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究竟壓力有多高？- 對(duì)國(guó)六PHEV燃油系統(tǒng)的困惑

2019-10-31 23:13:02·  來源：國(guó)六燃油系統(tǒng)平臺(tái)  
　
Part 01法規(guī)條件下系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)上圖中是傳統(tǒng)汽車通過國(guó)六法規(guī)經(jīng)常會(huì)遇到的難點(diǎn)：在高溫行駛中發(fā)動(dòng)機(jī)提供的脫附量不夠，炭罐脫附的不充分，晝夜試驗(yàn)過程中油箱
Part 01  法規(guī)條件下系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)

上圖中是傳統(tǒng)汽車通過國(guó)六法規(guī)經(jīng)常會(huì)遇到的難點(diǎn)：在高溫行駛中發(fā)動(dòng)機(jī)提供的脫附量不夠，炭罐脫附的不充分，晝夜試驗(yàn)過程中油箱內(nèi)油氣大量排向炭罐，導(dǎo)致炭罐被擊穿，排放超標(biāo)。PHEV比傳統(tǒng)汽車面臨的問題更加嚴(yán)峻，發(fā)動(dòng)機(jī)可提供的脫附量更低。既然發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)的主要目的是僅吸附加油時(shí)產(chǎn)生的油氣。其他非加油過程產(chǎn)生的油氣均儲(chǔ)存在油箱或排放到發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒而不是儲(chǔ)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(zhǔn)燃料進(jìn)行F.5.12晝夜換氣試驗(yàn)時(shí)，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(huì)排放到大氣中。

(2)當(dāng)車內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，油箱內(nèi)產(chǎn)生的油氣必須導(dǎo)向發(fā)動(dòng)機(jī)被燃燒或被臨時(shí)儲(chǔ)存在炭罐內(nèi)。

(3)當(dāng)車內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)不運(yùn)行時(shí)，任何從密閉油箱里向外排出的油氣必須被導(dǎo)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(shí)啟動(dòng)的油箱緊急泄壓系統(tǒng)，啟動(dòng)油箱緊急泄壓時(shí)的油箱壓力必須高于本附錄規(guī)定的蒸發(fā)試驗(yàn)以及在用時(shí)碰到的合理壓力。

國(guó)六法規(guī)中NIRCO系統(tǒng)就是將油氣儲(chǔ)存在油箱中，適用于PHEV車型，將油氣儲(chǔ)存在油箱中會(huì)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(shí)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(duì)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(yàn)的試驗(yàn)條件，我們可以看到：

1、測(cè)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(jì)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(cè)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(yīng)用的-15~35kPa的耐壓范圍，合理么？符合國(guó)六么？

A：不同法規(guī)測(cè)試條件中，溫度是最直接的不同點(diǎn)，也是決定壓力范圍的試驗(yàn)要素，整個(gè)試驗(yàn)流程中的溫度變化，直接會(huì)造成系統(tǒng)不一樣的壓力范圍。

目前廣泛應(yīng)用的-15~35kpa的耐壓范圍是由VW等主流OEM廠經(jīng)過詳細(xì)的測(cè)量論證后定義的，他們的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)基于北美CARB LEVIII等國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)六試驗(yàn)中影響壓力范圍的主要因素：溫度，經(jīng)過前面的參數(shù)對(duì)比，與北美差異很大。-15~35kpa的耐壓范圍是否符合國(guó)六？需要基于國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行大量的測(cè)試和研究，我們將基于國(guó)六法規(guī)中溫度的變化對(duì)油箱內(nèi)部壓力進(jìn)行測(cè)試。
 
 
    完整的國(guó)六法規(guī)IV型試驗(yàn)包含了許多試驗(yàn)預(yù)處理的步驟，每一步的溫度變化都會(huì)對(duì)壓力等試驗(yàn)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(yàn)步驟的先后順序，都會(huì)對(duì)我們研究排放試驗(yàn)中燃油系統(tǒng)的壓力范圍具有重大的意義。


究竟壓力有多高？- 對(duì)國(guó)六PHEV燃油系統(tǒng)的困惑
 
國(guó)六法規(guī)完整的試驗(yàn)流程，從加油放油（第四步）的步驟開始，后面的實(shí)驗(yàn)步驟中燃油系統(tǒng)都是一個(gè)密封的環(huán)境，所以壓力研究從炭罐預(yù)處理、放油加油開始。根據(jù)法規(guī)中的溫度變化，監(jiān)測(cè)燃油系統(tǒng)內(nèi)部的壓力變化。
 
Part 02 燃油系統(tǒng)需面對(duì)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(dú)立工作，混合動(dòng)力汽車和增程式電動(dòng)汽車具備高壓油箱的使用條件。
可實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)行駛50km以上，在整個(gè)法規(guī)測(cè)試過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)都無法啟動(dòng)，無法提供脫附。


 
燃油系統(tǒng)在整個(gè)測(cè)試中，都需保持完全密封， 密封時(shí)間達(dá)到122小時(shí)

Q：純電動(dòng)模式，發(fā)動(dòng)機(jī)全程無啟動(dòng)；持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，從法規(guī)試驗(yàn)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(dòng)力汽車，還是增程式電動(dòng)汽車，都可以在純電模式下運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)全程不啟動(dòng)，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(jìn)行法規(guī)試驗(yàn)前炭罐增加了非常大的負(fù)載，增大了法規(guī)試驗(yàn)的通過難度；如果我們利用一些方法，將蒸汽儲(chǔ)存在油箱內(nèi)，不給炭罐增加額外負(fù)載，即使在零脫附的最惡劣工況下，依然有通過法規(guī)試驗(yàn)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(yàn)中，如何讓油氣儲(chǔ)存在油箱內(nèi)，不給炭罐增加額外負(fù)載。首先，我們需要確定油箱在試驗(yàn)中需要承受的壓力范圍。
 
國(guó)六IV型試驗(yàn)法規(guī)中，對(duì)于高壓燃油系統(tǒng)做出了讓步，炭罐的負(fù)載由2g臨界點(diǎn)變?yōu)?5%加油時(shí)炭罐所增加的負(fù)載，增大了試驗(yàn)通過的成功率。
 
Part 03  實(shí)測(cè)燃油系統(tǒng)壓力

因?yàn)榧冸娔Ｊ街须姵匕拇嬖?，所以高壓燃油箱的?biāo)稱容積不會(huì)特別大，油箱樣件的標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)的SAE結(jié)構(gòu)，保證樣件的準(zhǔn)確性、密封性，試驗(yàn)具有可參考價(jià)值。

試驗(yàn)研究結(jié)果的準(zhǔn)確性主要靠樣件的適用性和試驗(yàn)設(shè)備的精確度兩方面控制，試驗(yàn)前對(duì)樣件進(jìn)行爆破測(cè)試及密封性檢查確認(rèn)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(gè)儲(chǔ)氣罐，可精確調(diào)節(jié)箱內(nèi)高低溫環(huán)境，真實(shí)的按照國(guó)六法規(guī)溫度變化試驗(yàn)，配合大容量數(shù)據(jù)采集設(shè)備，精確研究高壓油箱國(guó)六法規(guī)下的內(nèi)部壓力變化。


 
研究高壓燃油系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)流程按照國(guó)六法規(guī)NIRCO系統(tǒng)執(zhí)行，因完整的試驗(yàn)周期過長(zhǎng)，我們直接開始試驗(yàn)中最關(guān)鍵的步驟：2晝夜試驗(yàn)，先了解一下2晝夜間燃油箱內(nèi)的壓力變化。

完整的國(guó)六法規(guī)試驗(yàn)過程中，晝夜溫變的壓力是峰值嗎？其他步驟壓力如何。進(jìn)行一次完整的測(cè)試看一看：

單獨(dú)的2晝夜試驗(yàn)的壓力范圍是0~23kpa，因?yàn)槿加蜏囟瘸跏紴?0℃，試驗(yàn)溫度變化20~35℃，燃油箱在試驗(yàn)過程中溫度始終不低于初始溫度20℃，所以沒有出現(xiàn)負(fù)壓情況。在完整的國(guó)六法規(guī)試驗(yàn)中，高溫浸車38℃和常溫浸車20℃會(huì)改變?nèi)加拖溥M(jìn)入2晝夜試驗(yàn)前的初始狀態(tài)，接下來我們一起看看壓力會(huì)如何變化。
在國(guó)六IV型溫度曲線中，在高溫浸車以前，包括預(yù)處理行駛，、炭罐預(yù)處理、加油和放油，環(huán)境溫度都在23℃，屬于樣件準(zhǔn)備階段，共計(jì)43h。此后燃油系統(tǒng)保持全程密封，試驗(yàn)開始，進(jìn)入高溫浸車、高溫行駛、熱浸，共計(jì)38h，此過程中預(yù)計(jì)油箱內(nèi)壓力升高；然后開始常溫浸車環(huán)節(jié)36h，預(yù)計(jì)壓力下降；最后為2晝夜試驗(yàn)，壓力情況如何呢？
 

試驗(yàn)過程中，我們使用熱電偶測(cè)量燃油箱上表面溫度，從上圖可以看出，試驗(yàn)環(huán)境的溫度變化與國(guó)六法規(guī)IV型試驗(yàn)溫度曲線保持一致，說明試驗(yàn)條件合格。油箱在進(jìn)入溫箱前，溫度低于23℃，所以油箱內(nèi)部會(huì)有2kpa的壓力。在放油加油過程中，會(huì)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(shí)，油箱內(nèi)壓力升至14kpa；20℃常溫浸車時(shí)，油箱內(nèi)壓力變?yōu)?11kpa，最后2晝夜試驗(yàn)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(guó)六試驗(yàn)中，2晝夜試驗(yàn)前油箱的初始狀態(tài)為負(fù)壓狀態(tài)，降低了燃油系統(tǒng)在晝夜試驗(yàn)中的壓力范圍：從0~23kpa變?yōu)?11~8kpa。

完整測(cè)試中晝夜試驗(yàn)件壓力有一個(gè)波動(dòng)，油箱從-11kpa變?yōu)?kpa，判斷燃油箱產(chǎn)生了較大變形（相對(duì)單獨(dú)48h全正壓環(huán)境），降低了油箱壓力。
對(duì)比結(jié)果：

1、壓力變化是否存在負(fù)壓，影響油箱的變形趨勢(shì)

2、適當(dāng)?shù)淖冃慰梢越档陀拖鋬?nèi)部壓力。

3、不同的預(yù)處理溫度，會(huì)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(diǎn)解析：第4點(diǎn)中，受油箱樣件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)控制，這對(duì)我們通過法規(guī)試驗(yàn)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(jìn)一步確認(rèn)，不能只從環(huán)境溫變△T判斷油箱內(nèi)壓力變化△P，試驗(yàn)過程中的處理非常重要，試驗(yàn)中溫度的變化，油溫等都會(huì)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(yàn)條件未變，系統(tǒng)的極限負(fù)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(fù)壓將更低，引起更加苛刻的負(fù)壓條件。

上圖中上面兩圖是按照歐6d標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的晝夜蒸發(fā)排放試驗(yàn)中燃油箱內(nèi)部壓力變化，試驗(yàn)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(guó)六IV型試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，將試驗(yàn)的前處理階段環(huán)境溫度由23℃變?yōu)?0℃，系統(tǒng)無負(fù)壓狀態(tài)，但是極限高壓變?yōu)?2kpa。

Q：適應(yīng)中國(guó)第六階段法規(guī)要求，高壓油箱承壓范圍是多少？

A：市場(chǎng)對(duì)標(biāo)，行業(yè)推薦的壓力值都在35Kpa左右，依據(jù)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，可以考慮調(diào)整到25kPa，甚至以下，負(fù)壓耐受性可能更關(guān)鍵。不同市場(chǎng)，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(duì)標(biāo)”。

Q：滿足中國(guó)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(qiáng)度的需求降低，更輕薄的不銹鋼應(yīng)用，可以降低系統(tǒng)的總重。

國(guó)六法規(guī)下的針對(duì)性壓力研究后，實(shí)際使用狀態(tài)的壓力趨勢(shì)同樣重要！

DEV團(tuán)隊(duì)持續(xù)進(jìn)行高壓系統(tǒng)的研究

 
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