专论与综述车用燃油泵研究近况

　  摘要：从汽车燃油泵的自身结构优化和检测方式两个层面阐述汽车燃油泵研究情况。前者以提高燃油泵效率为目的进行理论研究，建立效率方程，求解效率方程，并借助于 CFD 技术及其商用软件进行辅助分析。后者使用油液检测法或真空度法来测试燃油泵样品性能，其检测结果对设计提供指导。

　　关键词：燃油泵；CFD；效率；性能检测

  作为汽车燃油供给系统的重要组成部分，电动123燃油泵的作用是将油箱内的低压油转化成高压油输送给发动机各气缸。由于液体在流道内撞击损失较大，因此会大大降低旋涡泵的效率。叶轮和泵盖之间的轴向间隙以及径向间隙直接影响燃油泵的性能， 由于油泵工作时叶轮两面的液体压力存在一个压力差，叶轮出口处的压力大于入口处的压力，因此通过叶轮出口的液体并不是全部都从油泵排油口排出， 而是有一部分从叶轮与泵盖之间的间隙流回吸入口，即从高压液体变回低压液体，造成一定的能量损失，当间隙增大，泄露量就增大，泵的出口压力下降， 流量减少，致使油泵工作效率降低。电动燃油泵的性能直接影响了发动机的性能，因此研究如何提高燃油泵的效率对汽车行业供油系统具有深远影响。出于一定的原因，电动燃油泵通常被制造成为整体不可拆卸的总成，使其生产，维修成本更高[1]，因此提高燃油泵自身品质，降低次品率是有其必要性的。另外，燃油泵还有单向阀、安全阀等附加功能。本文从燃油泵自身结构优化方面和开发检测台设计优化方面阐述了近年来国内的燃油泵发展技术情况，以便对未来从事此方向研究的专家学者，提供一定参考。

　　1车用燃油泵的介绍电动燃油泵分成三个主要组成部分：泵体、永磁电动机和外壳

　　外壳 2.泵体 3.永磁电动机图 1 电动燃油泵主要组成部分工作时永磁电动机作为燃油泵的驱动组件通电后带动泵体旋转，将燃油从进油口吸入并加压，再从出油口排出。燃油排除前流经燃油泵内部对永磁电动机进行冷却，防止电动机温度急剧上升而造成燃油泵破损。泵体由进油板、叶轮、出油板组成。根据泵体的不同，燃油泵可以分为滚柱式燃油泵、涡轮式燃油泵、齿轮式燃油泵和双级电动燃油泵[2]。

　　除了以上三个主要组成部分以外，燃油泵还有安全阀与单向阀来保证燃油泵的正常运行。安全阀又叫回油阀。当管路阻塞等原因造成出油口压力过高时，安全阀打开，过压燃油即从高压区流回低压区，从而保证出油油压稳定，但这一部分从高压油变回低压油的流量会被计入流量损失。单向阀顾名思义是用来保证燃油单向流动的，当燃油泵停止工作时，单向阀关闭，保证燃油泵内存在残余燃油压力， 方便下次燃油泵启动运行[3]。

　　1.1涡轮式燃油泵涡轮式燃油泵原理是流体在叶轮叶片的作用下，跟着叶轮作高速的旋转，叶片间的流体也随叶轮收稿日期：2015-10-23基金资助：2014 年省大学生科技新活动计划暨新苗人才计划（项目编号：KZ1501042）

　　旋转而获得离心力，并使流体从叶片之间的开口处甩出。被甩出的流体挤入机壳，于是机壳内的流体压强增高，最后被导向出口排出。流体被甩出后，叶轮中心部分的压强降低，外界流体就能从叶片式泵的吸入口通过叶轮前盘中央的孔口吸入，源源不断地输送流体。涡轮燃油泵相比其他种类燃油泵具有脉动小的优点[4]。

　　1.2齿轮式燃油泵内齿轮固定在驱动轴上，驱动轴轴心与外齿轮中心有偏离。外齿轮齿数多于内齿轮齿数，当驱动轴转动时，由内外齿所围成的密闭空间容积发生变化， 从而实现泵油的功能[2，5]。

　　1.3双级燃油泵主要由直流电机、一级涡轮泵、二级齿轮泵和辅助装置组成。其中一级涡轮泵的涡轮的叶片从油箱吸入燃油，在输至齿轮泵加压[2]。

　　除去以上转子式燃油泵，还有柱塞泵。早期用于柴油机的柱塞泵是利用发动机曲轴等机械驱动，经过发展，现在还有触点式柱塞泵和晶体电动燃油泵。触点式柱塞泵利用电磁原理进行驱动和控制，而在晶体电动燃油泵中则依靠感应电动势[1]。

　　2常用的研究方法2002 年，Jiang Zuhua Yan Junqi 等人就指出由于燃油泵相关设计参考资料的欠缺，造成只能依赖机械测试台进行优化设计的方法的局限性，消耗了大量人力物力，并由此提出了利用计算机进行燃油泵虚拟设计的概念，并系统论述了虚拟设计的关键技术[6]。依赖于高速计算机技术的强大的数据处理能力，CFD 技术由于其自身的可预见性等特征被广泛应用于泵设计。如殷吉超、沈栋平等人利用 CFD 技术对汽蚀进行分析[7-8]。

　　潘中永等在文献[9]中详细说明了 CFD 技术在泵中的应用，他表示 CFD 预测的泵的扬程误差可以控制在以内，同时可以预测汽蚀状态下空泡长度，从而预测泵的设计寿命。但 CFD 对于泵的损失计算不稳定特性的研究仍待解决，同时，交互性能友好的网格划分软件等的欠缺，对最终分析计算结果都有一定的影响。不仅如此，燃油泵尺寸小，内部流场复杂，传统泵设计中由实验数据归纳总结得到经验系数、方程不可直接运用在燃油泵的设计开发当中。因此在这样缺乏相应研究参考资料及理论支撑的情况下， 我们在设计过程中，不可过分依赖各类 CFD 商用软件，性能实验仍然是设计分析中的重要手段。

　　由于上述种种原因，CFD 技术在工作基质为水的泵研究中的较多，相对于水泵，在燃油泵中的应用较少，但这不影响它依旧是燃油泵研究中最常用的分析手段。

　　它的设计分析过程及要点如图 2.

　  泵 CAD/CFD 的流程图[10-11]控制方程及边界条件常采用 Navier  －stokes 方程来模拟泵内部流动，采用标准 k-E 两方程湍流模型来封闭方程组[12-13]。然后确定边界条件，如文献[14]中 泵进口采用速度进口条件，出口采用压力出口条件。 在这些参考资料中，麻洪海等人利用 CFD 技术分析出叶轮和进出油板间的端间隙与燃油泵的流量关系成反比并得出某型号涡轮泵的叶轮与进出油板间的合理配合端间隙为[15]。龚金科等人利用 CFD 技术证明转子泵中的卸荷槽具有缓解压力负荷的作 用，从而降低机油脉动，使出口压力趋于平缓[16]。程林志和曹瑞等人，建立了某型号燃油泵的设计规范，建模后利用 CFD 对所设计的燃油泵进行流量和脉动等的模拟分析[2，4]。

　　3燃油泵自身性能优化方面研究3.1燃油泵效率效率是衡量燃油泵工作经济性的重要指标之一，燃油泵效率的计算方法有两种，一种是利用输入功率和输出有效功率之比，一种是利用燃油泵的机械效率和容积效率之积。

　　3.1.1方法一（1）输油泵输入功率的计算[17]2      2燃油泵的容积效率为泵的实际流量 Qac 与 Qt 理Pbin = P2 = PN β = PN 姨I -I0 U（1）

　　论流量之比，即Pbin 为输油泵的输入功率（kW）；P2 为电动机的输出功率（kW）；PN 为电动机的额定功率（kW）；式（6）中：△Q 为容积损失（ml/min）。

　　燃油泵的机械效率为泵的理论功率 Nt 与实际输入功率 N 之比，即β 为电动机的负载率；I 为电动机的实际运行电流（A）；I0 为电动机的空载电流（A）；IN 为电动机的额定电流（A）；U 为电动机的实际电压（kV）；UN 为电动机的额定电压（kV）。

　　（2）输油泵输出有效功率 Pyx 的计算式（7）中：△Nm 为机械损失，W.

　　 3.2 机械效率燃油泵的机械效率 Nt 为泵的理论功率从与实际输入功率 N 之比。造成机械损失的原因是各类的摩擦损失，通常包括:（2）

　　（1）轴和轴承的摩擦损失△Nc；

（2）齿轮泵中啮合的摩擦损失△Nn；式中：Pyx 为输油泵的有效功率（kW）；ρ 为输送原油的密度（kg/m3）；g 为重力加速度（m/s2）；Q 为实测输油泵流量（m3/h）；H 为输油泵的扬程（m）。

　　（3）输油泵效率 ηb 的计算叶片/齿面与液体的粘性摩擦损失△Nhδ；（4）端面与液体的粘性摩擦损失△Nhs .

　　轴与滚动轴承的摩擦损失为 1%，轴与滑动轴承的摩擦损失为 20%[4]. 影响这些摩擦损失的因素有很多，比如工艺制造技术，叶片设计厚度，转子半径等等。Naguma，Yoshiharu 等人证明了摩擦系数和机械效率的关系，并详述了叶片泵各参数对摩擦损失和机械效率的影响。提出在叶片厚度、工艺制造等方面来进行改进的方法[18]。

　　式中：V2 为输油泵出口处的介质流速（m/s）；V1 为输油泵入口处的介质流速（m/s）；p2 为输油泵出口处的压力（MPa）；p1 为输油泵入口处的压力（MPa）；S 为管道横截面积（mm2）。

　　泵 A-D 的响应机械效率 ηm  通常定义为 ηm  = T/Tth，即理想转矩Tth 与油泵驱动转矩 T 的比。然而，这涉及到叶片泵在式（4）为输油泵效率不确定的数学分析模型，在设备和输送介质选定后，B 和 ρ 均成为定值。

　　3.1.2方法二燃油泵的总效率为[4]:没有轴转矩影响下的转矩特性。因此，用没有轴机械损失的泵，也就是 T-TC 的油泵驱动扭矩来替代，机械效率由下面的公式定义为 ηm0（8）式（5）中：η 为燃油泵的总效率，ηv  为燃油泵的容积效率，ηm 为燃油泵的机械效率。

　　显示了泵 A-D 在△p 从 0 到 6 MPa 的区间范围内 ηm0 的响应。在此图中，每个泵的 ηm0 的极值用 ηtc 表示且预测极值在△p 无穷大处可取。△p-ηm0 曲线的渐近值就是 ηtc，并且表示为以下等式。

　　ηtc   = lim△p→∞ηm0  =lim△p→∞ Tth（9）

　　Tth  +（T0-TC）+ Tn因为 Tth 和 Tn 与△p 成正比，且 T0-TC 是独立于△p，最终 ηtc  可以被简化为如下式子：积损失，但也不能过小，否则无法在各元件间形成合适的油膜进行润滑而产生较大的机械损失[21]。因此元件间隙和密封的研究极为重要。

　　南京航空航天大学王彬等人提出配流机构楔形密封的概念及特点 ，推导了平行与楔形两种油膜形态下的泄漏量 ，研究燃油柱塞泵平面配流机构不同根据式（11）及其他实验数据证明得到，ε 增大或者改善加工工艺使表面粗糙度降低的方法，可以改善燃油泵机械效率[18]。

　　郁军认为机械功率与电功率分别通过电刷和转轴输入或输出 ，从而实现机电能量转换。所以通过增加电机的效率可以进一步改善油泵的机械效率[19]。

　　叶片出口角和叶片数对扬程和驼峰的影响较明显，增加分流叶片后，扬程提高明显；增加合理布置的分流叶片可以提高泵的扬程和效率，改善叶轮内部流动和湍动能分布；泵体的喉部面积对性能影响非常敏感，其可以有效控制高效区范围和最高效率[14]。

　　T. Shigemitsu 等人通过对三个不同出口角的迷你涡轮泵 A、B、C 实验发现，扬程在大流量的情况下， 随叶片的出口角的增加而增加，而在小流量的情况下，出口角度更大的泵 C 的扬程略小于 B.而轴功率随出口角的增大而增大，这规律适用于所有的流量条件下。在效率方面，出口角越大，最大效率对应的流量越大，因此在设计中可以要求泵尺寸变小，证明增加出口角度来提成泵的性能是可行的[20]。

　　3.3容积效率容积损失通常有以下几个方面:（1）端面间隙泄漏△Qs；（2）径向间隙泄漏△Qd；（3）齿轮泵齿面接触处即啮合处的泄漏△Qn；（4）液体压缩时的弹性损失△Qe .

　　容积的损失主要以端面间隙泄漏△Qs 和径向间隙泄漏△Qd 为主；在啮合情况正常时，通过啮合面接触处的泄漏很小，一般不予考虑；当工作压力较低时，弹性损失△Qe 很小，一般不予考虑，而当工作压力较高时，其压缩损失是不可忽视的[4]。

　　燃油泄漏量不可以过大1.泵盖 2.泵壳 3.齿轮组 4.浮动密封件5.抽吸口（位于不同的剖面） 6.固定轴 7.驱动轴 8.驱动磁体图 4 齿轮泵图解一个合适的密封元件能提高容积效率，提高出口压力。Schiffer J 等人提出一个完全平衡的浮动密封元件的开发，能使面泄漏和燃料齿轮泵的前端泄漏最小化。齿轮组被装在浮动密封元件上，这些元件由两轴的支持，但可以自由地在轴向和径向方向上移动，因此由泵产生的出口高压力使其夹紧到面端部和齿轮的圆周表面。燃料从轴向进入泵，径向排出。图 5（b）表示浮动密封元件覆盖所述齿轮组的一个顶视图。通过对 a 型的实验发现他的最大压差只有（Dpmax = 10 bar）远远低于（Dpmax = 40 bar）的设计要求。并且对实验后的元件进行检查后发现，表面有明显划痕（图（a）虚线处），说明该型元件不能很好的与壳体表面贴合，造成加压燃料流回到泵的吸入侧的内部泄漏的增加。因此设计 b 型密封元件，它能有效提高泵内部容积效率，但是实验中发现，它在耐久性方面表现并不理想。为了保证泵的可靠性，提出了 c 型的泵的优化设计概念方案。

　　4开发燃油泵检测台设计优化方面研究虽然燃油泵的优化设计在很早之前便被提出， 但在如今的生产技术环境中，关于燃油泵的检测台开发依然必不可少。目前，我国车用燃油泵的性能检测方法大致有机械油液检测方法和真空度法。

　　4.1机械油液检测方法油液法是以燃油泵实际工作燃油为基质，通过测试台模拟油泵工作环境来测试运行数据的方法[24]。机 械油液检测方法越来越趋侧于去人工化，全面智能自动化和一体化。

　　燃油泵的性能保证除了设计过程中的参数设计方法，更多的依赖于后期的性能检测。目前试验台测试具有一些共同点。试验台通常需要测试的燃油泵性能检测参数分别有吸油性能、转速特性、压力特性、限压阀工作特性、粘度特性、通过特性、压力脉动实验等[5，25]，他们与燃油泵的流量、扬程、寿命等密切相关[26]。由于试验台研制的目的是用于生产线上的出厂检测等，在研制过程中不但要考虑检测精度，检测台的可靠性和耐久性也极为重要[27]，这是试验台是否能够用于实际生产需要的基本保证。通过大量实验计算所得许用参数与测量所得参数作比较，实验参数均落在需用范围内则为合格[28]。除了直接检测常用参数以外，也常利用各类易测物理量来评定燃油泵性能，如电流、转速，温度等[29-30]。

　　他们的不同点则是，对于燃油泵的试验台研究从单纯的人工分析性能评价体系并检测[5，25]，到将检测结果通过各类分析系统自动化整合并形成相关分析报告，使得试验台越来越趋于智能化、一体化。也有通过形成易测物理量和性能变化关系及其曲线方程，从而间接评定燃油泵性能的方式。也有从检测台综合能力方面考虑，利用夹具不同，研制适用于多种型号燃油泵的方式[31]。

　　4.2真空度法真空度顾名思义即真空的程度，其公式为：真空度=大气压强-绝对压强；绝对压强=大气压+表压。常用在各种非液体（气体）工质的泵产品检测中，如：抽气泵、打气泵等。其测量需要专门的气压传感器或真空度测试仪。

　　赵奇平及其学生程正顺等人，2006 年在程正顺的硕士学位论文中正式提出真空度法燃油泵性能测试系统方法，它的工作原理是并指出真空测试条件下，电机空转，温度上升快，空转时间不得大于 5s 的测试局限性。测量燃油泵空转形成进油口出气压与大气压的压差，即负压值，并由实验得出真空度与流量的对应关系，得出真空度法可代替传统测流量的检测方式的结论。金华职业技术学院钱向明在 2009 年《基于 LabVIEW 的汽车燃油泵输油性能测试系统中》一文中使用相同概念。真空度法测试台虽然被提出有近十年时间但并没有得到充分论证，笔者认为除了理论正确性需要时间验证以外，其空转时间不得超过 5S 的局限性是其显著的短板，使其在理论实验与论证方面都难以展开。若是能够解决燃油泵空转冷却问题，该理论方法会有更多可研究性[32，33]。

　　5结束语目前未建立起一个能对燃油泵流体性能精确预测的数学物理模型。未来的研究可以从以下几个方面进行。

　　（1）燃油泵内部结构复杂，且缺乏相应的设计参考资料。因此有必要开展内部结构及复杂流动边界的流体动力学分析，并建立设计参数的基础数据库。

　　（2）CFD 对于泵的损失计算不稳定特性的研究仍待解决，所以在设计研究过程中，不可过分依赖各类 CFD 商用软件。

　　（3）针对燃油泵性能的实验研究仍然是需要长期进行的科研项目，无论从燃油效率、振动噪音或是其他方面而言，从而验证相关模型的精确性，为参数、结构设计提供指导。

　　（4）油液法检测燃油泵性能仍将长期作为主要检测方法，而近几年出现的真空度法存在运行时间不可多余 5 s 的缺陷，可实行性有待进一步验证。

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