厂下线首次加注频繁提前跳枪的问题，同时本文对此问题的研究也可为类似问题的解决提供排查思路。

【参考文献】

[1]何仁，韦海燕，梁琳林，等.汽油车油箱加油蒸发排放的数值分析[J].江苏大学，广西大学，1671-7775（2011）03-0277-04.

[2]黄维秋，钟秦.非稳态油品蒸发的数值分析I[J].数学模型的建立，石油学报（石油加工），1001-8719（2003）06-0058-06，2003-12，19（6）.

[3]黄维秋，钟秦.非稳态油品蒸发的数值分析II[J].数值分析及应用实例，石油学报（石油加工），1001-8719（2004）01-0052-06，2004-02，20（1）.