田永亮

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

浅析汽车燃油加注系统

田永亮

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

汽车燃油系统是汽车的重要保障，关系到整车的基础功能和安全，为满足汽车的正常使用，供油系统不仅需要提供足量清洁的燃油，更要满足燃油加注的要求，不能提前“跳枪”更不能出现反喷等现象，文章主要浅析商用车和乘用车的燃油加注系统并简单举例探讨。

加油管；燃油加注；反喷；跳枪

CLC NO.:U463.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-105-04

引言

目前市场上的车型主要分为乘用车和商用车，商用车主要以柴油机为主，乘用车主要以汽油机为主由于车型用途不同因此造型结构以及油箱大小位置均有较大差异，这就导致燃油加注系统出现较大区别。同时因汽油挥发性较柴油高，环境温度高的情况下，汽油加注变得更加困难。

1、各类型加油系统分析

1.1 商用车

商用车中传统轻重卡车型排量较大对续航要求高，因此油箱容积较大同时因商用车主要以载货为主，为提高承载性一般为非承载式车身，即设计有车架，油箱通常布置在车架外侧，油箱口位置较高且很明显，燃油加注系统只有加油口无加油管和通气管，加油枪直接插入油箱加油口内，结构简单粗暴，加油性能几乎不存在任何问题。

图1

而诸如皮卡微货轻客等车型，其燃油系统更多的是倾向于乘用车车型，为较特殊结构，主要参考乘用车结构。

1.2 乘用车

乘用车多为汽油机且为了造型美观和提高乘坐舒适性，一般底盘较低且将油箱布置在座椅下，位置较低且隐秘，必须采用加油管连接整车加油口和油箱进油口。人机工程要求，为方便加油，整车加油口位置需设计得较油箱高，加油管落差较大，可方便借助势能使汽油进入油箱。

图2

2、加注系统问题

2.1 提前跳枪

以传统自封油枪为例（见下图），加注枪嘴处设置有进气嘴，当扳动开关把，主阀在推杆作用下打开，压力燃油通过主阀并推开副阀，燃油通过油枪嘴给汽车加油，并在副阀处产生负压。由于该处经过导管和加油枪口的进气嘴与大气相通，自封机构中的橡胶隔膜两端压力平衡，与橡胶膜相连的锥形杆将钢珠限制到自封轴的四周与外壳的台阶一起固定自封轴，避免自封轴下落。油箱加满时，当油位上升至进气嘴位置，导致进气嘴堵塞，产生负压使得橡胶隔膜向上变形，锥形杆向上抽离，两颗钢球便滑向中心，自封轴往下移动破坏开关把机构的平衡状态，主阀在弹簧作用下关闭，中断加注。

图3

上图限位板在加油的时候可以固定挡片在几个不同的位置，通过开关把连杆限制主阀开启程度，提供不同的加注速度，加注速度越高，越容易提前跳枪。

2.2 反喷

反喷现象一般出现在油箱快加满并跳枪的时候，部分严重的甚至可能出现在加油过程中频繁跳枪的时候，表现为燃油瞬间喷出造成污染和浪费，并可能引起安全隐患，该现象属于比较严重的情况。

加注结束时候的反喷多是因为燃油加注过程中油箱内部气压小于等于外部大气压与加注压力之和，而跳枪瞬间燃油停止加注时压力突变为0，此时油箱内部的压力大于油箱外部大气压的压力导致燃油外涌。从加油过程来看，该现象必然发生，正常轻微情况表现为燃油在加油口内翻腾一下，但是如果情况比较严重将可能喷出加油口，即我们通常所说的反喷。

3、解决方案

3.1 通气系统

基于上述的提前跳枪原因，我们可知，油箱加油管必须设计可靠的通气系统,且通气口位置应避免被加注枪挡住影响通气效率，并尽可能避免一些后期可能存在的通气管堵塞的情况，如汽车行驶过程中的颠簸使燃油进入通气管或者燃油挥发并凝聚到通气管某些部位导致通气效果变差或者堵塞。特别是要避免出现下U型结构。如因车身原因导致该U型结构无法避免，则必须采取诸如引流绳等特殊措施，该措施仅适用于U形管最低端高于油箱通气口的情况。（参考专利：CN 1955029A-燃油箱 CN 1275791C-燃油箱）

3.2 加油管总成

国内市场上汽油加注机加注速度一般分三档，33L/min 45L/min 55L/min，由于燃油从加油枪以一定的速度喷出，且加油管充当油枪与油箱之间的连接结构，若加油管不能及时将燃油输送至油箱或者在加油口产生局部淤积将可能导致提前跳枪从而影响加注，当然这里燃油类型、加注的速度、环境温度也是关键因素。因此加油管的形状和走向直接关系到加注性能的好坏。

3.3 特殊结构

由于不同的车，不同的加注枪甚至不同的加油习惯均可能出现不同的加注情况，这是由于汽车车型设计不统一，而市场上燃油加注枪类型也多导致。为此通常需设计一些特殊的结构。

典型的就是限枪结构，通过限制加注枪在加油口内的相对位置，以确保燃油加注时按照设定的方向和位置喷出，避免燃油进入通气管或者形成涡流，限枪结构通常为加油口缩口结构，分为同心和偏心，主要根据加油管形状特别是初始段的尺寸和角度有关。限枪结构有改善加油角度，固定加油枪状态的效果。

图4

部分油箱加油口内部设置单向阀，目的在于防止反喷，但该结构仅适用于加油落差较大的情况（即乘用车系统），若落差小则很容易起反作用，即不但不能防止反喷，还会在燃油加注快结束的时候因单向阀内外压差变小时阻碍燃油流动使得加油管内的油位迅速升高而导致提前跳枪。

为防止跳枪瞬间出现反喷，乘用车加油口初段直径和长度通常设计较大以增加容量，用于对加油跳枪瞬间的压差突变进行缓冲。

4、某特殊车型设计案例

国内某品牌高端微卡，轿车化设计，具有外形美观，内饰高档，乘坐舒适等优点，采用前独立悬架提高舒适性，同时采用非承载式车身与后钢板弹簧悬架的组合提高承载性，先期搭载柴油机作动力，具有轿车的舒适和较好的承载，在以低端为主的微货市场独树一帜。

4.1 空间结构分析

该车型为了体现美观，油箱隐藏布置到车架纵梁之间，即必须设计加油管；因匹配常规结构的商用车货箱（栏板式、箱货式），加油口不能按照皮卡的形式布置到货箱栏板上，即低于货箱地板导致加油管落差小，同时通气管为避免出现下U型结构，只能从货箱与车架之间通过，加油系统设计难度提高。因商用车路面情况恶劣，加油管裸露极易受到路面砂石的冲击，因此采用金属加油管。因油箱进油口不在上部，可知加油过程中加油管内部的油位会随着油箱油位一起上升，若加油管内燃油流动稍有不畅，加油管内油位必定较油箱内油位升高更快，提前跳枪风险大大增加。

图5

4.2 方案应用

参考乘用车加油管设计布置经验要求：1.加油口与竖直方向夹角＜50°，本车为57.9°，由于上部是货箱，几乎无调整空间；2.加油口与最高油位落差＞300mm，因本车加油口在货箱下，最大能调整到68mm；3.加油口第一直段长度＞160mm，路径优化后为95mm，最大调到180mm，但折弯角度过大。

由于该状态的汽油加注系统各方面情况都无法满足经验要求，存在诸多不确定性。因此我们需要对该平台的加注情况进行摸底。

4.3 方案说明

本次共设计了三个方案的加油口管：

方案1：加油管最简化设计，落差44.6mm，第一直段95mm，折弯半径100mm；

方案2：在方案1基础上抬高加油口位置24mm，以提高加油落差至68mm，但造成连接油箱端的折弯角度增大；

方案3：在方案1基础上将加油口第一直段加长至180mm以防止反喷，由于结构限制，油箱处折弯角度大大增加。

图6

首先对上述方案配合简化的燃油箱及其通气系统数据利用STAR-CCM+进行CFD仿真分析。按45L/min流速，方案1、2均出现提前跳枪，方案2、3反喷，与预想的结果不太一致，因此需进行试验验证。

4.4 试验方法

简易台架，采用燃油加注试验机进行模拟加注试验，加注汽油速度：45L/min。

加油过程分三次跳枪，分别记录下已加注油量，异常情况拔掉通气管使油箱直通大气以排除通气管排气不畅的因素，试验结果如下：

表1

由实验结果可知，方案1勉强加满额定65L汽油要求，但出现提前跳枪，方案2和3均出现异常，无法正常加注，且可以排除油箱通气管排气不畅原因。分析为与加油口管本身设计走向有关。由于三者加油管实验结果与CFD仿真结果相去甚远，且在实际试验中可以发现，三个方案中，加注枪的角度和位置与模拟状态有较大差异，导致试验结果与仿真结果偏差极大，需要采取限枪措施。

4.5 结构优化

首先根据基本原则，设计加油口角度，由于加油管落差小，为提高落差但加油口离上部货箱较近，为方便开启加油盖，该角度无法做到更小（如下图），这里与乘用车加油口结构区别很大，乘用车一般在车身上设计一个专用的空间并用活动式加油口盖板遮挡，因此加油口角度可以做到很小。

将加油枪模型装配到数据中，调整角度使得加油枪模拟实际加油状态，注意保证枪嘴不得低于油箱通气嘴最低处，以免造成提前跳枪。同时多向调整(一般按顺时针和逆时针各旋转60°)，确保各角度和插入深度下油枪嘴前面均有足够的加注空间。由于无法按照塑料加油管设计限枪结构，即采用简化的方案，即调整前两段走向，使加油枪在重力作用下角度位置状态统一如下。

图7

最简化的加油管走向，使燃油第一次接触管壁处远离加油枪口，折弯角度控制在140°以上（避免燃油从油枪口高速喷出即遇到折弯位置强制改变流向，形成涡流是燃油接触通气嘴造成跳枪），同时折弯半径在100mm以上可减少该处燃油回流。

图8

通气管避免U型结构，且通气嘴位置设置在加油口的适当位置。因加油落差小，取消油箱加油口内单向阀，减小加注阻力（该方案需进行加油验证）。

4.6 试验验证

将上述优化前方案1的加油管与优化后的加油管方案结合油箱口带缩口单向阀状态分别进行加油试验，结果如下：

表2

通过试验可知，本案中油箱内单向阀的负面效果显著，限枪结构效果明显，特别是在油箱即将加满的时候。因此在风险较高的加油系统中，设计限枪结构很有必要。

5、总结

由于车型不同导致的整车布置差异，引起燃油加注系统即加油管通气管变化。加油管设计需牢牢抓住加油口位置角度结构合理，通气性能可靠两个基本要点，遵从第一个拐点不影响加油枪出油口且走向简单平顺的原则。某些情况下，实际加油状态与设想状态出入较大，采用仿真分析可减少工作量，但需在此基础上进行充分的试验验证。

[1] 李海亮.关于乘用车燃油加注的研究.

[2] 梁志涛,李峰.汽车燃油加注系统CFD仿真分析.科技创新与应用,2014.

[3] 刘洋.某乘用车燃油加注过程优化分析.汽车实用技术,2015.

Preliminary Analysis of Fuel-filing system

Tian Yongliang
（Anhui Jianghuai Automobile Co, Ltd. Technology center, Anhui Hefei 230601）

Automotive fuel system is an important guarantee for the vehicles.It is related to the basic function and safety of the vehicle.Fuel system not only need to provide adequate clean fuel，but also to meet the requirements of the fuel filling.No injector shut-off or fuel spilling may occur during the fueling.This paper mainly analyzes the fuel-filing system of commercial vehicles and passenger cars，and gives a simple example.

Oil filling pipe; Fuel-filing; fuel spilling; injector shut off

U463.3

A

1671-7988(2016)07-105-04

田永亮，就职于安徽江淮汽车股份有限公司技术中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.033