燃油箱内静电水平测试评价及预防研究

王昊，江佳廉，张泰

摘  要：在某车型开发的寒地试验中，发生了一起燃油箱开裂的故障。分析是静电放电引起了燃油箱爆炸。根据燃油箱内静电放电的原理，制定出燃油箱静电电压测试方法和静电放电路径测试方法。通过试验调查出故障原因是燃油箱汽油里的静电累积到油泵油位计上发生放电，放电能量大于点燃汽油最小能量0.2mJ的要求，点燃燃油箱内汽油蒸气引发爆炸。本文提出了静电对策方案且进行了试验验证，结果表明：将油泵油位计弹片基座改为导电材料，可以有效降低燃油箱内汽油静电电压和放电能量，解决静电放电燃烧问题。

关键词：静电放电;表面电位;放电路径;放电能量

中图分类号：U467.3      文献标识码：A     文章编号：1005-2550（2021）05-0047-06

Test Evaluation And Prevention Research Of

Electrostatic Level In Fuel Tank

WANG Hao， JIANG Jia-lian， ZHANG Tai

（ Dongfeng Nissan Technical Center， Guangzhou 510800， China）

Abstract： In the developing test of some vehicle in cold weather， a cracking failure occurred in the fuel tank. The analysis result is that the electrostatic discharge caused the fuel tank explosion. According to the principle of electrostatic discharge in the fuel tank， we worked out the electrostatic voltage test method and the electrostatic discharge path test method of the fuel tank. The cause of the fault was investigated through tests. The static electricity in the gasoline of fuel tank was accumulated to the fuel gauge of fuel pump and a discharge occurred. The discharge energy is more than the minimum energy requirement of 0.2 mJ for igniting gasoline， so the ignited gasoline vapor in the fuel tank caused an explosion. The countermeasure against static electricity is proposed and tested. The results show that changing the wiper retainer material of fuel gauge in fuel pump to conductive material can effectively reduce the electrostatic voltage of gasoline in the fuel tank and solve the problem of electrostatic discharge.

1    前言

在某車型开发的寒地试验中，发生了一起燃油箱开裂的故障。晚上车辆停车熄火以后，第二天早上试验员闻到浓烈的汽油味，点检车辆发现燃油箱泵口边缘出现了裂缝（如图1）。油泵上有被熏黑的痕迹，但油泵本身没有损坏和烧融，可以正常工作。燃油箱壳体也没有烧融痕迹。车辆位于燃油箱上方的地板出现了变形，车辆其余部位没有任何损坏。由于夜晚车辆熄火后油泵已经断电，推测燃油箱内部发生静电放电引起了爆炸，巨大的压力导致燃油箱开裂和车体变形。为了查明故障原因，接下来我们将编制两套试验方法，分别测试放电电压和放电路径，最后制定对策方案并验证。

2    燃油系统介绍

在搞清故障车油箱内静电放电机理之前，首先介绍一下汽车燃油系统的功能。燃油系统主要由加油口盖、加油管、燃油箱、油泵、碳罐和集中配管等零件组成。燃油箱的主要功能是安全无泄漏地贮藏燃油，油泵的主要功能是供给燃油到发动机和检测燃油箱剩余油量。其中，检测剩余油量的功能是由油泵上的油位计部件来实现的。油位计的工作原理是通过其浮子带动上面的滑动变阻器（如图2），给汽车仪表输出不同的电阻值，仪表将它转换为燃油箱中剩余油量信息显示出来。

3    燃油箱内静电放电原理

接下来介绍一下油箱内静电放电的基本原理。汽车燃油箱爆炸一般需要同时具备三个条件：易燃介质、充足的助燃物氧气以及点火源。燃油蒸气的点火机理各不相同，燃油箱内部或周围最可能的几类点火源包括电火花、热火花和燃油箱的热表面。燃油箱内的油泵也可能由于电气故障、静电放电、短路而形成点火源，其中静电放电最为复杂。

3.1   燃油箱内静电产生机理

汽车加油，行驶中油液在燃油箱内晃动，油泵泵油工作，这三种情况下燃油流动并与周围固体摩擦容易产生静电。同时电荷也在逐步释放，部分电荷会移动到燃油箱壁上并与相反的电荷中和。如果电荷产生速度大于电荷释放速度，则电量逐步增大，静电产生的电场强度也同时增大。当静电场强超过燃油箱内气体所能承受的场强时，则气体被击穿而放电，造成燃油箱爆炸等危害。燃箱内要达到爆炸的条件，汽油蒸气与空气的浓度要达到可燃混合比，即1.4～7.6vol%[1]。根据以往的试验数据，达到该混合比的汽油温度要到-35℃以下。故障当天夜晚气温在-35℃以下，燃油箱内汽油蒸气浓度达到爆炸范围，可发生静电放电引起的爆炸。

3.2   燃油箱内静电放电类型

静电在不同位置发生放电时，由于放电两端的零部件材料不同，放电中释放的能量也不相同。根据发生静电放电时两端的材料和放电的能量，可将燃油箱内静电放电划分为图3所示的三种类型：

a）高能量放电：这种放电类型是未接地金属部件与接地金属部件间发生静电放电。当燃油箱内存在未接地金属部件，且燃油能够与之接触，附近燃油中的静电荷会在未接地金属部件上大量的积累。如果静电荷积累产生的静电场达到击穿电压，则会在这个未接地金属部件与接地金属部件之间发生放电，在短时间内将积累的电荷全部转移，产生高能量电弧，存在较高风险点燃燃油蒸气。其放电能量可用下述公式表达[1]：

其中， E ：放电能量;C ：未接地金属部件电容;VB ：未接地金属部件与接地金属部件间的电位差。点燃汽油的最小放电能量是0.2mJ[1]，设计时要保证放电能量低于这个限值。

b）中等能量放电：这种放电类型是绝缘表面与接地的绝缘部件间出现放电。此种情况一般发生在燃油液面中部，此处静电荷密集，电位较高，且远离金属部件。这种放电需要较大的电位差，放电能量中等。这种放电可击穿绝缘部件，造成部件损坏;同时放电火花可能点燃燃油蒸气，存在一定风险。

c）低能量放电：这种放电类型是绝缘表面与已接地金属部件间出现放电。此种情况中最明显的特征是放电在绝缘体表面发生时是分散的，多个位置产生电弧并最终在金属物体处合并。由于绝缘物体的低导电性，电荷在绝缘物质中的移动性非常低，另外放电过程时间短，这些就决定了只有绝缘表面上或者附近，有限区域内的静电荷会参与到放电中，因此，这种放电情况释放能量较低。尽管这种放电的释放能量较低，但仍有可能造成燃油蒸气点火。[2]在后面的静电放电路径测试方法中我们将涉及到这三种放电类型。

4    燃油箱静电电压测试

4.1   测试方法制定

燃油箱内的静电主要由油泵工作时，燃油在油泵的粗滤、精滤和尼龙管内流动和摩擦产生。对于无回油的燃油系统（如图4所示，油泵至发动机只有供油管没有回油管），油泵给发动机供给后多的燃油在油泵内部回流最终流到燃油箱，这样燃油箱中的汽油也会带静电。我们选取油箱和油泵容易产生和积累静电的部位进行静电电压测试。

静电电压测试方法如图5所示，试验中使用的仪器有：表面电位计、电导率计（测量汽油电导率）、温度计、湿度计、稳压电源（为油泵供电）、流量计（调整燃油输出流量）、数据采集器（记录测量数据）、恒温箱。燃油静电的产生、存储和消散分别对应着燃油的动力粘度、介电常数和电导率三个参数。汽油动力粘度越大，摩擦越容易产生静电。介电常数越大，储存静电越多。电导率越低，静电越不容易消散。通过对国内不同地区汽油的采样分析，发现不同地区汽油的动力粘度和介电常数差异不大，但电导率差异较大，有的地区汽油低温电导率为0pS/m。为此试验中我们选择0℃电导率为0pS/m的95#汽油进行试验。试验时油泵浸没在燃油中容易产生静电流失，因此试验时燃油箱内的燃油量定为从燃油箱底部向上15mm液面高的容量。由于是无回油的燃油系统，油泵输出的燃油通过燃油箱加油口流入燃油箱，以保持液面高度不变。从供油管输出的燃油流量按照车速100km/h時发动机的耗油量设定。

考虑测量对象都在燃油箱内部，按照图5所示的方法间接测量表面电位。油泵法兰打孔，将测量零件表面电位的3根导线从法兰穿入油泵，分别连接在泵芯到精滤罐的U形尼龙管上，精滤罐到法兰的S形尼龙管上和精滤罐上，导线的另一端留在油泵外部。燃油箱上表面打孔，将用于测量燃油电位的导线一端连接铜球置于液面以下，另一端穿过燃油箱开孔延伸到燃油箱外部。将铜板连接到燃油箱外部的导线端部，电位计对准铜板平面并保持15mm距离测量表面电位。测量用的导线外面套上绝缘塑料管，导线与铜板及零件的连接部位覆盖绝缘胶，铜板边缘覆盖绝缘胶，减少静电流失。

试验的燃油箱要提前放入恒温箱中2小时以上，保证里面燃油的温度与设定的环境温度相同。注意燃油箱底下要垫上绝缘的垫子并且不能接地。先打开和关闭油泵的电源几次，以排出空气并填充燃油。给油泵施加14V的驱动电压，以规定流量从供油管中输出燃油。测量每个铜板上的表面电位，检查表面电位随时间的变化，测量直到表面电位稳定为止。由于汽油蒸汽在-35℃以下达到可燃混合比，考虑试验的安全性，将试验的环境温度定为0℃、-10℃、-20℃三种条件，相对湿度20%以下，试验后将环境温度和测得的电压数据输入EXCEL表中生成散点图，利用添加趋势线的工具生成公式，然后利用生成的公式计算出-30℃和-40℃的结果。

4.2   测试结果分析

测量故障车型燃油箱内的静电水平，结果如图6所示。由于燃油箱中存在汽油蒸气和空气，因此使静电放电能量维持在汽油蒸气的点火能量以下，才能防止燃油箱内汽油的燃烧。根据以往试验数据，静电电压达到9kV以上时，静电放电击穿精滤罐和尼龙管的点火能量才能达到点燃汽油的最小能量0.2mJ。从测量结果看，尼龙管和精滤罐的稳定电压较低，拟合到-30℃和-40℃的电压值也没有超过9kV。燃油内的电压值较高，拟合到-40℃的电压值为10.5kV，存在放电点燃汽油的可能，需要进一步分析。

5    静电放电路径测试

5.1   测试方法制定

上述试验发现引起燃油箱爆炸的静电可能来自燃油箱中的燃油，根据前面介绍的燃油箱内静电放电的3种类型，考虑故障现场没有发现燃油箱壳体被静电击穿的痕迹，可以排除放电类型b）的可能性。放电类型a）和c）中都提及了接地的金属部件，燃油箱中只有油泵上存在接地的金属部件，推测放电的路径在油泵上。为了明确静电在油泵上的放电路径，制定了如图7所示的测试方法。

试验中使用的仪器有：表面电位计、静电枪（有效放电电压范围0～30 kV）、LCR数字电桥测试仪（测量电容值）、数据采集器（记录测量数据）。为了便于观察，用一个玻璃缸代替燃油箱壳体。玻璃缸放在木质桌子上，玻璃缸与桌面用绝缘的胶垫隔开。将待测试的油泵放入玻璃缸中，油泵法兰上的插头与线束插头连接，其中油位计的负极线束和泵芯的负极线束都要接地。将水倒入玻璃缸中，水是用来导电的介质。水开始先加到油位计浮子刚浮起的位置。这个位置对应油表的空油位置，客户一般不会将燃油箱里的燃油用到这个位置。将上面试验中测量燃油电压的导线一端浸没在水中，另一端固定在玻璃缸边缘上并且与周围绝缘。将一个金属柄的毛刷立在水中，金属柄固定在玻璃缸边缘上并且与周围绝缘。先断开油泵的接地，用静电枪以30kV电压向毛刷金属柄持续放电。通过用表面电位计测量测电压导线上的电压，来监测水中的静电电压，待电压达到30kV时停止放电。 将油泵接地，静电枪继续向毛刷放电，放电电压为30kV。慢慢往玻璃缸中倒水，使液面缓慢上升，直到满油位的液面高度处。在这个过程中监测表面电位计的读数，观察静电火花是否发生以及在油泵上的发生部位。

5.2   测试结果分析

随着液面的上升，油泵油位计上的2个位置发生了静电放电。如图8所示，首先浮子杆与弹片发生放电。液面慢慢上升接近电阻片导带，液面与导带发生放电。分析试验结果，浮子杆、电阻片上的导带、弹片、触点都是金属的，弹片基座是树脂的。浮子杆的一端浸没在水里，水里的静电传导到浮子杆上。电阻片上的导带与油位计负极连接而接地，弹片和触点与导带连接也接地，但是浮子杆没有接地。浮子杆与弹片发生放电属于放电类型a），液面与导带发生放电属于放电类型c）。用LCR数字电桥测试仪测量浮子杆与弹片之间的电容为4.4pF，液面与导带之间的电容为12.9 pF。根据公式              ，静电电压测试中得到VB=10.5kV，当C=4.4pF时，求得E=0.24mJ;当C=12.9pF时，求得E=0.71mJ。 两个结果都大于点燃汽油的最小放电能量0.2mJ要求，达到点燃油箱内汽油蒸气的条件。

6    设计优化

有效地预防静电放电的方法： 一是防止静电的产生。二是促进静电荷消散，减少积累。三是避免静电放电，破坏静电放电条件。

6.1   防止静电的产生

燃油箱里的静电主要来自油泵工作时燃油流动产生的静电。燃油流经油泵过滤器时，与过滤器剧烈摩擦而使带电量增加10～100倍，控制过滤器的材质、结构和精度可有效的减少静电的产生。改变油泵上尼龙管的材料，例如由PA管变为HDPE管，也可以减少静电的产生。

6.2   促进静电荷消散，减少静电积累

在燃油中添加抗静电添加剂。燃油电阻率在1010～1012 Ω·m，燃油产生的静电荷是最多的。添加抗静电剂就是要改变燃油的电阻率，使燃油不易积聚太多的电荷。但是燃油的电阻率是炼油厂出厂时设定好的，所以很难去改变市场上燃油的电阻率。

油泵接地能减少电荷向外界传导的电阻，加快燃油中电荷的消散。油泵接地的方式有泵芯接地、油位计接地、精滤罐接地、调压阀接地、尼龙管接地等。泵芯接地是将泵芯的壳体接地，精滤罐接地需要将导电铜芯插入滤纸里面，尼龙管接地需要提前将尼龙管的内表面或整个尼龙管换成导电材料。通常接地导线的电阻不宜大于100Ω。[3]

6.3   避免静电放电，破坏放电条件

将带静电的零件与接地零件保持10mm以上的距离，防止静电放电的发生。

7    对策及验证

根据燃油箱静电电压测试结果，油泵精滤罐和尼龙管上的静电量并不多，静电主要集中在燃油箱内的燃油里，对策的方向主要考虑将燃油里的静电导走。根据静电放电路径测试结果，放电主要发生在油泵的油位计上，说明静电的传导路径在油位计上，但油位计没有有效接地。设计确认发现油位计的弹片基座采用的是不导电的POM 材料。浮子杆→弹片基座→弹片→触点→导带→负极线束，这条接地回路中除了弹片基座是不导电塑料外，其余所有零件都是金属导电材料。燃油里的静电传导到了浮子杆，但是在弹片基座这里中断，无法传导到负极线束而接地导走。所以根据预防静电放电之促进静电荷消散的方法，将油位计的弹片基座由不导电的POM材料换成导电的POM材料作为对策方案，使整个油位计完全接地，其中弹片基座的电阻控制在106Ω以下。

采用对策后的油泵做静电放电路径测试，试验中静电枪施加30kV电压，随着液面上升油位计上没有发生静电放电。测量对策后浮子杆与弹片之间的电容为21.2pF，液面与导带之间的电容仍为12.9pF未变。由于油位计弹片基座换成导电材料，浮子杆与弹片之间的电容变大。将对策后的油泵放入燃油箱中做静电电压测试，拟合到-40℃的电压值为3.6kV。由于弹片基座换成导电材料，整个油位计完全接地，燃油箱内燃油中的静电被大量导走，燃油中的静电电压大大降低。将VB=3.6 kV代入公式                    ，其中C取电容较大值21.2pF，求得E=0.14 mJ小于点燃汽油的最小放电能量0.2mJ要求，不存在放电点燃汽油的危险，对策有效。

8    结束语

汽车燃油箱的静电问题相对比较复杂，具有一定的危险性。本文针对某车型开发试验中发生的燃油箱爆炸故障，从燃油箱内静电放电原理出发，制定出燃油箱静电电压测试方法和静电放电路径测试方法。通过试验调查出故障原因是燃油箱燃油里的静电累积到油泵油位计上发生放电，点燃油箱内燃油蒸气引发爆炸。提出将油位计弹片基座改为导电材料的对策方案并进行试验验证。结果表明，该方案可有效降低燃油箱内燃油的静电电压，解决静电放电燃烧问题。

参考文献：

[1]SAE J1645-2011. Fuel Systems and Components—Electrostatic Charge Mitigation[S]. 2011.

[2]冯侃，杜奎.民用飛机复合材料燃油箱的静电防护方法研究[R].中国物理学会.中国物理学会第二十届全国静电学术会议.石家庄. 2015：376～379.

[3]王小平，蒋红岩.飞机燃油箱的静电打火及防护[J]. 航空科学技术.2010（6）：19～21.