插电混合动力汽车的油箱布置与隔热研究

袁卫　张启迪　胡江河

摘 要：文章对标分析了国内外多款插电混合动力汽车油箱在车身下方的布置位置，总结出三种典型的油箱布置形式。针对油箱布置在车身后座椅下方（排气管位于油箱前、侧面）和底盘后桥附近（排气管位于油箱下面）两种布置形式的插电混合动力汽车，进行了整车高温转鼓试验及夏季高温道路试验，对比分析了车辆运行过程中排气管热辐射对油箱本体及内部油温的影响。此外，针对一款油箱布置在后座椅下方（排气管位于油箱前、侧面）的插电混合动力汽车，采用两种不同形式的油箱隔热板布置方案，在大型风洞试验室进行了高温转鼓试验，对比分析了车辆运行过程中排气管热辐射对油箱本体及内部油温的影响。这些研究为插电混合动力汽车油箱及其隔热板的布置形式提供了设计指导。关键词：插电混合动力汽车;油箱;隔热板;布置;温度中图分类号：U464.136+.5  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）08-129-06

Abstract： The paper summarized three classical fuel tank layouts under vehicle body by amounts of overseas and in country PHEVs （Plug in Hybrid Electric Vehicle） benchmarking. For PHEVs with fuel tank under body in white rear seat panel and nearby chassis rear axle， contrastively analyzed the exhaust pipe heat radiation effects on fuel tank shell and fuel temperature in tank by high temperature chassis dynamometer test and summer high temperature real road test. Additionally， for one PHEV with fuel tank under rear seat panel， contrastively analyzed the exhaust pipe heat radiation effects on fuel tank shell and fuel temperature in tank by high temperature chassis dynamometer test in large scale wind tunnel laboratory for two different kinds of fuel tank heat shield layout. These studies provide design guidelines for PHEV fuel tank and its heat shield layout.Keywords： PHEV; Fuel tank; Heat shield; Layout; TemperatureCLC NO.： U464.136+.5  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）08-129-06

前言

插電混合动力汽车（简称PHEV）车身既要布置电池又要布置油箱，这对整车总布置提出了严峻挑战。除少数PHEV布置空间充足而油箱较大，大部分PHEV油箱相对传统汽油车较小，夏季发动机运行时受排气管热辐射影响较大。

当车辆处于中高速运行模式或者电池电量消耗到电量平衡模式，发动机将进入相对连续的运行模式。此时如同传统汽油车，油箱将受到排气管持续热辐射，表面温度将持续升高[1]，油箱内汽油温度将逐步升高，汽油产生的气泡会越来越多，油泵流量将受到影响[2]。按GB17951-2016车用汽油标准[3]，2018年8月份抽样检测了海南汽车试验场加油站夏季92号车用汽油（VIA）的蒸发温度，见表1。检测结果表明，55.6℃时有5%的汽油挥发，60.8℃时有10%的汽油挥发。

为减少汽油挥发产生的气泡对油泵流量的影响，夏季时，一般应将车辆运行时油箱内汽油温度控制在60℃以下。为此，如何布置PHEV油箱及隔热板，使油箱受排气管热辐射影响降低到合理的水平为文章主要研究课题。

1 PHEV油箱布置相关对标分析

对标北美、欧洲和中国市场多款PHEV，分析得出PHEV油箱在车身下方典型的布置形式有三种，详见表2。

各油箱布置形式的特点简要描述如下：

（1）形式1主要包含以通用雪佛兰Volt Premier为代表的PHEV，其油箱位于车身后排座椅钣金件下方，排气管位于油箱侧面。油箱受排气管热辐射影响较小，但需注意与前面电池之间的安全距离，详见表3和图1。

（2）形式2主要包含以福特C-Max Energi为代表的PHEV，其油箱位于车身后排座椅钣金件下方，排气管位于车身中央通道，即油箱前、侧面。油箱受排气管热辐射影响较大，因此需要注意油箱隔热板的布置设计，详见表3和图2。

（3）形式3主要包含以奥迪A3 etron为代表的PHEV，其油箱位于底盘后桥附近，排气管位于油箱下方。油箱受排气管热辐射影响适中，但需注意油箱的后防护设计，以免整车后碰发生油箱被碰漏油而不满足碰撞法规，详见表3和图3。

2 不同PHEV油箱布置形式的热影响分析-整车高温转鼓试验

文章对一款油箱布置形式2的PHEV国六轿车、一款布置形式3的PHEV国六SUV以及一款布置形式3的PHEV国六轿车在小型高温转鼓实验室进行了高温转鼓中等速度运行试验。设定高温转鼓实验室的环境温度为40℃，速度为80km/h，坡度为5%。此过程中使用温度传感器和热电偶分别采集油箱出油口和油箱泵底温度。

由于高温转鼓实验室相对密闭，与实际道路试验散热条件差异较大，散热有限，所以试验过程中油温相对实际道路试验存在偏高的情况。

因此，仅以油箱油泵出油口的温度从30℃左右持续上升到60℃的时间作为判断依据，以判定油箱的隔热性能，相关试验结果见表3。

该高温转鼓试验结果表明，油箱布置形式3的油箱隔热性能优于油箱布置形式2。

3 不同PHEV油箱布置形式的热影响分析-整车夏季高温道路试验

为模拟实车道路工况散热条件，在海南吊罗山，环境温度为37℃，将第2节中油箱布置形式2的PHEV国六轿车和油箱布置形式3的PHEV国六SUV的油箱都加满，两车一前一后，进行相同工况的高温山路运行试验。试验过程中，使用温度传感器和热电偶分别采集油箱油泵出油温度和油箱表面（油泵底部）温度。

当车辆从满箱油开始试验进行到油位报警过程中，油箱布置形式2的PHEV国六轿车油箱表面（油泵底部）最高温度达到了62.8℃，油箱油泵出油最高温度达到了59.7℃，已接近60℃，见图9试验温度曲线;油箱布置形式3的PHEV国六SUV油箱表面（油泵底部）最高温度达到了50.8℃，油泵出油最高温度达到了55.5℃，低于60℃，见图10试验温度曲线。

为模拟实车道路工况散热条件，在海南汽车试验场高速跑道，环境温度为36℃，将第2节中油箱布置形式2的PHEV国六轿车和油箱布置形式3的PHEV国六SUV的油箱都加满，两车一前一后，进行同样工况的高温高速运行试验。试验过程中，使用温度传感器和热电偶分别采集油箱油泵出油温度和油箱表面（油泵底部）温度。

当车辆从满箱油开始试验进行到油位报警过程中，油箱布置形式2的PHEV国六轿车油箱表面（油泵底部）最高温度达到了60.9℃，油箱油泵出油最高温度达到了58.1℃，仍接近60℃，见图11试验温度曲线;油箱布置形式3的PHEV国六SUV油箱表面（油泵底部）最高温度达到了49℃，油泵出油最高温度达到了53℃，仍低于60℃，见图12试验温度曲线。

以上高温山路和高速试验结果说明，实际夏季高温道路试验过程中，油箱布置形式3的油箱隔热性能仍然优于油箱布置形式2。

4 不同PHEV油箱隔热板布置方案对油箱的隔热影响分析

为模拟实际道路工况散热条件，将一款油箱布置形式2的PHEV国五轿车（油箱容积为31L，发动机为1.0T）在大型风洞进行高温转鼓试验，见图13所示。该轿車油箱布置形式见图14所示。

通过风洞高温转鼓试验对比了两种油箱隔热板布置方案的油箱表面温度和内部油温情况。布置方案1的隔热板为分块布置，见图15所示，布置方案2的隔热板为整体布置，见图16所示。

设定环境温度为40℃，光照为1000W，车速为80km/h，坡度为5%。试验过程中让车辆连续运行直至仪表油位报警，并实时测试排气管，油箱前表面、下表面、上表面及油箱内汽油温度。详细热电偶布点情况见图17～18所示。

针对装有布置方案1和方案2油箱隔热板的同一辆车，油量分别从94%和89%开始试验，统一耗油到18%左右。排气管、油箱表面、油箱内汽油相关起始温度及终了温度见表5所示。

整个试验过程中，方案1和方案2的排气管温度（热电偶①）均在320～340℃，确保了排气管对油箱的热辐射为同一水平，见图19所示。油箱前表面（热电偶④）、下表面（即油箱泵底、热电偶⑤）及上表面（热电偶⑦）的温度对比曲线见图20～22所示。方案1和方案2的汽油温度（热电偶⑨）均从37℃开始，确保油温起始点处于同一水平，温度对比曲线见图23所示。

试验结果表明：

1）隔热板布置方案1排气管附近车身与油箱隔热板为分块布置[4]。车辆运行过程中，大量排气管热辐射气流不仅通过油箱下表面，还通过油箱和车身缝隙窜入油箱前表面及上表面，对油箱形成了全包裹加热，见图24。这使油箱前表面（热电偶④）和上表面（热电偶⑦）终了温度分别达到了76.3℃和70.3℃。85分钟时油箱内汽油温度从37.6℃升高到59.6℃，接近60℃;95分钟试验终了即汽油消耗到18%时，汽油温度达到了61.4℃，超过60℃。

2）隔热板布置方案2的整体式隔热板封闭了车身与油箱之间的缝隙[5～6]，阻挡了排气管热辐射气流向油箱上表面窜入，使热辐射气流仅从油箱下表面通过，见图25。这使油箱前表面（热电偶④）和上表面（热电偶⑦）试验终了温度分别降低到58.6℃和48.8℃，有效降低了排气管热辐射对油箱内汽油的加热。85分钟试验终了即汽油消耗到18%时，油箱内汽油温度从37℃升高到55.8℃，低于60℃。相比方案1试验进行到85分钟时油温降低3.8℃，相比方案1试验进行到95分钟试验终了时油温降低5.6℃。

5 结论

文章通过对标分析总结了PHEV三种油箱布置形式及特点，并通过整车高温转鼓及夏季高温实车道路试验分析了油箱布置形式2和形式3排气管热辐射对油箱的热影响。试验表明油箱布置形式3受排气管热辐射小于布置形式2。

对排气管热辐射影响较大的油箱布置形式2的PHEV，进行了大型风洞高温转鼓试验。试验表明整体式隔热板布置方案相比分块式布置方案，可明显降低油箱表面及油箱内汽油温度。

以上布置研究及试验分析对PHEV油箱及其隔热板的布置有一定设计指导意义。

参考文献

[1] 李盈盈，胡杰，刘聪聪.基于FLUENT的汽车油箱热害分析及优化[J].汽车实用技术，2016（3）.

[2] 蒋明勇，固丹初，周君，邵卓倞，贾生全，王树亮.汽车燃油泵热油试验台开发研究[J].上海汽车，2012（10）.

[3] 国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会.车用汽油：GB17930-2016[S].北京：中国标准出版社，2016.

[4] 孙海涛.轿车车身隔热板零件的设计原理和典型结构[J].上海汽车，2006（2）.

[5] Hermann de Ciutiis. Effect of an Optimized Heatshield Design and an Aerodynamic Exhaust Tunnel Cover on Convective Heating of the Floor Pan [C].SAE Technical paper 2005-01-2016，2005.

[6] V N Bhasker， Abhinav Agarwal， Abhishek Sharma， Avisek Das， and Nirajkumar Mishra. Novel Approach towards Fuel Tank Heat Shield Design[C].SAE Technical paper 2017-01-0124，2017.