汽车加油管的轻量化设计及仿真验证

林国发，袁 卫

汽车加油管的轻量化设计及仿真验证

林国发，袁 卫

（上海汽车集团创新研究开发总院，上海 201800）

文章设计了一款符合国六排放标准的轻量化多层塑料加油管。开展了轻量化材料选型，加油管整体重量减少28%。在现有生产线基础上通过增加波纹吸附模具实现了多层波纹管的挤出。基于ANSYS Fluent建立了加油管的计算流体动力学（CFD）仿真模型，并对加油管进行的流体流动分析，结果表明波纹管能减缓内部流体流动，有利液封形成。建立了加油试验台架，并进行了常用加油枪的加油试验和ORVR试验验证。试验结果表明，加油管性能良好，加油时不会出现飞溅、反喷和提前跳枪问题，蒸发排放值为7 mg/day，加油排放结果3.5 mg/L，符合设计要求。

汽车加油管；轻量化；CFD仿真；液体密封；国六排放标准；波纹管；加油性能

为了进一步减少汽车排放污染物，中国于2016年底发布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（GB18352.6—2016）（以下简称国六）。国六新法规严格了汽车燃油系统的VI型蒸发排放限值，同时增加了V型的车载加油油气回收系统（Onboard Refueling Vapor Recovery, ORVR）加油排放污染物限值[1]。为了满足国六新法规，汽车燃油系统在材料和结构上有了很大变化。上海汽车袁卫对燃油系统的材料和限值进行详细阐述，加油管采用金属主管和THV材质橡胶管，加油管总成的渗透排放限值为15 mg/day的值[2]。秦昊等对国五和国六燃油系统解决方案展开了详细对比，国内的主机厂的加油管总成一般都采用了金属材质[3]，金属加油管的密度大导致重量重，导致整车的油耗增加，金属弯管的不良率较高[4]。文献[5-8]对国六燃油系统的车载油气回收（以下简称ORVR）系统进行仿真模拟、建立的相应的计算模型、研究了汽液两相的内部流动、研究了液封跟加油管管径大小的关系。但目前各类文献，缺乏对带有波纹的塑料加油管进行分析模拟及深入的研究。而金属加油管重量和成本对整车不友好，本文从塑料加油管的结构设计、材料选型、工艺开发、基于ANSYS Fluent的仿真分析及试验验证等系统地设计开发了一款轻量化的多层塑料的加油管，既满足了国六法规要求、实现了整车性能要求又减轻了重量、降低了成本。

1 加油管设计

1.1 加油管子零件的设计

基于某款轿车车型的整车布置空间，开展了加油管总成及子件的设计。加油管总成由导流口、加油管本体、护板、循环管、加油主管、炭罐吸附管、尾部密封套等子零件组成。各个子件的材料及功能如表1所示，其中炭罐吸附管、炭罐脱附管、循环管考虑到装配便利性，均采用快插接头跟对手件连接。而作为加油管的主管，长期贮存油蒸汽，并且要实现顺畅加油的功能，还要满足法规要求，所以加油主管的材料及结构设计至关重要。

1.2 加油管的轻量化材料选型

综合零件的轻量化和应用的成熟度，加油管各子零件的材料选型如表1所示。金属管的对汽油分子的阻隔作用很明显，而纯塑料材质对汽油的阻隔作用相对比较差，因此，需在塑料中增加阻隔材料来降低汽油分子的渗透扩散，燃油系统常见的阻隔层有：EVOH、MXD6、PVDF、ETFE、PA6、POM等材料。根据SAE J2659对不同的材料阻隔E10汽油渗透扩散的试验结果：PPA>EVOH> MXD6>PVDF>ETFE>PA6>POM>PA12>PP。

表1 加油管总成的各子零件材料选型

序号加油管子件名称塑料管子件材料 1导流口PA6 2加油管本体PA6 3加强护板PA6 4循环管多层尼龙管PA12/ EVOH/PA12 5加油主管多层波纹管PA12/PVDF/PA12 6炭罐吸附管多层尼龙管PA12/ EVOH/PA12 7炭罐脱附管多层尼龙管PA12/ EVOH/PA12 8尾部密封套氟橡胶FKM

在国六燃油系统中，炭罐脱附管、循环管及炭罐吸附管中由于长时间充满油蒸汽，所以使用常用的管路结构PA12/EVOH/PA12的成熟结构来减少汽油分子的渗透。加油主管的弯管处带有波纹段，且长期与液态汽油接触。PVDF也就是偏氟聚乙烯，特殊的高结晶性和表面张力使其防渗透性能非常好，且具有优异的耐低温冲击性能、机械强度和坚韧性能[9]。

综合考虑成本、性能，最终选择聚偏氟乙烯（PVDP）作为加油主管的阻隔层。同时内层使用导电PA12，满足加油管导电要求（小于106Ω），将加油时产生的电荷导走，满足加油管的安全要求。至此，以多层塑料波纹材质为主管的加油管总重1 335 g，以金属材质为主管的加油管重量为960 g，所以多层塑料波纹材质的加油管减轻28%。

2 多层挤出波纹管的工艺及流程

基于现有供应商体系，确认生产线的工艺及制造能力将加油管子零件分别进行生产制造。加油管本体、护板、尾部连接处密封套等用成熟的注塑工艺即可实现。炭罐吸附管、脱附管、循环管、加油主管则用成熟的多层挤出工艺。多层挤出塑料管挤出后为直管形状，而在整车的空间限制需要进行折弯定型，使得各零件之间有足够的安全间隙。加油主管直径比脱附管、排气管大，为实现多层塑料管在整车的布置，避免在折弯处出现明显失圆，如果加油主管失圆后的直径明显小于25 mm，影响加油性能[6]。

所以在加油主管的折弯处增加波纹段过渡防止该处失圆。为此需要在现有挤出生产线增加波纹管段模具。波纹的工艺流程如下：多层挤出管的原材料粒子PA12/PVDP/PA12等经烘干后，通过多层管口模以流动熔体形式挤出，再由成模台中各模块孔以整圈抽取空气的方式，将流动的熔体吸附在有波纹形状的模块内壁，随着转子的转动，波纹管从成模台末端脱模成型，然后冷却定型，最后卷起来存放。

3 加油管的流体CFD仿真

燃油系统的加油顺畅性是表征加油管是否满足设计和使用要求的重要性能，燃油系统的加油排放（ORVR）性能则关系到燃油系统是否满足法规要求。加油管的传统验证方法是通过试验不断试错，但因为时间周期长、更改代价很大，影响了项目的周期和成本。而本次首次采用波纹形状的加油管，应用经验较少。因此，在设计方案锁定之前有必要对燃油系统的内部流体流动情况进行仿真分析，尽早避免和提前识别出设计缺陷，缩短实物验证的周期及成本。

基于ANSYS Fluent对燃油系统建模，简化不必要的边界，对加油过程进行流体流动分析。本文对计算模型全部采用相同的网格划分方式，改变壁面边界层厚度、入口段轴向网格疏密程度和加油管轴向网格尺寸大小，尤其是拐角和喉管等流动变化剧烈区域的网格尺寸，划分出四种不同数量的网格，其中网格数量为493万个。

3.1 加油顺畅性能仿真

加油管的顺畅性能主要是指加油管内部的汽油是否及时加入到油箱，里面的液面是否及时下降，加油管的顺畅性能直接关系到汽车到加油站加油时油箱未满是否会提前跳枪，关系到客户感知。通常情况下，加油速度越快，对加油管的设计要求越高，也就是说加油时能承受的最高速度是考核加油顺畅性重要指标之一。因此，本文选50 L/min的加油速度来进行加油管内部的流体流动仿真。

在加注燃油时，燃油与壁面有一定的夹角，导致燃油有一小部分撞击到壁面从而产生反向速度矢量。在加油管的几个拐角的波纹管处也产生反向速度矢量，特别是在50 L/min这样高流速下，有些反向矢量是正常的。如图1所示，在加油口位置以及在直角拐角处都产生了反向速度矢量。特别是在波纹管的波峰处，燃油有循环不再向前流动趋势。波纹管内部的速度矢量无序，以及出波纹管的速度矢量较少，体现了波纹管减缓流速的作用。

图1 加油速度50 L/min时加油主管内部的速度矢量图

虽然波纹管有一定的阻流作用，但由于加油管内部油液的重力势能及已经加油速度产生的动能足以克服阻力作用，所以加油管内的流体流动比较顺畅，未出现明显反喷现象，图2为加油主管内部的压力云图。

图2 加油速度50 L/min时加油主管内部的压力云图

加油管除了顺畅性要求外，国六法规实施以来，另外一个重要的性能要求是加油排放限值低，所以在50 L/min的流速下，在第一拐角上附近设个截面，可以观察出加油管内部的汽液的体积分数可达到80%以上，形成液封。由于有几个拐角的存在，使油管的流线复杂，降低了汽油在管内的流速，有利于液封的形成。加油主管的汽油体积分数云图如图3所示。

3.2 液封性能仿真

自从国六标准法规发布后，ORVR系统的要求在加油管某处完全充满汽油以形成液封来减少加油排放限值以满足法规要求。法规要求的加油速度是38 L/min（约为2 m/s），因此我们针对 38 L/min的流速进行液封的流体流动分析，分别在截面、、观察该处不同时刻的体积分数。

从图4可以看出，由于截面出的管径较小，形成液封效果良好，但在、截面处，在1.5 s形成的液封效果最好，这是因为汽油在加油管中出现的喷溅、碰撞、旋流等复杂的流动所形成的。因此初步根据流体仿真，该加油管能满足ORVR要求，具体加油排放值多少还要通过试验验证。

图4 38 L/min的A/B/C液封体积分数图

4 加油管的试验验证

4.1 加油顺畅性验证

基于ANSYS Fluent 仿真结果可以让设计方案不断迭代优化，但最终的设计方案是否能符合要求得通过试验确认。为此我们根据设计方案完成了试验样件制作，并对样件进行了台架试验，如图5所示。试验过程中使用的油箱额定容积为50 L，且在油箱内预加了5 L油，加油机器的数据采样频率为2.5 Hz，国六的试验油蒸汽压为62 kPa。

图5 加油管的试验台架图

选用了市面上常见的市场占用率最高的6种加油枪型：OPW11AP、OPW12VW、ZVA 1.0R、ZVA2GR、AILE、MAIDE，放在加油台架上分别以50 L/min和45 L/min，在不同的插枪角度（假设垂直地面的角度为0°）、不同环境温度（常温23 ℃和高温70 ℃）下进行加油试验。试验结果如表2所示。

表2 加油管顺畅性性能试验

序号加油枪流速/(L/Min)角度/(°)温度/℃试验结果 1OPW12VW45±200±402370合格 2OPW11AP50 3ZVR1.050 4ZVR2.0GR45 5AILE45 6MAIDE45

注：表中角度、温度值横向未对齐，表示所有的枪都按±20 °、0 °、±40 °，在常温23 ℃和高温70 ℃下实验。

根据压力传感器、加油机里的流速、加油量记录的数据，可以得出每次加油时三者之间的关系曲线。如图6—图11所示，6种枪型，加油速度45～50 L/min的加油曲线，从曲线上看，加油时5 s左右油箱内压力达到平衡，50～64 s时首次跳枪，此时油箱内加入了大约45 L的油液，加油过程中未出现飞溅、反喷、提前跳枪问题，加油管的顺畅性能满足要求。

图6 OPW 12 VW加油枪的加油试验

图7 ZVA2.0GR 0 °加油枪的加油试验

图8 AILE加油枪的加油试验

图9 OPW 11AP加油枪的加油试验

图10 MAIDE加油枪的加油试验

图11 ZVA 1.0R加油枪的加油试验

4.2 加油排放值测试

加油排放是表征加油时从加油管头部散发到空气中汽油值的多少，这个试验除了考核加油管，还可以考核到整个燃油系统。但当前文加油顺畅性符合要求时，该性能主要就与加油管有关。为了测试燃油系统的加油排放值，整套台架需运用密闭室法（Sealed Housing for Evaporative Deter- mination, SHED）进行测试。使用加油枪OPW11、在加油时油温20 ℃时以加油速度37 L/min加油，试验测得前后环境排放量差值，加油量及炭罐前后增重的重量，可以得出加油排放量为3.5 mg/L，低于整车分配给加油管[2]的限值15 mg/L，符合国六标准法规的限值50 mg/L要求。

4.3 加油管渗透排放值测试

加油管的渗透排放值是衡量加油管的材料在整车行驶过程或者放置期间对于加油管内部汽油阻隔作用的一个重要指标，整车分配给加油管的限值一般不超过15 mg/day，这样分配有利于整套燃油系统满足法规限值。因此，需要测试多层塑料加油管渗透排放的具体值。将加油主管内预加入1.6 L的试验用油，放入40 ℃的环境舱老化20周后取出来，放到SHED室进行24小时的渗透排放测试，结果为7 mg/day，低于限值15 mg/day，符合国六法规和内部企标的设计要求。

5 结论

文章基于整车布置空间设计了一款加油管，选取了轻量化材料多层波纹管作为加油主管。通过ANSYS Fluent 建立了计算流体动力学（Com- putational Fluid Dynamics, CFD）仿真模型，对加油管加油时的流体流动进行仿真，并制作台架和样件，使用不同的加油枪进行加油顺畅性试验，最后根据国六法规（GB18352—2016）进行加油排放和渗透排放试验。得出以下结论：

1）使用轻量化的多层塑料波纹管材料的加油管能减重28%；

2）加油管拐角的能波纹段减缓内部流动，增加了流动阻力；

3）以多层波纹管为主管的加油管加油顺畅性良好，不会出现飞溅、反喷和提前跳枪问题；

4）该加油管的渗透排放值7 mg/day，加油排放值为3.5 mg/L，低于整车的分配限值，符合法规要求。

[1] 国家环境保护部国家质量监督检验检疫总局.轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)[S].北京:中国环境出版社, 2016.

[2] 袁卫.国Ⅵ整体控制系统的蒸发和加油排放研究[J].上海汽车,2019(11):44-48.

[3] 秦昊,周维,王雷,等.基于国六法规的燃油系统蒸发排放解决方案[J].汽车实用技术,2018,43(10):56-58.

[4] HAWLEY J G, BRACE C J,COX A,et al.Influence of Timealignment on the Calculation of Mass Emissions on a Chassis Rolls Dynamometer[C]//SAE World Congress,Washington:SAE,2004:1.

[5] 汪智,何仁.基于Fluent仿真的ORVR加油管液封设计[J].重庆理工大学学报(自然科学),2014,28(2):16- 21.

[6] 何仁,丁浩.车载加油油气回收装置加油特性试验[J].中国公路学报,2017,30(9):142-150.

[7] 汤水清,陈家庆,刘美丽,等.ORVR系统加油管液封性能数值模拟[J].汽车工程学报,2016,6(3):187-195.

[8] 何仁,邓晓析,丁浩.基于二维非稳态模型的ORVR加油特性的数值模拟[J].汽车工程,2017,39(11):1333- 1340.

[9] 孙佳悦.聚偏二氟乙烯(PVDF)在石化工业中的应用[C]//2015中国腐蚀控制技术暨油气管道检测技术交流会.北京:中国工业防腐蚀协会,2015:54-60.

Simulation Verification and Lightweight Design of Automotive Refueling Pipes

LIN Guofa, YUAN Wei

( SAIC R&D Innovation Headquarters, Shanghai 201800, China )

A lightweight multi-layer plastic fuel filler pipe is designed which meets China VI regulation.The overall weight of the fuel filler pipe is reduced 28 % by carrying out the lightweight material selection. Based on the existing production line, the extrusion of multi-layer bellows is realized by adding corrugated adsorption mold. Based on ANSYS Fluent, the computational fluid dynamics(CFD) simulation model of the fuel pipe is established, and the fluid flow analysis of the fuel pipe is carry out. The results show that the bellows can slow down the internal fluid flow and facilitate the formation of liquid seal. The refueling test bench is established, and the refueling test and ORVR test of common refueling guns are carried out. The test results show that the performance of the fuel pipe is good, and there will be no splash, reverse spray and early jump gun problems during refueling. The evaporated emission value is 7 mg/day, the refueling emission result is 3.5 mg /L, which meet design requirements.

Automotive refueling pipes;Lightweight;CFD simulation;Liquid sealing;China VI regulation;Bellows;Refueling performance

U465

A

1671-7988(2023)12-108-06

林国发（1982－），男，硕士，工程师，研究方向为汽车燃油系统和储氢系统，E-mail:94072408@qq.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.012.021