柴油车型燃油箱负压补气功能的分析

邓海文，张杨，刘建华，彭义增

1.江铃汽车股份有限公司,江西南昌 330000;2.亚普汽车零部件有限公司，江苏扬州 225009

0 引言

油箱是柴油车低压燃油系统的主要零部件，也是汽车安全的关键部件，主机厂对油箱通气性能也非常重视，都有预防油箱吸瘪的设计[1]。但是各个主机厂对油箱通气性能的理解各有不同，少数主机厂认为油箱上只有一个阀门就可以，通气流量参数也不清楚该如何定义;大多数主机厂标准是前、后倾16.7°，左、右倾10°，在此情况下保证油箱加入额定容积后至少有一个阀门可以通气，通气流量参数也各不相同。看上去大多数主机厂的这个标准很合理，确实可以保证油箱不吸瘪，但可能会存在过设计，从而造成成本浪费。

本文结合理论和实践对柴油油箱负压补气功能进行了深度刨析，并通过台架及整车试验验证，为柴油车型燃油箱负压补气功能的设计提供了指导依据。

1 柴油油箱的工作原理

柴油燃油系统原理如图1所示。

图1 柴油燃油系统原理

加油过程中，加油枪插入加油管释放出燃油，燃油通过加油管进入油箱，直到油箱内燃油淹没排气接头，油箱无法排气，导致燃油无法继续进入油箱，燃油便会在加油管总成内迅速增多，直到淹没加油枪上的负压补气孔，此时加油枪内负压腔无法补气，加油枪内负压腔的膜片被负压迅速提起，加油枪跳枪，加油结束。由于排气接头的位置比GVV(grade venting valve)阀门低，此时燃油只淹没了排气接头，未淹没GVV阀门[2]。

行车过程中，燃油箱内燃油通过油泵，经过燃油滤清器输送到发动机，油箱内燃油减少，油箱内形成负压。当油箱内负压压力超过GVV阀负压开启压力时，GVV阀门打开，大气通过GVV阀门进入油箱，油箱的负压不再继续增大。当车辆上坡或下坡时，油箱内液面处于倾斜状态，可能会淹没GVV阀门，导致油箱负压补气过程受阻，随着燃油的消耗，油箱内会形成更大的负压，该负压要克服阀门的负压开启压力和淹没阀门的液体压力才能实现补气。

2 行车过程中油箱负压补气过程分析

汽车在平路上行驶时，燃油液面最高会达到排气接头，不会淹没GVV阀门。GVV阀门可以正常补气，保证油箱不被吸瘪[3]。

当汽车在上坡或下坡行驶时，如果坡度不大时，油箱内燃油倾斜角度不够大，GVV阀门未被淹没，可以正常补气。如果坡度足够大，GVV阀门被淹没，油箱内负压会逐渐加大，直到负压大到可以通过液体将阀门吸开，也就是该负压可以克服阀门的负压开启压力和淹没阀门的液体压力，此时大气通过阀门再穿过燃油与油箱的气体汇合,负压不再继续增大，油箱内负压维持在一定水平，该负压等于阀受到的液体压力+阀门的负压开启压力。

3 油箱负压补气案例分析

某车型加额定容积燃油后，车辆在坡角为16.7°下坡时燃油和油箱示意如图2所示，图中燃料为柴油，密度ρ为820 kg/m3。

图2 车辆在坡角为16.7°下坡时燃油和油箱示意

此时油箱上GVV阀门负压补气需要克服的压力为p=p1+p2=ρgh+p2=820×10×0.174 5+0=1.43 kPa。如果油箱内燃油被逐渐消耗掉，油箱内负压逐渐升高，直到负压超过-1.43 kPa时，该GVV阀门会被油箱内负压吸开(根据U型管连通器原理)，大气中空气穿过GVV和燃油与油箱内空气汇合。当阀门补气速度等于燃油消耗速度时，油箱内负压不再变化，维持在-1.43 kPa左右，-1.43 kPa油箱负压不会导致油箱变形，也不会影响油箱内燃油正常输送到发动机。

4 试验验证

4.1 整车试验

采用某车型的开发样车，加油至额定容积80 L，用堵头堵住油箱上所有可以通往大气的通道，将车辆行驶到试验厂，然后再高环高速行驶1 h(直道120 km/h，弯道90 km/h)，消耗燃油11.75 L，此时车辆驶离环道至平坦的空地，并观察油箱的变形量。

封闭油箱燃油消耗示意如图3所示，液位降低，气体空间会变大。根据理想气体状态方程(pV=nRT)计算得出，如果油箱不变形，且前后环境温度无变化。试验前压力为p0=101 kPa(大气压)，体积为V0=8 L(V0是燃油消耗11.75 L前油箱内的空气体积);试验后压力为p1，体积为V1=19.75 L(V1是燃油消耗11.75 L后油箱内的空气体积)，根据公式p0V0=p1V1推导出p1=p0V0/V1=40.91 kPa(绝对压力)，换算成相对压力，油箱内负压为60.09 kPa。

图3 封闭油箱燃油消耗示意

实际上当油箱密闭后消耗燃油，油箱形成负压会导致变形。80 L额定容积的油箱密闭后消耗11.75 L燃油后油箱的变形情况，如图4所示。实际上在压力为-6 kPa左右时，油箱开始变形；在压力为-25 kPa左右时，油箱严重吸瘪。而变形和吸瘪会使油箱内气体空间变小，使得压力回升一部分。所以试验结束后油箱内实际负压没有达到-60 kPa，油箱变形弥补了一部分负压，弥补之后油箱内负压为-25 kPa左右。

图4 油箱压力为-25 kPa时的变化情况

如图5所示，当油箱内装有80 L柴油时，控制油箱负压为-4.75 kPa，油箱有轻微变形。

图5 油箱压力为-4.75 kPa时的变化情况

如图6所示，当油箱内装有80 L柴油时，控制油箱负压为-2 kPa，油箱没有变形。

图6 油箱压力为-2 kPa时的变化情况

4.2 台架试验

准备一个80 L油箱，油箱上有一个GVV阀门，该阀门负压开启压力为0 kPa,油箱加入80 L燃油,GVV阀门不堵住，模拟整车下坡16.7°固定油箱，GVV阀门被油箱内燃油淹没，采用设备以1 L/min的速度将油箱内空气抽出，油箱压力变化曲线如图7所示，负压逐渐增大到-3.6 kPa然后突然回升，最后稳定在-1.4 kPa左右，该负压大小值与理论值基本吻合。负压先增大到-3.6 kPa再回升到-1.4 kPa,原因是阀门由关闭到打开这个状态变化需要做功，故才导致了这个压力的变化，当阀门开启后补气很快达到平衡，此时油箱内压力会维持在-1.4 kPa左右。

图7 油箱压力变化曲线

5 结束语

综上分析可知，油箱内出现较大负压时会产生明显的变形，但油箱上只有阀门可以通气，就不会产生较大的负压，阀门补气只要克服液体压力和阀门自身的负压开启压力就可以实现往油箱内补气。故柴油油箱通气性能可参考如下要求进行设计：油箱设计一个GVV通气即可，油箱模拟整车前、后、左、右倾[4]，找出油箱阀体被淹没的最大深度h，通过计算“液体压力+阀门自身的负压开启压力+阀门补气平衡负压(阀门补气平衡负压：当阀门没有被液体淹没时，发动机消耗燃油过程油箱内负压，该压力接近0 kPa)”，得出整车前、后、左、右倾时油箱能建立的最大负压，并且该负压下油箱的变形量需在设计要求范围内。