刘 坚 牛胜福 刘新亮 (上海大众汽车有限公司)
【摘要】 随着个人乘用车的日益普及，汽车使用安全性正日益受到重视。文章结合上海大众的电磁兼容实践，首先就油箱上静电荷积累以及静电放电的形成机理进行了简要论述，随之针对如何通过在油箱和车身间建立起静电荷转移通道、如何通过油箱加油口结构设计建立车身积累静电荷预释放通道以及克服燃油加注过程中新的静电荷积累和放电问题进行了详细论述。 【主题词】 汽车电器 油箱 静电放电
0 引言
静电放电的定义是具有不同静电电位的物体相互靠近或直接接触引起的电荷转移。静电放电会导致一些不期望的损害，尤其是对于设计不当的电器产品，其中也包括汽车电器。汽车作为一个集现代机械、电子、化工等各项技术的工业产品，与人们的日常生活和安全息息相关，故国际范围内对汽车静电放电问题较早地进行了深入的研究，并针对静电放电对汽车尤其对车载电器的干扰提出了相应的国际标准I S O10605(中国对应的国家标准为G B/T19951)，其中规定了静电放电测试和功能等级评价的方法。
汽车与环境、汽车与乘员之间的静电电荷转移也是一个普遍现象，静电产生的电火花有可能导致油箱内
燃油混合气爆燃一直是一个比较敏感的安全性话题。目前汽车尤其是乘用车的燃油箱和燃油输送管(车载管路和燃油加注管路)的设计普遍采用非金属材料制作(例如工程塑料或橡胶)，使用过程中燃油和油箱壳体、燃油和燃油输送管、燃油和燃油加注管路之间的剧烈摩擦都会产生大量静电荷并可能出现静电荷的局部积累，静电荷积累到一定程度后放电产生的大能量火花极有可能点燃油箱内的油气，导致爆燃事故，所以在燃油箱设计中必须采取有效措施以避免静电荷局部积累以及由此导致的油箱内部(油液和箱体)和加油操作过程(油箱盖开启-加油进入-加油操作)的放电现象。综观汽车燃油箱尤其是乘用车油箱的设计，汽车燃油泵多设计在油箱内部，通过导线与电源或控制器连接，这个设计在某种程度上为油箱内静电荷到车身的转移以及车身积累静电荷到油箱的转移提供了一个可能的通道，但如果油泵驱动电路设计不完善(例如，通过油泵电源负极端控制)而导致油泵-导线-车身路径中阻抗超过兆欧，则静电荷积累和放电问题依然存在。本文提出了针对油箱静电问题的结构设计方法，通过采用特殊机械结构形成油液-油泵-车身-金属加油口-金属加油管之间可靠的预放电接触、多点接触渠道，从而解决油箱的静电问题。
1 静电产生和放电机理
静电放电的直观理解就是正负电荷的中和以及由此在两个存在电势差的载体间产生的电荷流动。有3种途径可使一个实体积累起静电荷：摩擦、感生以及电荷转移。感生电荷以及电荷转移的过程描述在理论和实践上已经为大家所熟知。工程技术人员对于摩擦生电的现象虽不陌生，但
收稿日期:2009-02-02
受研究手段的限制，对于摩擦电荷产生和放电过程仍缺乏令人满意的定量描述。通过摩擦产生电荷积累的机制可分两步进行定性描述：两种不同材料首先接触，接着分开。这两种不同材料的配对可以是导体/绝缘体、绝缘体/绝缘体，理论上，甚至导体/导体亦可通过接触产生电荷积累。
决定两种不同材料接触后电荷积累量的因素是它们不同的电子溢出功<(费米能级)。金属电子溢出功的典型值处于1-6.5e V之间。当把两种溢出功不同的材料放在一起时，电子从低溢出功(大介电常数)的材料流到高溢出功(小介电常数)的材料。电荷的转移建立起从mV到几个伏特的静电场后，将阻碍进一步的电荷转移，达到一个平衡。表1列出了一些常用材料的相对介电常数ε
r
。A.Coehn在1898年得出两种不同材料电荷积累的两条规则是：介电常数大的物体带正电荷，介电常数小者为负电荷；积累电荷量的大小与介电常数有关。
表1 常见材料摩擦生电序列相应相对介电常数ε
r 材料εr材料εr
空气1镍、铜
人手5～80(湿)银、黄铜
玻璃 3.7金、铂
云母 3.5～9.3聚甲基丙烯酸脂 3.1
人发聚乙烯对苯二甲酸脂 3.3～4.4
尼龙聚苯乙烯 2.5
羊毛聚乙烯2.2～2.4(100MHz)丝调聚苯烯 2.1
铝聚氯乙烯 2.7～4
纸5～6硅11.9
棉花特氟隆 2.0(50Hz)
钢 2.1(3GHz)
桦木3柴油 2.1
琥珀 2.6～2.9汽油 1.9
橡胶 2.5～5防静电控制器
针对接触摩擦生电,M.Aguet给出了材料表面最大电荷密度的经验公式:
σ
s
=1.5×10-5(εr1-εr2)。
两种不同的材料实体接触或经过摩擦后，电荷积累已经达到平衡。接着将它们分开，此时单个实体上保留的电荷量取决于材料或表面的导电性。表面电阻越大，通过最后的接触点中和的电荷就越少。这个中和放电过程的时间常数为τ= R・C，当分离的速度很快，以至其所用时间t<<τ，通过最后接触点中和的电荷就很少。带等量异性电荷的两个实体构成了电容的两个极，距离越大，电容越小，根据公式U=Q/C则二实体之间的电位差越大。某些情况下，电位差如果达到空气击穿电压E
BD
≈30k V/c m时，就会发生击穿火花放电。根据P.R ichman的研究，人体最高可产生约为35k V的静电电压。
在车辆使用过程中不可避免地会因摩擦而产生静电荷。在干燥气候条件下高速行驶的车辆车身与空气剧烈摩擦会在车身上积累大量的正电荷(高速行驶后车身上积累的正电荷在车身金属边角处形成的静电位可达几个k V以上)；乘员衣物与车内座椅摩擦接触后快速分离会让车身上积累或正或负电荷；油箱内油液与箱体的摩擦也会使油液携带负电荷；如果油液和车身之间没有低阻通路，那么电荷的局部积累就有可能导致油液、箱体之间的放电。加油过程中高速流动的汽油、柴油与加油管路、加油管摩擦，也会让油箱内油液携带大量的负电荷，从而让车身上积聚大量负电荷。在现实中，各个厂家为了节约成本，油箱加油口多用非金属材料制成，有的加油口虽用金属制造但也往往做成一个简单的金属筒，如图1所示。加油时加油管就简单地搁在加油口内。实际的测试结果表明，如果加油管和油箱加油口无法保持良好电导通时，阻抗可达兆欧以上，加油射流产生的静电荷积累可导致高达10kV的电位差(加油口带负电荷，加油管带正电荷)，此电势差足可引起静电放电的发生(即产生放电火花)。
2 防静电积累和静电放电设计
消除静电放电火花就可避免油箱内部以及燃油加注过程由静电放电引起的爆燃事故，而避免静电荷的产生、积累和快速转移是避免静电放电火花的根本措施。既然车辆使用过程中因为摩擦产生静电荷是不可避免的，那么只要能够控制静电荷的局部积累和转移，则也可有效避免放电现
图1 常规的油箱加油口
象。通过分析油箱使用过程中产生静电积累的机
理可以发现，只要建立起一个从燃油泵2车身2油箱加油口2加油的可靠低阻等势通路，就可有效避免油箱上静电荷的局部积累和放电现象的发生。
为了避免油箱中燃油因晃动、与车载供油管路摩擦产生静电荷积累可采取的措施相对简单，通过把燃油泵金属壳体与车身用导电带连接，就可使油箱和金属车身成为等势体，摩擦产生的静电荷可通过导电带传播到整个车身，避免电荷的局部积累以及可能的放电，如图2所示。同样燃油泵金属壳体与车身通过导电带连接后，车身其他部位产生的静电荷(车身与空气摩擦产生的静电荷、成员与车身摩擦产生的静电荷等)也会扩散到油箱壳体和燃油中
。
图2 油泵金属壳体与车身连接示意图
造成加油管和油箱加油口无法保持良好接
触的根本原因是：金属加油口与加油管无有效接触点，之间存在油膜以及二者表面氧化。为了解决燃油加注过程中车身积累电荷的转移以及加注过程中新的静电荷积累问题，本文的解决方案是在加油口中增加强化碰触和多点稳定接触的结构设计。籍此形成的预放电接触措施可控制燃油
加注前车身积累电荷的转移时机，而多点接触设计措施可避免燃油加注过程中新静电荷的积累和放电。一个可行的设计实现如图3所示
。
图3 加油口防静电放电设计
本防静电放电加油口由如下关键环节组成:①
金属油气隔离堵片通过铰链和扭簧固定在金属加油口内腔体底壳上，保证油箱盖打开后油气不外泄，加油管放入时与之碰触并保持接触;②导电连接带保证隔离堵片和金属加油口的良好连接;③金属油箱加油口为静电荷转移通道的重要环节;④金属加油口内腔体内壁面下部构成了加油管放入过程中滑动接触面;⑤加油管搁肩通过点接触消除局部油膜和金属氧化表面对静电荷转移的影响;⑥加油口车身导电连接带保证金属加油口与车身成为等势体;⑦金属加油口内腔体底壳，加油管放入后与三角开口形成两点接触，消除局部油膜和金属表面氧化层对电荷转移的影响。此外加油口设计还包括油气堵片扭簧、铰链。整个加油过程中的静电荷转移过程由这样2个环节组成：首先是金属加油管接近、放入金属油箱加油口时车身积累静电荷的预释放；另外加油过程中燃油射流脱离加油管时所产生的静电荷。车身积累静电荷的预释放通道由金属加油口内腔体内壁面和金属油气隔离堵片组成。如图4所示，金属加油管放入油箱加油口的过程中，首先金属加油管沿内腔体内壁面(底部)向内滑动，通过接触摩擦过程可以有效消除油膜和金属表面氧化层的影响，形成初步转移通道；管到达内衬底壳后把油气隔离堵片碰开，同样可以有效消除油膜和金属表面氧化层的影响，再次形成转移通道。在本设计
中，无论加油管如何放入加油口，至少能保证行成一个有效转移通道，可以把车身积累的静电荷在加
注燃油之前释放掉。
图4 油管沿内衬壁面滑动
燃油加注过程中静电荷的转移通道由车身铁板、加油口车身导电连接带、加油管搁肩、金属加油口内衬底壳上的开口楞边、金属油气隔离堵片和导电连接带、金属加油管和加油软管内金属丝组成。通道中存在4个压力接触点。第1个是加油管和金属油气隔离堵片之间的接触点；第2、3个接触点是加油管和加油口内衬底壳上的三角开口楞边形成，如图5所示；第4个接触点是加油金属管与加油管搁肩形成，如图6所示。此4接触点构成多点冗余设计，无论加油管在加油口中如何放置(手持或自由)，至少有一个点形成带压力的接触，从而有效地去除油膜和金属表面氧化层影响
。
图5 内衬底壳开孔
本设计中加油管沿内衬壁面的滑动摩擦、加油管在内衬底壳三角开孔中卡放以及管在
管搁肩放置都可有效地去除油箱加油口和加油图6 加油管搁肩
管上的油膜和氧化层，并且对加油保持一种
磨砺作用，避免形成氧化膜。本设计中加油口内腔体底面的无障碍近似三角开口对加油操作者形成一种提示，使得加油口沿内腔壁面滑动就可很容易地进入三角开口。
3 模型试验验证
采用简化模型进行验证，兆欧表测试结果表明：存在氧化膜和油膜的加油管与存在氧化膜和油膜的油箱加油口简单接触后，两者之间的10
次测量平均阻抗为1.2M
Ω；而采用本文图3的设计方案后，使用原来存在氧化膜和油膜的加油管，经过3次触碰后，数字万用表测试结果表明接
触阻抗由最初的700k
Ω下降到0.3Ω，随后的7次接触试验中阻抗都稳定在0.2～0.3Ω。另外，只要把金属油泵壳体通过导电带与车身可靠连接，之间的阻抗就可稳定在0.2～0.3Ω。试验结果显示本文所述结构设计能够通过碰擦和多点接触机制消除加油管和油箱加油口上金属氧化膜和油膜造成的接触不良问题，通过增加导电带也可以有效减小油泵与车身之间的阻抗，从燃油泵金属壳体2加油管的阻抗可稳定控制在1Ω以下。
4 结语
随着个人乘用车的日益普及，汽车使用安全性正日益受到重视，静电放电火花可能点燃油箱内的燃油混和气的问题也日益受到关注。本文
基于对车辆油箱自身以及燃油加注过程静电积累机制的分析，提出了结构解决方案。通过增加油泵和车身之间的导电连接带以避免油箱部位静电荷的局部积累；通过增加加油口油气隔离堵片以及加强加油管和油箱加油口碰擦解决了车身积累电荷的安全释放；通过加强触碰和接触点压力解决了油膜和表面氧化导致的接触不良问题。采用上述措施可有效地建立起一个从燃油泵-车身-油箱加油口-加油的可靠低阻等势通路。简化的模型试验也验证了文中设计方案对于控制静电荷积累和转移的有效性，可以预期文中结构设计方案投入使用后将带来显著的社会和经济效益。
Abstract
The p rinci p le of electr ostatic gathering on tank and ES D establishment is briefly described combined with the E MC-p ractice in Shanghai VW.Subse2 quently,how t o build up the transfer path bet w een vehicle body and tank,how t o build up a p re-trans2 fer path f or electr ostatic gathered on vehicle body and how t o s olve the p r oble m of the ne w electr ostatic gathering and discharge are detailed.
福伊特全新产品登陆中国
德国福伊特(VO I TH)公司日前将旗下新一代公交车专用自动变速器D I W A.5以及R133-2和“千里马”R1202QL M两款本土化液力缓速器推向中国市场。
福伊特D I W A.5自动变速器集诸多先进技术于一体，其ECU采用升级版Sens or t op换档程序，可精准探测到1%的地形坡度变化，确保变速器始终处于最佳档位，进而提高燃油效率，与上一代的D I W A.3相比，可节油7%。D I W A.5通过内置液力缓速器和独特的内置储油箱及管路，将变扭器和缓速器合二为一，提高驱动系统的性价比，降低运营维护成本。另外,D I W A.5还升级了系统诊断及数据管理软件ALARD I N，为车辆运营商的维护保养工作提供极大便利。
福伊特此次还重点展示了R13322和R1202 QL M(千里马)两款液力缓速器。其中,R13322最大制动力矩达4000Nm，非常适合国内高档大客车选用。而福伊特首款本土化产品R1202QLM“千里马”液力缓速器最大制动力矩为200Nm，且该缓速器只有60kg，比同等制动力矩的电涡流缓速器轻100kg以上，具有显著的轻量化优势。
(岳 晨
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