某乘用车燃油加注过程优化分析

刘洋，刘志鹏，何金平，秦昊，张昆

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）



某乘用车燃油加注过程优化分析

刘洋，刘志鹏，何金平，秦昊，张昆

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

摘 要：汽车的燃油加注管的结构决定了燃油加注过程的顺畅性，设计结构不好的燃油加注管容易引起反喷或提前“跳枪”现象。文章运用CFD软件对某一乘用车燃油加注过程进行模拟分析，获得了不同时刻加注管内油气分布的状态。根据分析结果对加注管结构进行优化，使加注过程更加顺畅，降低了跳枪和反喷的风险，为燃油系统优化设计提供了参考。

关键词：燃油加注过程；CFD分析；跳枪；优化

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.010

CLC NO.: U463.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-32-03

前言

在汽车燃油系统开发过程中，油箱，燃油加注管和通气管是注油和储油的重要部件，但是由于整车的布置原因会受到空间的限制，使加注口初直线段长度较短，加注管和通气管不得不转多个弯，才能与油箱相连接。在燃油加注过程中往往加注的速度比较快，如果加注管和通气管设计不合理，很有可能导致加注过程不顺畅，气体不能及时排出，系统内压力过大，出现提前“跳枪”现象，更严重会产生反喷情况，影响整车安全。

在以往的设计中，只能通过实验的办法一次次的尝试，造成开发周期延长，研发成本的增加。随着计算机和仿真软件的发展，可以通过CFD软件对燃油加注过程进行模拟，对多个方案进行分析。本文对某乘用车的燃油加注过程进行了几何模型的建立，网格的划分，瞬态CFD分析，并对分析结果进行了分析，找到问题的原因所在，缩短了研发周期，节省了研发成本，为燃油系统开发提供了理论依据。

1、燃油加注过程的理论方程

在燃油加注过程中，系统内同时存在汽油和空气两种物质。在分析过程中需要采用多项流模型，多项流的基本控制模型如下：

质量守恒方程：

初始条件理论公式：

式中：Nc表示模型中存在Nc种流体形态；ρ表示密度；μ表示分析粘性；Cp表示比热；k表示热传导系数。

2、模型介绍

2.1 分析过程中的假设

计算过程中做了以下的假设（1）模拟油箱内部初始有一半燃油（2）整个加油过程温度是恒定的即燃油与空气之间不发生热交换（3）不考虑燃油的蒸发变成气态。

2.2 对加注模型的简化

加注模型包括加注口（枪头），燃油加注管，排气管和油箱组成，网格数量大概53万，本文对加注枪头做了一定的简化，如图1所示：

图1　燃油加注几何模型

2.3 边界条件

本文采取速度进口边界，4.143m/s（约合50L/min），加油站实际加油速度45L/min，出口采用压力边界，设为大气压力。计算过程采用VOF模型进行非稳态瞬态仿真，计算的物理时间为2S，时间步长为0.002S。

3、仿真结果

3.1 原方案计算结果分析

观察燃油加注管内不同时刻燃油的体积分数的变化，（如图2-7），从结果可以看出，燃油第一次碰壁的时间为0.018S，然后燃油开始沿着壁面向出口流动。由于第一个拐角的结构设计不合理，导致加注过程不顺畅，在第0.05S，加注管内出现加注不畅，在第0.18S出现回流现象，在第0.264 S加注趋于稳定状态。据统计，在燃油加注过程中，第一次碰壁后的流动特别重要，一般提前跳枪也多发生在这个时刻，所以燃油加注管第一个拐角处的设计非常重要，为此在原方案基础上对第一个拐角处位置进行优化，再次进行仿真分析。

图2　0.018s燃油体积分数

图3　0.05s燃油体积分数

图4　0.1s燃油体积分数

图5　0.18s燃油体积分数

图6　0.2s燃油体积分数

图7　0.264s燃油体积分数

3.2 优化后方案计算结果分析

基于原版方案的优化结果，对燃油加注管加注角度及初直线段长度进行改进。再次对优化后的燃油加注系统进行模拟分析可以看到加注过程无明显的回流现象，流动更加顺畅，无燃油堆积的情况发生，该方案通过试验验证，已应用到产品开发中，无提前“跳枪”和反喷的现象。

图8　0.018s燃油体积分数

图9　0.05s燃油体积分数

图10　0.1s燃油体积分数

图11　0.18s燃油体积分数

图12　0.2s燃油体积分数

图13　0.264s燃油体积分数

4、总结

（1）在燃油系统开发过程中，燃油加注管的结构对燃油加注过程的顺畅性起到重要的作用，特别是燃油加注管第一个拐角处的设计为重中之重。

（2）通过CFD仿真技术可以实现对整个燃油加注过程进行模拟分析，可以找到容易引起反喷和提前“跳枪”现象的原因，并通过燃油加注管的结构的优化分析减少燃油加注不顺畅的风险，节省了燃油系统的开发时间，降低了研发成本。

参考文献

[1] STAR-CCM+帮助文档.

[2] 张杰山,蒋春龙.加注过程的CFD分析在汽车油箱系统设计中的应用[J].APPLICATION 技术应用,2010(1):51-54.

[3] 张健,方杰.VOF方法理论与应用综述,水利水电科技进展,2005, 04.

Simulation and Optimization Analysis of Tank Fuel Filling

Liu Yang, Liu Zhipeng, He Jingping, Qin Hao, Zhang Kun
（Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141）

Abstract:The structure of fuel-filling pipe was very important for the smoothness in the fuel filling process,a bad design of oil-filling pipe could cause fuel spilling or injector shut-off.Simulation of fuel-filling base on one vehicle was performed using the CFD software in this paper.The fuel and gas distribution of filling pipe is obtained in this simulation.According the result,then,the design of fuel-filling pipe was improved,the smoothness was better,and decrease fuel spilling risk,providing a basis for optimization design of a fuel-tank system.

Keywords:fuel-filling process; CFD simulation; injector shut off; optimization

作者简介：刘洋，就职于华晨汽车工程研究院。

中图分类号：U463.3

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2016)03-32-03