刘学敏 邓湘 卜江华 金永镇 郭亚威

摘  要：针对某插电式混合动力汽车燃油箱加满油的瞬间燃油反喷的故障，结合插电式混合动力燃油系统的工作原理及故障处理经验，分析故障产生的根本原因，提出相应的改进措施，同时优化了技术设计标准，补充完善了试验规范中加油枪的型号要求，对之后的燃油箱设计和加油性能验证方面有一定的指导作用。推荐的加油反喷改善措施，具有技术可行、实施周期短、成本低廉、效果良好的优点，可供借鉴。

关键词：插电式混合动力；燃油箱；反喷

中图分类号：U473      文献标志码：A      文章编号：1005-2550（2023）06-0011-05

Research and Countermeasures of Refueling Spit back in a PHEV Fuel Tank

LIU Xue-min， DENG Xiang， BU Jiang-hua， JIN Yong-zhen， GUO Ya-wei

（ Lantu Automobile Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430056， China）

Abstract： in view of the fault of fuel spit back when the fuel tank of a plug-in hybrid vehicle is filled with fuel， combined with the working principle and fault handling experience of the plug-in hybrid fuel system， this paper analyzes the root causes of the fault and puts forward corresponding improvement measures. At the same time， it optimizes the technical design standard and supplements and perfects the model requirements of the fuel gun in the test specification， It provides important experience feedback and design guidance for subsequent projects in the development and approval of fuel tank.

Key Words： Plug-In Hybrid; Fuel Tank; Spit Back

1    引言

近年来，全球市场汽车保有量逐年大幅增长，同时全球也面临着石油等非可再生资源逐步枯竭和大气环境恶化的问题，为了实现可持续发展，各国政府都在大力推进新能源汽车的研发和投放，以便降低汽车综合油耗和污染物排放。我国也不例外，新能源汽车产业已经被列为七大战略性新兴产业之一。近年来我国相关政策对新能源汽车的补贴、鼓励及支持，也促使车企纷纷进入该领域。

目前，新能源汽车主要包括混合动力汽车、纯电动汽车以及燃料电池汽车等。其中，插电式混合动力（PHEV，即Plug-in Hybrid Electric Vehicle），由于其具有更低的综合油耗、更灵活的驱动模式被广泛应用。插电式混合动力汽车可以跟据工况选择其驱动模式，分别采用纯电驱动模式、纯发动机驱动模式或者发动机与驱动电机共同工作的混合动力模式。

因为在纯电驱动模式时插电式混合动力汽车的燃油箱会有相当长的时间段内不进行燃油输送及燃油蒸汽输送，燃油和燃油蒸汽都封闭保存在燃油箱内部，燃油箱内部压力会比传统内燃机模式下高约5倍，所以对于插电式混合动力汽车，其燃油箱在性能上和結构上会与传统内燃机的燃油箱有所区别，也会遇到不同的故障模式、需要应用不同的解决方案。本文解决的即是某插电式混合动力燃油箱在加油时的燃油反喷问题，整理归纳了反喷问题的故障树，其解决思路具有借鉴意义。

2    PHEV燃油系统结构与功能要求

为了能更清楚地进行问题阐述，首先简要介绍插电式混合燃油系统与传统内燃机燃油系统的结构与功能的差异。

燃油系统工作原理示意图，如图1所示。传统内燃机燃油系统主要由以下关键零部件组成：燃油箱、燃油泵、燃油箱呼吸阀、加油管、燃油管路、碳罐等。燃油箱用于储存燃油，燃油泵则把燃油从燃油箱中吸出、加压后通过燃油管路输送到发动机。燃油箱呼吸阀的作用是平衡燃油箱内外部压力。碳罐内装有活性炭，用于吸附燃油蒸气，待 ECU（即Electronic Control Unit，电子控制单元）控制碳罐电磁阀开启时，清新空气将通过碳罐通气管进入碳罐，形成气流清洗碳罐内的油蒸气进入发动机内参与燃烧[1]。根据GB18352. 6-2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法 （ 中国第六阶段） 》法规要求（为叙述方便，后续简称为“国六”），加油过程中的燃油蒸汽不能直接排放到大气中，而是要经过炭罐过滤后再排往大气。

插电式混合动力汽车的燃油系统与传统纯内燃机燃油系统设计差异主要是需要增加能够进行燃油蒸汽的控制管理，减少燃油蒸气排放至碳罐的零部件。因为插电式混合动力汽车在发动机不工作的工况下，不能及时进行炭罐的脱附清洗。由于车辆运行时油箱内燃油晃动、温度升高等因素影响会导致油箱内汽油蒸气较多，如果不进行蒸汽控制管理，大量的汽油蒸气进入碳罐、又不能及时进行炭罐有效脱附清洗，会造成炭罐被击穿、燃油蒸汽泄露到大气中污染环境。鉴于这种情况，为减少燃油蒸气排放到碳罐，需尽可能将蒸气控制在油箱内。对于传统内燃机燃油系统，当燃油箱内燃油蒸气压力达到4～7kPa时，位于燃油箱上的燃油呼吸阀会打开，燃油蒸气将被释放到碳罐中。而对于插电式混合动力燃油系统，为使燃油蒸气控制在油箱内，一般将油箱内燃油蒸气压力控制在35kPa以内，压力控制通过燃油箱上FTIV阀（即Fuel Tank Isolate Valve，燃油箱隔离阀）实现。另外，通过增加燃油箱壁厚及燃油箱内部增设加强筋增加燃油箱强度，抵抗燃油箱内蒸气压力过高造成燃油箱变形[2]。

3    问题描述

某插电式混合动力车型在上市前的整车路试过程中，发现车辆在加油时有燃油反喷出加油口盖的缺陷，如图2所示。出现反喷的车辆使用的加油抢型号是美国维德路特VEEDER-ROOT，加油速度约45L/min，加油过程中加油流畅、没有提前跳枪和反喷情况，但是在加满油时跳枪的时候，有部分燃油反喷，此时加油枪的加油角度在时钟6点钟和7点半钟包络区间。

4    原因分析

分别从燃油箱产品符合性和设计开发因素对反喷问题进行分析。

4.1   符合性检查

针对反喷缺陷，供应商质量工程师牵头对供应商进行紧急审核，从原材料的入厂检查、零件的生产过程、最终产品的尺寸检测等方面逐一核对。重点审核了产品定义、生产设备参数、关键特性项的监控方法、监控频次等实操方面与前期文件的一致性。同时，对故障车上的燃油箱进行符合性检查。结果，都未发现明显的不符合项。篇幅有限，本文不对符合性检查细节展开描述。

4.2   产品设计开发因素分析

4.2.1 加油枪型号的影响

目前中国市场占比最大的德国ZVA和美国OPW加油枪在加油过程中的油箱压力、通气管流量、回气管流量和炭罐增重均不同，这是加油枪的结构参数（均满足国六法规对加油枪的要求），如枪口内径、枪口外径、直线部分长度、枪嘴到弹簧部分长度等差异造成的[3]。

此次发生故障的VEEDER-ROOT加油枪的这些参数跟ZVA和OPW又有所区别，而上述这些参数对加油性能会有影响。为了佐证这一观点，将故障车辆上的燃油箱放置到试验台架上，用德国ZVA 2G、ZVA SL2和美国OPW 12VWH、OPW 11A-8加油枪进行加油试验，加油速度45L/min，加油正常，没有反喷现象。同样的燃油箱，用某型号的加油枪加油时会出现反喷，而其他加油枪不会出现反喷，可见，加油枪型号是影响反喷的因素。

核实项目开发阶段的试验报告发现，VEEDER-ROOT加油枪不在试验清单里，试验清单里面仅验证了4把燃油抢，分别是德国ZVA 2G、ZVA SL2和美国OPW 12VWH、OPW 11A-8。经市场调研，目前VEEDER-ROOT的加油枪在中国市场中占比接近10%，而该项目的燃油箱产品性能认可规范里仅仅要求验证ZVA和美国OPW的4种加油枪，看来是不充分的，有必要将VEEDER-ROOT的加油枪纳入到产品认可清单里，在后续项目中提前进行验证工作。

4.2.2 加油速率的影响

国六法规的加油速率要求是37L/min，而国五法规的加油速率要求是45L/min，加油速率小，燃油蒸汽有较充足的时间通向炭罐，经炭罐吸附，不会聚集在燃油箱内部形成大的压力。为了验证加油速率的影响，仍然用VEEDER-ROOT的加油枪进行加油，但是将加油速率从45L/min降低到37L/min，反喷故障不再现。国六法规执行时间尚短，市场上加油站可能存在国五和国六加油速率混用的情况，这是客观制约因素，短时间内无法避免。

4.2.3 燃油箱内部压力影响

如前所述，对于插电式混合动力汽车，在纯电驱动时，内燃机不工作，燃油蒸汽被完全封闭在燃油箱内部，此时燃油箱内部的压力会比内燃机工作时压力大很多。在加油过程中，随着燃油蒸汽的增多，燃油箱内气体空间进一步被压缩，燃油箱内部压力可能不能及时被燃油箱呼吸阀释放。过大的压力会将燃油压出加油口，造成反喷。为了更直观地看到加油过程中燃油箱内部压力的变化，在燃油箱顶部外接压力传感器，测试出加油过程的压力曲线，如图3所示：

图3中黑色曲线是油箱内部压力曲线，单位是kPa；加油速度为45L/min。可以看到，在50秒之前，加油量平稳上升，燃油箱内部压力维持在1.2kPa左右；在50秒后，燃油箱内部压力突变到了6.8kPa，此时加油量达到了燃油箱额定容积43L。参阅文献可知，大部分PHEV燃油箱在加满油瞬间，內部压力不超过3kPa。该项目燃油箱加满油时内部压力太大，容易造成燃油反喷。

4.2.4 加油导管结构影响

燃油箱加油管头部有一个加油导管，其作用是限制加油枪姿态和加油深度、同时在加油过程中对燃油进行导流，加油导管位置示意图，详见前面章节图1所示。

为了更好的观察加油反喷的缺陷模式，用透明材料制作了燃油箱加注管，可以看到加油结束时有大量的燃油从加油导管返涌到加油枪感应口，加油枪感应到燃油后弹跳起来阻断了加油进程，然而已经返涌上来的燃油量太大，加油枪跳起来后，有部分燃油直接喷出了加油口。

4.3   分析结论

综上所述，一共有四个因素造成该燃油箱燃油反喷，分别是：

（1）加油枪型号；

（2）加油速率；

（3）跳枪瞬间燃油箱内部压力过大；

（4）加油导管的结构不能有效阻挡跳枪时返涌上来的燃油；

对于加油枪型号，在燃油箱产品开发台架验证阶段，需要选择市场占比大的燃油抢尽量多的验证一些型号；对于加油速率，可以在车辆使用说明书里告知客户，国六车型建议加油速率为37L/min；对于燃油箱内部压力过大和加油导管结构方面，可以做一些设计优化。不过由于该项目已经到投产阶段，零件模具已经定型，大部分试验已经完成，综合考虑质量、成本、周期影响，只能通过有限的设计改动来解决问题。

5    设计优化方案

5.1   优化燃油箱呼吸阀的结构

该燃油箱的呼吸阀集成了两个阀体，分别是加油限制阀FLVV（Fuel level Vent valve）和翻转阀ROV（Roll over valve），剖面图如图4所示。在未加满油时，燃油箱的内部压力释放主要通过FLVV来实现。加满油后，FLVV阀关闭，此时的压力释放靠ROV阀实现。经分析，可以从ROV阀入手来降低加满油时的燃油箱内部压力。ROV阀内部有一个盘片结构，其作用是保持燃油箱内部压力在阈值范围，防止由于燃油箱内压力太低而容易被过度加油，即防止燃油箱加入超过额定容积的燃油，因为过度加油会牺牲燃油箱内部预留给燃油蒸汽的膨胀容积。理论上可以通过取消这个盘片结构使得燃油蒸汽快速地排出去，实现压力降低的目的。考虑到取消盘片可能有过度加油的风险，必需进行加油试验验证。

5.2   优化加油导管的结构

加油枪插在加油导管内进行加油，燃油反喷时一定量的燃油从加油管中反涌到加油导管，进而反喷出加油口盖，被加油者目测到。考虑可以在加油导管喇叭口处增加一个挡板，将反涌上来的燃油挡住，避免燃油反喷出去，如图5所示。

6    物理试验验证

分别对取消翻转阀内部盘片，以及在加油导管喇叭口处增加挡板的方案进行加油试验验证。

试验一，仅采用取消了盘片的翻转阀，对燃油箱进行加油试验，测量此时的燃油箱压力曲线，如图6所示，加油跳枪瞬间燃油箱内部压力从6.8kPa降低到5kPa，降低了1.8kPa，降幅可观。此时，燃油反喷量减少约70%，但不能百分之百避免反喷。燃油箱没有过度被加油的情况。

试验二，仅采用加油导管增加挡板的方案，此时由于燃油箱内部压力过大，反喷的燃油量很多且压力大，挡板变形脱落了。需要加强擋板强度，增强固定可靠性，同时对导管进行更大的适配性更改。

验证三，取消翻转阀盘片的同时给导管增加挡板，即方案一与方案二同时实施，发现效果非常好，反喷情况消失。

综合考虑成本、周期及实施效果，最终选择取消翻转阀盘片和增加加油导管挡板共同实施的方案。

7    结论

本文针对某插电式混合动力汽车在加油跳枪瞬间的燃油反喷缺陷，结合燃油系统的工作原理及故障处理经验，从零件的符合性检查、加油枪型号、加油速率、燃油系统内部压力、加油导管的结构等方面入手，逐一进行原因分析及解决方案的寻找和验证，找出故障产生的根本原因、提出相应的改进措施，对于相似质量问题的分析与改进工作有一定的指导借鉴意义。在解决问题的过程中，完善了现有燃油箱认可试验规范里面的加油枪型号清单，为后续该公司在燃油箱开发认可方面提供了重要的经验反馈和设计指导。

本文的研究是基于产品已经开发出来进行的，难免会对项目成本和周期产生影响，目前的三维仿真能力尚不足以有效模拟燃油箱加满油瞬态的油液和燃油蒸汽的流动和相变过程，如何提升这方面的三维仿真能力，避免成品后出现加油异常问题，是后续的研究方向。

参考文献：

[1]肖菊红，杨勇，插电式混合动力新型燃油系统技术研究，2012.07.

[2]吕昊，陈学宏，插电式混合动力汽车高压塑料燃油箱设计，研究与开发，2009.06.

[3]王敬超等，汽车燃油箱加注性能试验研究，机械制造，2018.08.

[4]谢火志，熊锐等，基于国六标准的ORVR加油排放试验研究，广东工业大学学报，2018.07.

[5]中华人民共和国环境保护部，GB18352. 6-2016，《轻型汽车污染物排放限值及测量方法 （中国第六阶段）》，北京： 中国环境出版社，2016．

[6]陈家瑞，汽车构造，北京： 机械工业出版社，2000.10．

[7]余志生，汽车理论[M]，北京： 机械工业出版社，2007．

[8]王望予，汽车设计[M]，北京： 机械工业出版社，2006．

专家推荐语

蔡文新

东风汽车集团有限公司技术中心

动力总成专业总工程师   研究员级高级工程师

本文针对加油系统开发过程中出现的加油反喷现象从原理入手对其影响因子进行细致分析，并就量产可行的解决方案进行了试验研究。结果显示其方案可行合理，对工程师开发设计有很好的借鉴。论文行文流畅，可读性强，研究内容和结果具有较好的实用价值，推荐发表并推广。