基于FA的燃油箱吸瘪问题分析及改进

田峰 王文水 杨菲菲

（1.一汽通用轻型商用汽车有限公司；2.通用汽车中国投资有限公司）

随着汽车数量的不断增加，汽车的安全性越来越引发广泛关注，特别是汽车的燃油供给系统中的燃油箱，成为了一个不可忽视的重要的安全部件[1]。油箱在使用过程中，有时会因内部压力过小而导致向内凹陷变形，俗称“油箱吸瘪”。“油箱吸瘪”不仅会造成油箱变形，导致油表不准；还会因内部负压过大，使发动机在汽车行驶时突然熄火，很可能发生交通事故；甚至还会造成油箱因变形过大而破裂，从而引发燃油泄漏甚至火灾爆炸等。因此，对油箱“吸瘪问题”进行细致的原因分析，并从根本上解决问题是十分必要的。这类问题在汽车售后市场上经常发生，且多发于柴油车中，文章即以某型号柴油车“油箱吸瘪”为例，对问题进行了详细分析。

1 柴油车燃油供给系统的组成

柴油车的燃油供给系统包括燃油箱、输油泵、油水分离器、燃油滤清器、输油管、回油管、加油管、油箱盖以及发动机内部的高压油管、喷油器等[2]，且上述系统在各阀体不开启时构成一个密封体。1）当发动机不工作时，系统内因柴油的挥发，造成气压增加，使油箱内的压力大于油箱外的大气压力；2）当发动机工作时，系统内因柴油的消耗，造成气压降低，使油箱内的压力小于油箱外的大气压力。为了防止油箱内压力和大气压力相差过大，需要一个双向阀体来调节油箱内外的气压，这个阀体在柴油车上，通常装在油箱盖内，因此油箱盖不仅有遮盖油箱，防止燃油被盗的功能，还具有平衡燃油系统内部压力的作用。

2 油箱盖基本结构

发生了“油箱吸瘪”的某型号柴油车，其油箱盖基本结构，如图1 所示，其中双向阀上盖、双向阀壳体、正压阀控制弹簧、负压阀控制弹簧、正压阀活塞和负压阀活塞这几个部件构成了油箱盖用于平衡气压的双向阀机构。对于平衡负压来讲，正常情况下当油箱内部气压过低时，为了防止“油箱吸瘪”，负压控制弹簧会控制负压阀门开启，气流从外界沿图1 中红色箭头流入油箱，平衡油箱内外气压。

3 基于FA的油箱吸瘪原因分析

FA（Function Analysis）即功能分析，是六西格玛设计（DFSS）中的一个非常有用的工具，可以将系统中部件与部件之间的作用关系模型化，从而形象地展示系统功能实现的原理，帮助分析者更清楚地分析问题。

以该柴油车为例，“油箱吸瘪”说明燃油供给系统中用于平衡气压的油箱盖双向阀出现了问题，油箱盖排气阀部分的功能模型，如图2 所示。

从图2 中可以看出，气压对油箱的压力影响是有害的，也是造成油箱吸瘪的直接原因。而真正的设计缺陷在于负压阀控制弹簧变形应力过大，导致需要油箱内积累较大的负压才能打开负压阀活塞，而在负压阀开启之前，油箱内的负压造成了油箱的向内凹陷，即“油箱吸瘪”。另外，即便是负压阀打开，如果双向阀内通气孔过于狭窄，气流速度慢，油箱内的负压得不到及时释放，也会造成油箱吸瘪。因此，选择合适的双向阀负压开启压力和开启后的流量是解决油箱吸瘪问题的关键。

4 常见油箱盖对标

市场上带双向阀的油箱盖种类很多，但对于双向阀的负压开启力和开启后的流量并没有明确的国家标准，因此，需要企业依据自己产品的特点，在保证燃油系统安全性的情况下自行制定设计标准。对于不同容量的油箱，不同油耗的车型，双向阀的技术参数要求也有很大差别，选择技术参数不合适的油箱盖很可能为燃油供给系统的安全性带来隐患，这也是在解决油箱吸瘪问题时，不宜盲目选配油箱盖的原因。

本课题对标时选择了5 种适用于类似油箱容量及油耗的油箱盖，这5 种油箱盖分别来自于公司A～E，其中公司A 即出现油箱吸瘪问题油箱盖的制造商。表1 示出了各公司油箱盖的负压开启力和开启后空气流量的技术标准。5 种油箱盖的3D 模型，如图3 所示。

表1 不同公司油箱盖开启压力及流量对比表

通过表1 可知，公司A 和公司B～E 相比，其负压开启力标准制定的过大，开启后流量标准制定的又过小，因此生产的产品的确具备造成油箱吸瘪的风险。为了消除风险，需要采取修改标准的对策，在参考其他同类产品制造商的技术标准后，公司A 将负压开启力标准修改为-1.3 kPa，开启后空气流量修改为＞1 L/min。从图3中可以看出，公司A～E 的双向阀结构类似，气流流经途径也基本相同，因此用于对标的产品具有可参考性。

5 油箱盖负压调节性能的优化设计

新标准的实现需要产品设计的更改，对于油箱盖决定负压开启力和开启后空气流量的因素主要有负压弹簧的力学性能、通气孔截面积和负压阀活塞截面积等。对于已经形成量产的油箱盖、变更通气孔截面积和负压阀活塞截面积需要修改模具或重新开发模具，这会增加较大成本。而变更负压弹簧的力学性能，则可以采用变更弹簧直径和螺旋圈数等方法实现，且成本较低，同样能够达成新标准的要求，因此被本课题采纳。通过逐步变更负压弹簧钢丝直径的方法，最终确定将负压弹簧由原设计的Ф0.4 变更为Ф0.3，可以使油箱盖负压开启力和空气流量满足新标准。图4 示出变更前后的负压弹簧的力学性能曲线。

由图4 可知，变更后的负压弹簧比变更前的负压弹簧更“软”，这也使双向阀在油箱内有负压时，更容易开启并获得更大的气流量，抑制油箱吸瘪的发生。

6 新标准的验证

由于新标准是在FA 分析和参考对标结果的基础上制定的，因此需要进行试验，确认其合理性。

6.1 燃油系统负压变形试验

负压变形试验实际是对油箱变形量的检测，也是油箱吸瘪问题解决效果最直接的体现。

试验设备:燃油系统压力和流量检测试验台以及卡尺。

试验步骤:1）将油箱、加油管及油箱盖按照装配要求连接好；2）将输油管、回油管连接在试验台上；3）启动试验台气泵，以-0.5 kPa 为步进单位，向燃油系统加载负压；4）用卡尺记录每次加载负压后油箱的变形量，直到油箱盖完全打开，负压无法增加。

试验结果:本次试验分别对4 个样件进行了试验，其中1～3#件为基于新标准的油箱盖，4#件为造成油箱吸瘪的故障件。油箱变形量对比图，如图5 所示。从图5 可以看出，故障件油箱最大变形量为18.5 mm，而装配了基于新标准油箱盖的油箱变形量仅为0.5 mm 左右，有效地解决了油箱吸瘪的问题。

6.2 负压弹簧耐久性试验

由于本课题的负压弹簧是为达到油箱盖新标准要求而重新设计的，因此有必要对负压弹簧的耐久性进行评价，防止弹簧因设计、材料、生产工艺及使用环境等因素无法满足耐久性要求[3]。

试验设备:弹簧疲劳试验机。

试验步骤:1）设定试验机以10 次/min 的速度进行疲劳试验；2）进行10 000 次疲劳试验，并每隔2 000 次观察一次弹簧状态。

试验结果:经过10 000 次疲劳试验后，负压弹簧无损坏，证明可以满足使用耐久性要求。

6.3 燃油箱密封性试验

根据GB 18296—2001《汽车燃油箱安全性能要求和试验方法》中规定，燃油箱必须要满足密封性要求，本次燃油箱盖的变更，使双向阀变得更容易被开启，因此需要重新检测燃油箱的密封性。

试验设备:燃油箱翻转试验台、量杯及秒表。

试验步骤:1）在燃油箱内注入50%的水后，封闭燃油箱进出口；2）在试验台上翻转燃油箱至注油口中心线垂直于地面；3）待燃油箱稳定15 s 后，用量杯接水，要求1 min 内渗漏量不得超过30 mL。

试验结果:经过试验，1 min 内，燃油箱并无渗漏现象，表明新设计的油箱盖符合密封性要求。

6.4 高速公路路试试验

路试试验相当于新油箱盖的试装试验，用于确认油箱盖在实际使用中是否满足使用要求。

试验设备:试验用柴油车。

试验步骤:1）按照装配要求将油箱盖装配在试验车上；2）在高速公路上以120 km/h 的速度行驶，确认是否有突然熄火现象；3）每消耗完一整箱燃油后，检查一次油箱状态，看是否有油表不准或油箱吸瘪现象。路试需要行驶1 300 km。

试验结果:未发现有燃油箱吸瘪、汽车熄火及油表不准等现象，表明新设计的油箱盖能够有效解决燃油箱吸瘪的问题。

7 结论

1）FA 法可以形象得地将系统部件间的关系表达出来，是一种高效的分析问题原因的方法；2）某车型造成油箱吸瘪的主要原因是油箱盖的压力平衡阀（即双向阀）设计不合理，变更负压控制弹簧的力学性能可以解决此问题；3）不同类型的汽车所配备的油箱盖标准也不尽相同，不能随便互换；4）文章将负压开启力由原标准的-4kPa 变更为-1.3kPa，空气流量由原标准的0.3L/min，变更为1 L/min，使油箱变形量由原来的最大18.5 mm，减小为0.5 mm，有效地解决了油箱吸瘪的问题。