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究竟壓力有多高？- 對國六PHEV燃油系統(tǒng)的困惑
2019-10-31 23:13:02· 來源：國六燃油系統(tǒng)平臺
Part 01法規(guī)條件下系統(tǒng)的運行狀態(tài)上圖中是傳統(tǒng)汽車通過國六法規(guī)經(jīng)常會遇到的難點：在高溫行駛中發(fā)動機提供的脫附量不夠，炭罐脫附的不充分，晝夜試驗過程中油箱
Part 01 法規(guī)條件下系統(tǒng)的運行狀態(tài)
上圖中是傳統(tǒng)汽車通過國六法規(guī)經(jīng)常會遇到的難點：在高溫行駛中發(fā)動機提供的脫附量不夠，炭罐脫附的不充分，晝夜試驗過程中油箱內(nèi)油氣大量排向炭罐，導致炭罐被擊穿，排放超標。PHEV比傳統(tǒng)汽車面臨的問題更加嚴峻，發(fā)動機可提供的脫附量更低。既然發(fā)動機的脫附量難以調(diào)整，是否可以控制油箱向炭罐排出的蒸汽量？
F.1.1.4非整體僅控制加油排放炭罐系統(tǒng)( NIRCO全稱Non- Integrated refueling canister-only)是非整體控制系統(tǒng)的一種，活性炭炭罐設(shè)計的主要目的是僅吸附加油時產(chǎn)生的油氣。其他非加油過程產(chǎn)生的油氣均儲存在油箱或排放到發(fā)動機燃燒而不是儲存在該炭罐中。
F.1.1.4.1能夠滿足以下要求的也可視為 NIRCO系統(tǒng):
(1)使用附錄K規(guī)定的基準燃料進行F.5.12晝夜換氣試驗時，密閉油箱或由油箱和炭罐共同組成的密閉系統(tǒng)內(nèi)的油氣不會排放到大氣中。
(2)當車內(nèi)的發(fā)動機運行時，油箱內(nèi)產(chǎn)生的油氣必須導向發(fā)動機被燃燒或被臨時儲存在炭罐內(nèi)。
(3)當車內(nèi)發(fā)動機不運行時，任何從密閉油箱里向外排出的油氣必須被導向炭罐。
F.1.1.4.2上述F.1.1.4.1中的要求不適用于緊急情況時啟動的油箱緊急泄壓系統(tǒng)，啟動油箱緊急泄壓時的油箱壓力必須高于本附錄規(guī)定的蒸發(fā)試驗以及在用時碰到的合理壓力。
國六法規(guī)中NIRCO系統(tǒng)就是將油氣儲存在油箱中，適用于PHEV車型，將油氣儲存在油箱中會造成：
1、持續(xù)蒸發(fā)造成的油箱壓力升高；
2、壓力狀態(tài)下油箱的變形；
3、持續(xù)壓力下的密封性；
4、加油時的泄壓操作。
因此我們需要一款能承受高壓力，泄壓可控的燃油箱，這就是高壓燃油箱的誕生。
油箱內(nèi)的壓力主要靠油氣的蒸發(fā)、冷凝產(chǎn)生，油液及環(huán)境溫度對系統(tǒng)壓力影響非常大，上圖是不同法規(guī)下ORVR及蒸發(fā)排放試驗的試驗條件，我們可以看到：
1、測試的油溫和環(huán)境溫度、溫差存在較大的差異；
2、蒸發(fā)排放限值計算的方法存在較大的差異。
Q：從通過法規(guī)的角度出發(fā)：不同法規(guī)測試條件，是否造成系統(tǒng)不一樣的壓力范圍？目前業(yè)內(nèi)廣泛應用的-15~35kPa的耐壓范圍，合理么？符合國六么？
A：不同法規(guī)測試條件中，溫度是最直接的不同點，也是決定壓力范圍的試驗要素，整個試驗流程中的溫度變化，直接會造成系統(tǒng)不一樣的壓力范圍。
目前廣泛應用的-15~35kpa的耐壓范圍是由VW等主流OEM廠經(jīng)過詳細的測量論證后定義的，他們的試驗標準基于北美CARB LEVIII等國外標準，國六試驗中影響壓力范圍的主要因素：溫度，經(jīng)過前面的參數(shù)對比，與北美差異很大。-15~35kpa的耐壓范圍是否符合國六？需要基于國六標準進行大量的測試和研究，我們將基于國六法規(guī)中溫度的變化對油箱內(nèi)部壓力進行測試。
完整的國六法規(guī)IV型試驗包含了許多試驗預處理的步驟，每一步的溫度變化都會對壓力等試驗結(jié)果產(chǎn)生巨大的影響。根據(jù)每一步中的溫度值，調(diào)整試驗步驟的先后順序，都會對我們研究排放試驗中燃油系統(tǒng)的壓力范圍具有重大的意義。
國六法規(guī)完整的試驗流程，從加油放油（第四步）的步驟開始，后面的實驗步驟中燃油系統(tǒng)都是一個密封的環(huán)境，所以壓力研究從炭罐預處理、放油加油開始。根據(jù)法規(guī)中的溫度變化，監(jiān)測燃油系統(tǒng)內(nèi)部的壓力變化。
Part 02 燃油系統(tǒng)需面對的最惡劣工況
高壓油箱的使用需求為需要兩種以上的能量來源，且除燃油系統(tǒng)外的能源可獨立工作，混合動力汽車和增程式電動汽車具備高壓油箱的使用條件。
可實現(xiàn)純電動行駛50km以上，在整個法規(guī)測試過程中，發(fā)動機都無法啟動，無法提供脫附。
燃油系統(tǒng)在整個測試中，都需保持完全密封， 密封時間達到122小時
Q：純電動模式，發(fā)動機全程無啟動；持續(xù)時間長，從法規(guī)試驗開始到最終結(jié)束，燃油系統(tǒng)全程不能排除蒸汽
A：不管是混合動力汽車，還是增程式電動汽車，都可以在純電模式下運行，發(fā)動機全程不啟動，也就是無脫附功能。車輛在行駛過程中溫度升高，燃油箱內(nèi)產(chǎn)生大量燃油蒸汽。如果使用常壓燃油系統(tǒng)，蒸汽將全部被炭罐吸收，在進行法規(guī)試驗前炭罐增加了非常大的負載，增大了法規(guī)試驗的通過難度；如果我們利用一些方法，將蒸汽儲存在油箱內(nèi)，不給炭罐增加額外負載，即使在零脫附的最惡劣工況下，依然有通過法規(guī)試驗的可能性。在零脫附的工況下，我們需要做的就是在IV型試驗中，如何讓油氣儲存在油箱內(nèi)，不給炭罐增加額外負載。首先，我們需要確定油箱在試驗中需要承受的壓力范圍。
國六IV型試驗法規(guī)中，對于高壓燃油系統(tǒng)做出了讓步，炭罐的負載由2g臨界點變?yōu)?5%加油時炭罐所增加的負載，增大了試驗通過的成功率。
Part 03 實測燃油系統(tǒng)壓力
因為純電模式中電池包的存在，所以高壓燃油箱的標稱容積不會特別大，油箱樣件的標稱容積取自常見車型50L，為保證油箱的耐壓力性能，使用1.35mm的不銹鋼材料。泵口結(jié)構(gòu)采用標準的SAE結(jié)構(gòu)，保證樣件的準確性、密封性，試驗具有可參考價值。
試驗研究結(jié)果的準確性主要靠樣件的適用性和試驗設(shè)備的精確度兩方面控制，試驗前對樣件進行爆破測試及密封性檢查確認樣件可適用于高壓燃油系統(tǒng)研究，精密快速溫變箱擁有兩個儲氣罐，可精確調(diào)節(jié)箱內(nèi)高低溫環(huán)境，真實的按照國六法規(guī)溫度變化試驗，配合大容量數(shù)據(jù)采集設(shè)備，精確研究高壓油箱國六法規(guī)下的內(nèi)部壓力變化。
研究高壓燃油系統(tǒng)，對應的試驗流程按照國六法規(guī)NIRCO系統(tǒng)執(zhí)行，因完整的試驗周期過長，我們直接開始試驗中最關(guān)鍵的步驟：2晝夜試驗，先了解一下2晝夜間燃油箱內(nèi)的壓力變化。
完整的國六法規(guī)試驗過程中，晝夜溫變的壓力是峰值嗎？其他步驟壓力如何。進行一次完整的測試看一看：
單獨的2晝夜試驗的壓力范圍是0~23kpa，因為燃油溫度初始為20℃，試驗溫度變化20~35℃，燃油箱在試驗過程中溫度始終不低于初始溫度20℃，所以沒有出現(xiàn)負壓情況。在完整的國六法規(guī)試驗中，高溫浸車38℃和常溫浸車20℃會改變?nèi)加拖溥M入2晝夜試驗前的初始狀態(tài)，接下來我們一起看看壓力會如何變化。
在國六IV型溫度曲線中，在高溫浸車以前，包括預處理行駛，、炭罐預處理、加油和放油，環(huán)境溫度都在23℃，屬于樣件準備階段，共計43h。此后燃油系統(tǒng)保持全程密封，試驗開始，進入高溫浸車、高溫行駛、熱浸，共計38h，此過程中預計油箱內(nèi)壓力升高；然后開始常溫浸車環(huán)節(jié)36h，預計壓力下降；最后為2晝夜試驗，壓力情況如何呢？
試驗過程中，我們使用熱電偶測量燃油箱上表面溫度，從上圖可以看出，試驗環(huán)境的溫度變化與國六法規(guī)IV型試驗溫度曲線保持一致，說明試驗條件合格。油箱在進入溫箱前，溫度低于23℃，所以油箱內(nèi)部會有2kpa的壓力。在放油加油過程中，會打開油泵法蘭，所以油箱內(nèi)壓力為零。加入20℃的燃油，在高溫浸車38℃時，油箱內(nèi)壓力升至14kpa；20℃常溫浸車時，油箱內(nèi)壓力變?yōu)?11kpa，最后2晝夜試驗中油箱內(nèi)壓力范圍-11kpa~8kpa。
由上圖壓力曲線得知：在完整的IV型國六試驗中，2晝夜試驗前油箱的初始狀態(tài)為負壓狀態(tài)，降低了燃油系統(tǒng)在晝夜試驗中的壓力范圍：從0~23kpa變?yōu)?11~8kpa。
完整測試中晝夜試驗件壓力有一個波動，油箱從-11kpa變?yōu)?kpa，判斷燃油箱產(chǎn)生了較大變形（相對單獨48h全正壓環(huán)境），降低了油箱壓力。
對比結(jié)果：
1、壓力變化是否存在負壓，影響油箱的變形趨勢
2、適當?shù)淖冃慰梢越档陀拖鋬?nèi)部壓力。
3、不同的預處理溫度，會影響系統(tǒng)壓力值。
4、通過溫變△T，不能得出系統(tǒng)壓力范圍
5、油箱內(nèi)部壓力變化的斜率是一致的。
要點解析：第4點中，受油箱樣件結(jié)構(gòu)設(shè)計影響，油箱內(nèi)部壓力發(fā)生變化，由此可知，油箱內(nèi)壓力范圍可通過燃油系統(tǒng)設(shè)計控制，這對我們通過法規(guī)試驗以及滿足其他特殊要求提供了更廣闊的思路。
在高溫浸車的前后，燃油箱表面溫度由23℃變?yōu)?0℃，△T=3℃，燃油箱內(nèi)部壓力由2kpa變?yōu)?11kpa，△P=13kpa。
由此進一步確認，不能只從環(huán)境溫變△T判斷油箱內(nèi)壓力變化△P，試驗過程中的處理非常重要，試驗中溫度的變化，油溫等都會影響油箱的內(nèi)部壓力。
Part 04 關(guān)于高壓燃油系統(tǒng)的思考
上圖是按照NIRCO系統(tǒng)流程，加入燃油的油溫從20℃變?yōu)?4℃，其余試驗條件未變，系統(tǒng)的極限負壓從-11kpa變?yōu)?14kpa，按照此規(guī)律，如果起始環(huán)境溫度走上偏差＋5℃，系統(tǒng)的極限負壓將更低，引起更加苛刻的負壓條件。
上圖中上面兩圖是按照歐6d標準進行的晝夜蒸發(fā)排放試驗中燃油箱內(nèi)部壓力變化，試驗過程中燃油箱密封與非密封不影響油箱的內(nèi)部壓力；下面圖按照國六IV型試驗標準，將試驗的前處理階段環(huán)境溫度由23℃變?yōu)?0℃，系統(tǒng)無負壓狀態(tài)，但是極限高壓變?yōu)?2kpa。
Q：適應中國第六階段法規(guī)要求，高壓油箱承壓范圍是多少？
A：市場對標，行業(yè)推薦的壓力值都在35Kpa左右，依據(jù)實測的數(shù)據(jù)，可以考慮調(diào)整到25kPa，甚至以下，負壓耐受性可能更關(guān)鍵。不同市場，可能有不同策略。
Q：高壓油箱匹配的FTIV閥體開合策略如何優(yōu)化？
A：如果將高壓油箱歸類為NIRCO系統(tǒng)，F(xiàn)TIV可以選擇在更低的壓力下開啟一階段排氣，策略不”對標”。
Q：滿足中國第六階段法規(guī)的，高壓油箱減重工作的方向？
A：油箱承受壓力的下降，帶來強度的需求降低，更輕薄的不銹鋼應用，可以降低系統(tǒng)的總重。
國六法規(guī)下的針對性壓力研究后，實際使用狀態(tài)的壓力趨勢同樣重要！
DEV團隊持續(xù)進行高壓系統(tǒng)的研究
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