1、车用电动汽油泵的理论研究与实践（陈德庆于日本）摘要：主要介绍车用电动汽油泵的原理与结构特点，并对3种典型的车用电动汽油泵进行了结构分析与性能实验对比；阐述了电动汽油泵的流道断面面积和形状、叶轮的直径、叶片数、形状、叶轮和壳体之间的间隙等；对其性能的影响。3种泵在电喷发动机常用的供油压力300kPa左右性能相近，UAES泵油率为237 Lw.h 、DENSO和VDO 泵油率均为2.08 LW.h 。关键词：电动汽油泵；涡轮泵；泵油率；性能试验1 前言当今汽车的3大任务是节能、环保和安全。为了提高其动力性、经济性、安全性以及减少排放污染、增强舒适性，采用电子控制技术已经成为一种不可阻挡的潮流，而且
2、技术日益成熟、日趋普及。 电动 汽油泵是电喷发动机中燃油供给系统的一个重要组成部件，我们将针对车用电动汽油泵进行探讨。2、电动汽油泵的结构与工作机理常见的电动汽油泵有涡轮式和滚柱式两种：2、1涡轮式电动汽油泵涡轮式电动汽油泵主要由永磁电动机(电枢、定子、后端盖、 )、涡轮泵、单向阀（止回阀）以及安全阀(溢流阀)等组成，如图所示，当通过电刷给电动机电枢供电时，电动机就带动涡轮转子（叶轮）转动。叶轮上的叶片在离心力的作用下贴紧泵体、泵盖，形成一个个小的密封腔室。密封腔室的转动就将汽油从进油口带到出油口，并以一定的压力输出。在汽油泵的出油口处设有止回阀，其作用是让汽油只能向一个方向流动，这样可以防止
3、在发动机熄火时因油压的突然下降而导致汽油倒流，从而保持供油油路中的油压，以便于下一次的顺利启动，同时由于保持一定的油压可防止汽油的蒸发而产生汽阻现象（压力高气化温度点也相对升高），引起启动困难。另外，汽油泵上还设有(安全阀)溢流阀，其作用是防止油泵压力过高（因堵塞等原因）而损坏油泵及管路等器件，所以又称为限压阀。当泵油压力过高（最高600Kpa），溢流阀打开，汽油又流回 进油箱内。 涡轮式电动汽油泵的运转噪声小泵油量大，其输油压力可达250400Kpa ，输 油压力稳定它的泵油压力波动很小，只有2Kpa左右，因此可以取消油 压减振器。箱式 电动汽油泵浸在燃油中工作时，汽油不断穿过油泵和电动机，
4、使之得到润滑叶片泵与冷却。2.2滚柱式电动汽油泵(省略)3 泵的性能参数和分类泵一般可按其工作原理分为三大类，即叶片式泵、容积式泵和其他类型泵。其中叶片式泵是依靠工作叶轮的旋转运动而输送液体的，如离心泵、轴流泵、混流泵和涡轮泵；容积式泵则是依靠工作室容积间隙改变而输送液体的，又可以分为往复泵和回转泵。泵的性能经常用流量、扬程、转速、功率、效率、允 许吸上真空高度和比转速等参数来评价 。目前电喷发动机中所采用的电动汽油泵主要有辊子泵、内齿轮泵、叶片泵以及由侧槽泵作初级泵叶片泵作主级泵的双级泵，其中辊子泵和内齿轮泵属于容积式泵。叶片泵和双级泵应用较多。我们所研究的电动汽油泵属于叶片泵中的涡轮泵，下
5、面首先讨论一下涡轮泵的理论。4 涡轮泵的特点及理论分析41涡轮泵的工作原理与特点由星形叶轮和带有不连贯油槽的泵体、泵盖之间旋转来输送液体的泵称为涡轮泵，如 图1所示。图1 旋涡泵结构示意图其主要工作机构包括叶轮(叶片式或外缘上切成许多沟槽而形成叶片的圆盘) 、泵体和泵盖，以及由它们所组成的环形流道。其工作原理如下：星形叶轮在旋转时，产生了离心力，液体在此离心力的作用下，由泵盖吸油孔流入叶片根部并被抛向外圆，进入泵体和泵盖的油槽中。这部分液体原来随着叶片做圆周运动，具有一定的速度能，在油槽中速度能变为压力能，之后又被叶片所掠取。在液体质点由入口到出口的过程中，这样的作用多次重复，能量逐次增加，就
6、像液体在离心水泵中受多级叶轮的作用那样。液体在油槽中随星形叶轮运动，到了截止点，由于油槽突然被堵塞，液体就从出口孔流出。涡轮泵的主要特点如下；(1)结构 简单 ，体积小，重量轻，扬程高；(2)大部分旋涡泵具有自吸能力；(3)具有陡降的扬程特性曲线，如图2所示：(4)很多旋 涡泵 能实现气液混输，这对于抽送含有气体的易挥发的液体具有重要的意义；(5)某些零件，如叶 轮可使用非金属材料模压。涡轮泵的以上特点，使得其特别适合于车用发动机使用。32涡轮泵的典型结构涡轮泵叶轮型式可分为开式与闭式，如图3。闭式叶轮叶片短。叶轮的内半径等于流道的内半径，液体直接从吸人管输送至流道中去。开式叶 轮，叶片内半径
7、小于流道内半径，叶片较长。图3 涡轮泵叶轮型式涡轮泵流道与排出口相对位置的4种形式，如图4所示。a两端开式流道 b. 端开式流道 c向心开式流道 d闭式流道图4 流道和排出口相对位置涡轮泵流道与叶轮的相对位置具有如图5所示的三种型式。a.外围流道式 b开式外围侧边流道式 c闭式侧边流道式图5 流道与叶轮的相对位置涡轮泵叶轮叶片的形状如图6，叶片的截面形状如图7。图6 旋涡泵叶轮的叶片形状a 径向 b 朝旋 转方向前倾 c 后弯直叶片 d 后转角 e 前转角附图7 旋涡泵叶轮叶片的截面形状4 三种车用电动汽油泵的结构特点与性能对比 我们对UAES、DENSO和VDO 3种电动汽油泵进行了结构分析
8、与性能测试，其中UAES和DENSO为单级 叶片泵， VDO为双级泵，其初级为侧槽泵，主级为叶片泵。41 结构对比涡轮泵过流部分的几何形状对泵的性能影响很大，它决定了涡轮泵的流量，从根本上影响着泵的特性曲线，同时也会影响泵的扬程。表1给出3种泵中的泵体部分的一些关键尺寸。泵体结构 UAES DENSO VDO第一级 VDO第二级叶轮型式 闭式叶轮 闭式叶轮 闭式叶轮流道型式 闭式双侧边开流道闭式双侧边开流道 闭式双侧边开流道叶轮外径 33.62 30.00 28.70 44.12叶轮宽度 3.82 2.76 4.20 3.50叶片外径 31.20 30.00 28.70 41.18叶片内径 2
9、5.40 26.40 17.50 34.82叶片数 47 67 43 50叶片是否变节距 否 否 否 否叶片形状 径向 径向 径向 径向叶片截面形状 镰刀形 长方形 长方形 镰刀形叶片是否外包络 是 否 是 是径向间隙/mm 0.16 0.45 0.21轴向间隙/mm 0.04 0.04 0.20流道径向高度/mm 3.20 2.60 3.82流道宽度/mm 1.30 0.70-1.00 1.00-1.10流道断面形状 渐变半圆宽度 半圆等宽度 半圆等宽度42 工作特性工作特性包括流量特性与堵转特性。流量特性是在DC12 V电压下，汽油泵出油流量与出油压力的关系；堵转特性是指在堵住出油口使汽油
10、泵出油流量为O时，分别输 入DC12 V 、DC8 V、DC6 V时的出油压力值。 试验测得在DC12 V电压、出油 压力为300320 kPa时3种泵的转 速分别如下：UAES 为8400 rmin 、DENSO 为7750 rmin、 VDO为3830 rmin 。(1) 流量特性。图8给出了3种泵的出油流量随出油压力的变化关系。图8 三种泵出油流量与出油压力的关系可以看出，UAES和VDO的流量特性曲线要高于DENSO 的。但是，由于各种泵所配发动机机型不同，因此其设计流量也是不同的，仿照内燃机中用燃油消耗率来评价经济性指标的方法，我们在此处针对电动汽油泵提出泵油率的概念，用以评 价汽油
11、泵的泵油性能，以便对不同的电动汽油泵进行对比。泵油率指单位时间内单位功率的出油流量，单位为L (W.h)。从图9给出了3种泵的泵油率随出油压力的变化关系。从图9看出，DENSO泵在出油压力为250 kPa以下时的泵油率高于 UAES和VDO 的，在出油压力为250 kPa以上 时又低于UAES和VDO的，而UAES和VDO 的曲线变化形势则差不多。总体来 说， 3种泵在 电喷发动机常用的供油压力下(300 kPa左右) 性能相近。图9 三种泵泵油率与出油压力的关系(2)堵转特性(见表2)。出油压力/KPa电压/VUAES DENSO VDO12 678 550 6488 525 305 435
12、6 372 200 27043 空转特性油泵的空转特性是在专用试验台上进行的。试验时，先将油泵运行10 min，然后将油泵内的燃料清除干净，再输人DC(14O.3)V的电压，空转5 min后测取出油流量值。 试验结果见表3。表3 空转特性对比UAES DENSO VDO特性指标空转前 空转后 变化率 空转前 空转后 变化率 空转前 空转后 变化率出油流量L/h 145.2 145.2 0 67.76 67.76 0 121.0 118.7 -1.9%泵油率L/W.h 2.30 2.28 -0.9% 2.09 2.09 0 1.94 1.89 -2.6%可以认为3种泵的空转特性良好，各自的出油流
13、量和泵油率均无明显变化。44 气蚀性从结构上说，VDO为双级泵，其初级泵的主要作用在于油气分离，去除 热燃油中可能产生的燃油蒸气泡，或者使得燃油蒸气泡根本就不产生，而UAES和DENSO均采用在泵盖上配置油气分离孔的方式。5 结论(1)流道断面面积和形状影响着泵的流量和扬程。流道断面形状为半圆形和叶轮叶片的轴面截面是半圆形的涡轮泵，其效率最高。UAES、DENSO和VDO 3种泵的流道断面形状均为半圆形，其中UAES为半圆且流道宽度渐变，而另外2种均为半圆等宽度。从决定流道断面面积的流道径向高度和流道宽度来看，DENSO泵要小一些，因此在相同的出油压力下其流量小于UAES和VDO 。(2)叶轮
14、 的直径、叶片数和形状影响泵的扬程，且叶片数在某一值下扬程最高。闭式叶轮开式流道的叶轮叶片数一般应在2060之间。UAES、DENSO和VDO 3种泵的叶片数是，UAES为47，DENSO为67，VDO 主级为50。 3种泵的叶片形状均为径向，截面形状UAES和VDO主级为镰刀形，DENSO 为长方形的。镰刀形截面的叶片扬程高，这一点在堵转特性中表现的较为明显。(3)VDO泵的叶片为非均布型，其优点在于其输出燃油的压力脉动比较小，但其制造工艺较为复杂。(4)3种 泵在 电喷发动机常用的供油压力下(300 kPa左右)性能相近。泵油率分别是，UAES 为2 37 L (Wh)，DENSO和VDO
15、均为208 L (W h)。扬程：单位质量的液体由泵的入口被输送至出口所获得的能量增量。扬程以输送液体的液柱高度（米）表示。扬程是泵的主要性能参数之一，一般通过试验测得。泵的扬程与输送液体的密度无关，密度改变时，压力也随之改变，而保持扬程不变；但扬程与液体的粘度有关，输送粘度大的液体时，达到的扬程低。泵的压力与密度有关，同样扬程的泵，输送密度小的液体达到的压力低。对动力式泵，扬程随流量而变，其关系曲线称为扬程-流量曲线。实际使用时，是将泵与吸入容器、排出容器和管路连在一起的，它们组成泵装置系统。此时，把泵输送的单位质量液体从吸入容器到排出容器所获得的能量增量称为泵装置扬程。泵工作时，泵扬程与泵装置扬程相等。设计时应把泵装置扬程作为泵的设计扬程。 扬程：单位重量液体通过泵所获得的能量叫扬程。泵的扬程包括吸程在内，近似为泵出口和入口压力差。 扬程用 H 表示，单位为米（m） 。 泵的压力用P 表示，单位为 Mpa.H=P/（粘度系数）.如 P 为 1kg/cm2 则 H=（lkg/ cm 2)/(1000kg/ m3)H=(1kg/ cm2)/(1000 公斤/m 3)=(10000 公斤/m 2)/1000 公斤/m 3=10m1Mpa=10kg/cm2得 H=(P2-P1)/(P2=出口压力 P1=进口压力)
