耐高壓燃油箱的安全性能研究

何雍奧

(中國汽車技術研究中心有限公司,天津 300300)

0 前言

隨著汽車保有量的逐年增加,全球面臨著非可再生能源逐漸枯竭以及環境惡化的問題,能源與環境是實現可持續發展必須考慮的問題。目前,各國政府均在大力推進新能源汽車的發展以便降低汽車綜合油耗及污染物排放量,我國也在“十二五”規劃中將新能源汽車產業列為七大戰略性新興產業之一?，F階段新能源汽車主要包括混合動力汽車、純電動汽車以及燃料電池汽車等,其中混合動力汽車由于技術成熟度高以及對配套設施的依賴度低已經成為各汽車廠商優先發展的項目。其中,插電式混合動力,由于其具有更低的綜合油耗、更靈活的驅動模式被廣泛應用。

混合動力汽車的動力系統是由內燃機和電池結合使用。使用電池時油泵停止工作,汽油發揮作用,這使燃油箱內部產生的蒸汽壓力遠遠高于傳統汽車燃油箱的工作壓力。傳統汽車燃油的內部壓力一般在6～10 k Pa,而混合動力汽車燃油箱內部壓力則在35～45 k Pa,因而混合動力汽車所裝配的耐高壓油箱具有比傳統汽車燃油箱更高的剛性需求?；旌蟿恿ζ嚨膭恿Σ贾孟到y如圖1所示。

傳統燃油箱與大氣相通,承壓能力要求不高。但耐高壓油箱則因為在汽車運行時,燃油箱一方面需要向外泵油,另一方面需要承受內部汽油揮發帶來的壓力變化,最大壓力可達45 kPa。根據實際工況不同,燃油箱主要承受以下2種壓力：車輛通過電池提供動力,燃油箱向外泵油,導致燃油箱內部壓力遠大于大氣壓,燃油箱膨脹變形;車輛通過發動機提供動力,燃油箱泵油量大于汽油的揮發量,導致外部大氣壓大于燃油箱內部壓力,燃油箱壓縮變形。

圖1 混合動力汽車的動力布置系統

1 材料及形態變化

傳統汽車燃油箱主要以塑料為主,由高密度聚乙烯(HDPE)+乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)+線性低密度聚乙烯(LLDPE)構成,具有質量輕、形狀自由度大、模具周期短、耐腐蝕性強等優點,但也具有滲透率高等缺點。傳統汽車燃油箱中的金屬油箱,主要以鍍鋅板或鋁鎂合金構成,以SPC3SZ-S-30/30或SCTZ270D-30N為主金屬加鍍層形式。

為了解決燃油箱形變量較大的問題,一般采用以下幾種方式：在塑料燃油箱內部增加金屬支架桿或者塑料支撐桿來增加燃油箱強度,這樣處理后,即使在極限狀態,通過支撐桿先失效來保證燃油箱形態完整,如果通過此方式無法實現使用目的,則在塑料燃油箱外部增加金屬框架進行支撐;對燃油箱材質進行改變,采用304L、316L、409L、439L、441L等碳素鋼或不銹鋼材料,此方法多為主流混合動力汽車采用的技術形式。圖2示出了解決燃油箱變形的方法。

圖2 典型耐高壓燃油箱形態

2 壓力交變耐久試驗研究

選取1款具備內部支撐的塑料耐高壓燃油箱(以下簡稱A),1款壁厚為1.8 mm的碳素鋼耐高壓油箱(以下簡稱B),1款壁厚為1.0 mm不銹鋼耐高壓油箱(以下簡稱C)。將A、B、C這三款燃油箱參照實車狀態固定在工裝上,密封各個排氣口,向燃油箱內加入含有染色劑的額定溶劑的水,之后通入15±1 k Pa的壓力,通過水檢方式檢測燃油箱是否存在泄漏,如無泄漏則繼續試驗。

對燃油箱形變量明顯及關鍵部位進行標記,油泵中心處為1(對應A燃油箱即為A1),注油限位閥(FLVV)中心處為2(對應A燃油箱即為A2),燃油箱左側關鍵點處為3(對應A燃油箱即為A3),燃油箱中部關鍵點處為4(對應A燃油箱即為A4),燃油箱右側關鍵點處為5(對應A燃油箱即為A5),1點對應燃油箱下表面處為6(對應A燃油箱即為A6),2點對應燃油箱下表面處為7(對應A燃油箱即為A7),3點對應燃油箱下表面且位于綁帶處為8(對應A燃油箱即為A8),4點對應燃油箱下表面處為9(對應A燃油箱即為A9,如為馬鞍形,優選為油箱最薄處),5點對應燃油箱下表面且位于隔熱板處為10(對應A燃油箱即為A10)。且針對4款燃油箱,關鍵位置盡量保證位置相近。準備工作完成后對燃油箱進行壓力交變耐久試驗,此試驗可模擬車輛行駛中燃油箱內部壓力變化,如圖3所示。

圖3 試驗波形示意圖

2.1 測試第一階段

壓力從0 k Pa到-10 k Pa再到0 k Pa,三角波升降壓速率為2 k Pa/s,進行50個循環,同時保壓5 min。之后壓力從0 k Pa到35 k Pa再到0 k Pa,三角波升降壓速率為1 k Pa/s,進行20個循環,同時保壓5 min。最后壓力從7.5 k Pa到12.5 k Pa再到7.5 k Pa,三角波升降壓速率為2 k Pa/s,進行350個循環,同時保壓5 min。然后重復第一階段整個過程循環100次。

2.2 測試第二階段

壓力從-15 k Pa到35 k Pa再到-15 k Pa,三角波升降壓速率為0.3 kPa/s,進行20個循環。試驗后進行氣密性檢測。試驗過程中,如發現有染色劑的液體流出,證明燃油箱已泄漏,應立即停止試驗。

取試驗前點位作為基準點(以A-0表示),測量第一階段(以A-1表示)、第二階段(以A-2表示)結束后為變化量(上、下表面膨脹為正,收縮為負)。試驗數據如表1所列。燃油箱進行壓力交變耐久試驗如圖4所示。

從試驗結果可以得出,3款燃油箱都經受了長時間的壓力脈沖試驗。在試驗結束后,對比關鍵點的燃油箱形變量,不銹鋼產品優于碳素鋼產品優于塑料產品。

表1 燃油箱試驗數據變化量(0-2)

圖4 燃油箱進行壓力脈沖試驗

3 恒溫恒壓形變量試驗

選取與上述試驗一致的3款全新燃油箱A、B、C,同樣進行氣密性試驗并對形變量明顯及關鍵部位進行標記。

試驗第一階段向燃油箱中加入50%額定容積的水,此時測量各點位置作為基準點(以A-0表示);第二階段向燃油箱通入壓力,保持燃油箱內部壓力為6 k Pa,將燃油箱存放在60℃環境下6 h,然后測量各點位置(以A-1表示);第三階段向燃油箱通入壓力,環境溫度保持在60℃,保持燃油箱內部壓力為10 kPa,然后測量各點位置(以A-2表示);第四階段向燃油箱通入壓力,環境溫度保持在60℃,保持燃油箱內部壓力為-4 k Pa,然后測量各點位置(以A-3表示)。試驗數據如表2所示(上、下表面膨脹為正,收縮為負)。

從試驗結果可以得出,對比關鍵點的形變量,不銹鋼產品優于碳素鋼產品優于塑料產品。相對于傳統塑料燃油箱,在此試驗條件下,燃油泵、加油口處及一般型面往往大于5 mm,隔熱板或者綁帶處可能大于10 mm,增加支撐筋后,塑料高壓燃油箱的形變量效果已經遠遠優于原產品,但是與金屬高壓油箱相比,還存在一些差距。

4 高溫耐久性與溫度循環試驗

由于混合動力汽車燃油箱長期處于密閉狀態,因此高溫耐久性能是其區別于普通燃油箱的新要求。如果燃油箱無法在長時間內承載高溫高壓,可能會引起燃油箱破裂,存在燃油泄漏的風險,也可發生燃油噴射、飛濺等嚴重后果。而高低溫循環試驗,由于熱脹冷縮原理對燃油箱及支撐件造成結構性破壞,會嚴重影響燃油箱的安全性能。

由于溫度變化對金屬燃油箱影響不大,故僅選取1款塑料燃油箱進行試驗。將燃油箱模擬實車狀態固定在試驗工裝上,向其內部通入45 k Pa的壓縮空氣,保持環境溫度為60℃,持續進行14天。試驗結束后,對燃油箱進行氣密性檢測,燃油箱未發生泄漏,但是發生了明顯形變。剖開燃油箱可發現,形變明顯處為非支撐連接處(圖5)。

選取1款塑料燃油箱,將其模擬實車狀態固定在試驗工裝上,向其中加入50%額定容積的防凍液,采取以下步驟循環10次：80℃恒溫保持15 h,之后室溫保持1 h,-40℃恒溫保持7 h,室溫保持1 h。經過10天的高低溫循環試驗后,對燃油箱進行氣密性檢測,燃油箱未發生泄漏,但同樣發生了明顯形變。剖開燃油箱可發現,形變明顯處為非支撐連接處。

圖5 典型支撐件結構

結合以上2個試驗,可以發現支撐件在塑料高壓油箱中起到了至關重要的作用。在汽車行駛過程中,燃油箱既要供給發動機運轉,又要承受內部汽油揮發帶來的壓力變化?；旌蟿恿ζ囈话銜媾R以下2種狀態：汽車使用電池包提供動力時,燃油箱停止向外泵油,此時燃油箱內部壓力遠大于大氣壓力,燃油箱膨脹變形,支撐件受到拉力作用;汽車使用發動機提供動力時,燃油箱泵油量大于汽油揮發量,此時外部大氣壓力大于燃油箱內部壓力,燃油箱收縮變形,支撐件受到壓力作用。

表2 燃油箱試驗數據變化量(0-3)

為了實現良好的使用效果,支撐件普遍采用啞鈴形狀,兩端截面積增大可增加支撐件與燃油箱的結合力,中間截面積較小可增大支撐件的形變量。同時,也可通過在燃油箱殼體外表面增加加強筋來提高金屬桿與聚乙烯(PE)層的連接強度,采用圓角連接來避免結構過渡處應力集中,從而對燃油箱的結構形式進行優化。

5 泄壓性能試驗

此試驗也是耐高壓燃油箱與傳統燃油箱具有明顯區別的地方,當混合動力汽車采用電池包作為動力時,燃油箱處于密閉狀態,由于汽油揮發,內部壓力遠大于大氣壓力。當對車輛進行加油作業時,如果燃油箱內部存在壓力,當操作者旋開加油口蓋時,存在高溫高壓的汽油蒸汽飛濺或者加油口蓋飛出的危險。由于加油管一般設計為斜向上,很可能傷及操作者面部。

將燃油箱模擬實車狀態安裝,向燃油箱內通入45 k Pa的壓力,通過電控系統開啟壓力截止閥,使燃油系統進行排氣,開始泄壓。記錄泄壓過程中的壓力變化曲線(圖6)。通過大量試驗,可得出燃油箱內部壓力下降至5 kPa(傳統燃油箱內部壓力)之內不應超過10 s。

圖6 泄壓過程中的壓力變化曲線

6 通氣性能要求

燃油箱通氣性能是模擬汽油車輛在前、后傾斜16.7°、左、右傾斜8.5°和水平狀態下,按以下試驗方法進行試驗,試驗要求燃油箱內部壓力不能超過10 k Pa,且不能有液體燃油溢出到碳罐。同時,通氣性能分為靜態通氣性能和動態通氣性能。此試驗是考量實際駕駛過程中燃油的晃動對燃油箱通氣性能的影響,如無法滿足此要求,燃油系統會產生過壓,從而導致泄漏,同時從通氣管路泄露的燃油也會污染碳罐,造成碳氫(HC)污染超標。

6.1 靜態通氣性能試驗

將燃油箱模擬實車狀態固定在工裝上,向其中加入105%的額定容積的水,通過電控模塊將截止閥(FTIV)打開,使燃油箱處于非密封狀態,燃油箱內持續通入5 L/min的空氣,將通氣管連接到盛水的的燒杯中,觀察是否有連續氣泡溢出。緩慢反轉試驗臺,使傾斜角依次達到前傾斜16.7°、后傾斜16.7°、左傾斜8.5°、右傾斜8.5°,實時記錄燃油箱內部壓力。試驗過程中,通氣管應有持續的氣泡產生,且內部壓力不應超過10 k Pa。

6.2 動態通氣性能試驗

將燃油箱模擬實車狀態固定在工裝上,向其中加入額定容積的水,燃油箱內持續通入5 L/min的空氣,密封無開關口,按以下步驟進行試驗：1 s內從0°向前傾斜到35°,保持2 s,1 s恢復水平位置,保持2 s;1 s內從0°向后傾斜到35°,保持2s,1 s內恢復水平位置,保持2 s;1 s內從0°向左傾斜到10°,保持2 s,1 s內恢復水平位置,保持2 s;1 s內從0°向右傾斜到10°,保持2 s,1 s內恢復水平位置,保持2 s,并重復以上循環75次。試驗過程中,燃油箱內部壓力應小于35 kPa,或不超過企業定義的最大工作壓力。

6.3 6軸試驗測試

6軸試驗臺,即6自由度試驗臺,測試設備可沿著3個互相垂直的軸或沿著其中任何1個軸傾斜移動,可以實現更高的頻率和更大的變形(圖7)?？稍谑覂拳h境中更好地還原汽車行駛過程中的實際路譜,同時模擬溫度、濕度、光照等自然條件。彌補了旋轉臺架僅可同軸旋轉的缺陷,將實車采集的比利時路、角鋼路、搓板路、扭曲路等路況的路譜輸入到系統中,模擬出燃油箱在實際使用過程中的通氣性能情況。不同車型的燃油箱安裝位置、安裝形式不同,不同車型對不同路況的反饋情況不同,將傳感器布置在燃油箱上采集數據,然后輸入到6軸試驗系統中,可以最大限度還原燃油箱的實際使用情況。

7 其他性能要求

針對于汽車燃油箱,常用標準為GB 18296-2001《汽車燃油箱安全性能要求和實驗方法》和ECE R34《關于車輛防火認證的統一要求》。對比國標與歐標的要求,針對差異性試驗,對塑料耐高壓燃油箱進行低溫沖擊性能及耐火性能試驗。

圖7 6軸試驗測試臺

低溫沖擊性能試驗采用GB 18296-2001中3.8的要求,但是撞擊點需另外選取如支撐件連接處等位置,考察撞擊是否會引起破損。耐火性能試驗采用ECE R34中的防火要求。

通過實際試驗驗證,耐高壓燃油箱對于耐低溫沖擊性和耐火性與傳統燃油箱性能區別不大,故在此不作特殊要求。

8 金屬耐高壓燃油箱的防爆性能研究

由于越來越多的混合動力汽車的耐高壓燃油箱采用不銹鋼或者碳鋼等金屬材質,之前金屬材料的油箱較多應用于商用車、軍車等大型車輛。但由于金屬燃油箱易發生爆燃現象,后果極其嚴重,故相關標準明確規定了相關燃油箱產品必須采用阻隔防爆技術。

在中華人民共和國交通運輸行業標準JT/T 1178.1-2018《營運貨車安全技術條件 第1部分：載貨汽車》中6.7和JT/T 1178.2-2019《營運貨車安全技術條件 第2部分：牽引車輛與掛車》中6.7規定汽油載貨汽車油箱、牽引車輛油箱應采用阻隔防爆技術,阻隔防爆技術應符合JT/T 1046的規定。在中華人民共和國國家軍用標準GJB 8455-2015《油箱油罐用阻隔防爆材料通用規范》及中華人民共和國交通運輸行業標準JT/T 1046《道路運輸車輛油箱及液體燃油運輸罐體阻隔防爆安全技術要求》[1]則規定了阻隔防爆材料的性能要求。標準中規定了加阻隔防爆材料后燃油箱的原有結構及使用功能不能發生變化,燃油箱的容積降低率不大于6%,燃油箱內燃料在添加阻隔防爆材料前后相容性試驗指標不發生變化(相容性試驗包括色度、酸度、溶劑洗膠質、固體顆粒污染物等)[2]。同時,對阻隔防爆材料本體的體積電阻率、壓縮強度、燃燒性能、振動坍塌變形碎屑質量作出了明確規定。圖8示出了多個試驗的裝置。

圖8 燃油箱防爆性能試驗裝置

在燃油箱內填充阻隔防爆材料后,還需滿足以下防爆性能：燃油箱進行燃爆增壓試驗時,燃爆增壓值應不大于0.14 MPa;燃油箱進行靜爆試驗時,燃油箱內液體燃料不發生2次爆炸;燃油箱進行烤燃試驗時,燃油箱內液體燃料不發生2次爆炸;燃油箱進行破甲戰斗部穿透試驗時,燃油箱中的油氣爆炸高溫區持續時間減低率應不低于80%。

9 結論

混合動力汽車所使用耐高壓燃油箱相對于傳統燃油箱,無論是結構形式還是安全性能,都發生了明顯變化。通過差異性試驗可以得出結論,耐高壓燃油箱需要承受更大的工作壓力,同時產生更小的形變量,其對耐溫性、耐壓性、通氣性的要求要遠遠高于傳統燃油箱。為了滿足要求,需要在材質或者結構上對燃油箱進行改進。順應市場發展,滿足實際使用需求的耐高壓燃油箱的制作工藝與檢測標準也應繼續完善。