基于按需供油功能的某燃油泵噪音研究與應(yīng)用

摘" 要：針對某汽車按需供油電動燃油泵在發(fā)動機(jī)怠速時的噪音問題，通過對該燃油泵系統(tǒng)架構(gòu)和原理分析，為這種燃油泵提供一種更便捷經(jīng)濟(jì)的解決噪音問題的方法，即通過改變?nèi)加捅媚承┛刂茀?shù)的方式，提升怠速時燃油泵轉(zhuǎn)速，降低流體壓力脈動，解決了振動噪音的問題，為后續(xù)同類產(chǎn)品的噪音問題解決提供了新的分析方向。

關(guān)鍵詞：燃油泵；按需供油；噪音

中圖分類號：U463" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " 文章編號：1005-2550（2023）05-0059-06

Research and Application on Noise of a Fuel Pump Based on Demand Fuel Supply Function

LIU Xue-min

（ Lantu Automobile Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430056， China）

Abstract： In response to the noise problem of an on-demand electric fuel pump in a certain car during engine idle， a more convenient and economical solution to the noise problem is provided by analyzing the architecture and principle of the fuel pump system. By changing certain control parameters of the fuel pump， the speed of the fuel pump is increased during idle， the fluid pressure pulsation is reduced， and the vibration noise problem is solved， which provides a new analytical direction for solving the noise problem of similar products in the future.

Key Words： Fuel Pump; On Demand Fuel Supply; Noise

1" " 引言

截至2021年底，中國機(jī)動車保有量達(dá)3.93億輛，其中汽車突破3億輛，駕駛?cè)诉_(dá)4.79億人；每年新登記機(jī)動車3000多萬輛，新領(lǐng)證駕駛?cè)?000多萬人，總量和增量均位居世界第一。蓬勃發(fā)展的中國汽車市場背后是龐大的中國汽車消費(fèi)者，中國消費(fèi)者對汽車的偏好值得汽車行業(yè)的重視。根據(jù)全球最專業(yè)最權(quán)威的市場調(diào)研公司之一J.D. Power最近幾年的中國新車質(zhì)量研究表明，中國消費(fèi)者對于新車最不滿意的前20個問題中，排名第一的是車內(nèi)異味，排在第二位的是車內(nèi)噪音問題?？梢?，中國消費(fèi)者對汽車噪音問題的關(guān)注度很高。

市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，燃油泵工作噪音抱怨在許多品牌車輛上都存在，特別是怠速工況下，因?yàn)榇藭r發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速低，發(fā)動機(jī)背景噪音小，會凸顯燃油泵的噪音問題，引起消費(fèi)者抱怨。本文研究的就是某汽車按需供油電動燃油泵的噪音問題，通過分析燃油泵工作原理和流體架構(gòu)，為按需供油燃油泵提供一種更便捷經(jīng)濟(jì)的解決噪音問題的方法。

2" " 文獻(xiàn)回顧

首先回顧業(yè)內(nèi)對燃油泵噪音的研究成果。

2017年，王新超和李萬龍等針對燃油泵工作時的尖銳噪聲，通過調(diào)整泵芯葉輪結(jié)構(gòu)，將葉片調(diào)整為不等距葉片，使得油液對葉片的擾動不再具有周期性，避免了節(jié)奏性壓力脈動；同時增加了壓力平衡孔，以減小葉輪兩側(cè)的壓力差，使得葉輪受力平衡，不再擠壓一側(cè)油液形成壓力脈動；研究同時指出，增大葉輪與出油板間隙的方案也可以降低噪音，因?yàn)檫@樣可以降低泵芯進(jìn)油板和出油板壓力差，但這個方案對流量儲備系數(shù)比較小的油泵有一定風(fēng)險，可能導(dǎo)致流量達(dá)不到設(shè)計要求[1]。

2019年，張新民和常瑞征采用流體力學(xué)數(shù)值模擬和理論分析方法，分析燃油泵結(jié)構(gòu)噪聲特性，對燃油泵總成調(diào)壓閥附近的內(nèi)流道液體模態(tài)與腔體結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生異響的原因是共振，通過改變模態(tài)避開共振區(qū)域，解決了噪音問題[2]。

2020年，馬國冰和穆國寶等總結(jié)了控制泵芯運(yùn)動件配合精度的方案，給出了轉(zhuǎn)子動平衡、葉輪平面度，軸孔同軸度等參數(shù)精度建議值；同時給出了降低油泵引射泵噪音的節(jié)流降速方案，即在引射口增加濾網(wǎng)或者增加出油口[3]。

以上對燃油泵噪音的研究和改善方案都是針對燃油泵某一個零部件進(jìn)行的，如葉輪、引射泵、內(nèi)腔等，沒有從按需供油型燃油泵控制系統(tǒng)方面進(jìn)行優(yōu)化來改善噪音的方案，這正是本文的研究內(nèi)容。無論是哪種方式進(jìn)行噪音改善都需要基于燃油泵的工作原理來進(jìn)行，所以首先介紹燃油泵的工作原理。

3" " 汽車燃油系統(tǒng)燃油泵概述

目前汽車燃油泵多采用電動燃油泵，它裝配在燃油箱內(nèi)，當(dāng)發(fā)動機(jī)點(diǎn)火開關(guān)接通時燃油泵開始工作，從燃油箱里泵出一定壓力的燃油，通過燃油管路輸送給發(fā)動機(jī)，如圖1所示：

3.1" "電動燃油泵總成結(jié)構(gòu)及工作原理

通常所說的燃油泵其實(shí)是燃油泵供油組件，是一個集成件，包含了多個部件，其中主要由燃油泵泵芯、濾清器、燃油壓力調(diào)節(jié)器、引射泵、燃油表傳感單元組成，如圖2所示。

產(chǎn)生噪音的通常是運(yùn)動部件，如燃油泵泵芯；或者是油液壓力有突變的地方，如壓力調(diào)節(jié)器和引射泵。下面分別介紹這幾個零部件的工作原理。

3.2" "電動燃油泵泵芯工作原理

電動燃油泵泵芯主要由直流電動機(jī)、葉輪、單向閥和和泄壓閥組成，如圖3所示。它的基本工作原理是直流電動機(jī)通電后帶動泵殼體內(nèi)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的時候通過轉(zhuǎn)子軸帶動葉輪一起同向旋轉(zhuǎn)，葉輪高速旋轉(zhuǎn)過程中在儲油桶進(jìn)油口處（見圖2所示）造成真空低壓，進(jìn)而將經(jīng)過過濾處理的燃油從泵蓋的葉輪進(jìn)油入口吸入，吸入的燃油經(jīng)燃油泵葉輪加壓后進(jìn)入泵殼內(nèi)部再通過出油口壓出，為燃油系統(tǒng)提供具備一定壓力的燃油。

3.3" "調(diào)壓閥工作原理

當(dāng)燃油管路內(nèi)的油壓過低時會導(dǎo)致噴油器噴油太弱或不噴油，而油壓太高則使油路損毀或噴油器損壞。調(diào)壓閥的功能就是把泵芯提供的壓力燃油按照系統(tǒng)設(shè)計的要求調(diào)節(jié)到規(guī)定的壓力位、保持油路內(nèi)的壓力恒定。調(diào)壓閥由殼體，閥門，彈簧組成，如圖4所示。當(dāng)實(shí)際油壓高過燃油系統(tǒng)閾值時，高壓燃油頂動閥門，克服彈簧壓力，閥門打開泄壓；當(dāng)實(shí)際油壓低于燃油系統(tǒng)閾值時，彈簧彈力將閥門關(guān)閉，壓力得以保持并持續(xù)增壓直至壓力達(dá)到系統(tǒng)閥值。

3.4" "引射泵工作原理

射流泵其實(shí)是一段變徑結(jié)構(gòu)，它利用電動燃油泵泵芯的一部分泵油燃油流量或者回油流量作為引子，根據(jù)伯努利原理，把燃油箱中儲油桶進(jìn)油口附近的燃油引射到儲油桶內(nèi)，如圖5所示。具體來說，就是油液從P1入口進(jìn)入引射泵后，當(dāng)流經(jīng)PVC（VC，vena contracta，縮流斷面點(diǎn)）位置時，由于此處管道截面積突然減小，油液速度變大快速通過管道形成射流，而PVC位置的壓力降低形成負(fù)壓區(qū)，將油箱底部燃油吸入儲油桶中，保持儲油桶內(nèi)液位，如圖5所示。

4" " "按需供油燃油泵介紹

早期開發(fā)的燃油泵不能按照發(fā)動機(jī)的需求來供油，因?yàn)槿加捅脹]有控制器單元，只由繼電器進(jìn)行控制，因而燃油泵只有兩種工作狀態(tài)，即停止和全速運(yùn)轉(zhuǎn)。停止?fàn)顟B(tài)時，燃油泵不工作，不抽取燃油；全速狀態(tài)時燃油泵全負(fù)荷運(yùn)行，以最大燃油量進(jìn)行燃油供給。由于發(fā)動機(jī)的工況復(fù)雜多樣，相當(dāng)多的時間處于怠速、低速等部分負(fù)荷狀態(tài)，真正的全負(fù)荷工況比較少。低負(fù)荷運(yùn)行的發(fā)動機(jī)并不需要大量的燃油，而燃油泵始終全負(fù)荷大流量提供燃油，一方面造成燃油泵無端消耗能量，另一方面極大地影響著燃油泵的使用壽命，同時泵芯的全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)還容易產(chǎn)生噪音抱怨。

這樣，按需供油的燃油泵就應(yīng)運(yùn)而生了，目前有幾種實(shí)現(xiàn)按需供油的方式，一種是采用微處理器采集燃油壓力傳感器和車輛ECU（Engine control Unit，發(fā)動機(jī)控制單元）信號，隨時改變?nèi)加捅玫某橛土?，使壓力保持穩(wěn)定；一種是采用控制模塊采集燃油噴射器的指令，按照所需的供油量實(shí)時調(diào)節(jié)燃油泵供油量；還有一種是燃油泵控制器根據(jù)發(fā)動機(jī)控制器指令進(jìn)行多擋位控制燃油供油量?？偟膩碚f，按需供油的燃油泵都具備自己的控制器，能夠按照發(fā)動機(jī)實(shí)時需要的燃油量進(jìn)行供油，有效地實(shí)現(xiàn)節(jié)能降噪和提升燃油泵使用壽命。

雖然按需供油燃油泵可以降低噪音，但是仍然不能避免噪音，前文敘述的業(yè)內(nèi)對燃油泵噪音的研究仍然可以借鑒，同時在某些情況下可以針對燃油泵控制器控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)更便捷更經(jīng)濟(jì)的改進(jìn)。下文就是一個研究案例。

5" " 某按需供油燃油泵噪音問題

5.1" "問題描述

在某汽車發(fā)動機(jī)怠速時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速約700轉(zhuǎn)/分鐘，燃油泵發(fā)出“咕嘟嘟”的低頻噪音。冷啟動時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1200轉(zhuǎn)/分鐘，該噪音可以被發(fā)動機(jī)聲音覆蓋。

5.2" "燃油泵流體架構(gòu)

解決燃油泵噪音問題，需要基于燃油泵流體架構(gòu)具體分析。該燃油泵是按需供油的，具體流體架構(gòu)如圖6所示，燃油泵法蘭上集成了控制器8，燃油泵控制器8與車輛ECU9實(shí)時通訊，根據(jù)ECU9的指令調(diào)整泵芯轉(zhuǎn)速，提供發(fā)動機(jī)所需要的燃油量，實(shí)現(xiàn)按需供油。具體來說，燃油泵的轉(zhuǎn)速是由發(fā)動機(jī)控制單元ECU輸入的脈寬調(diào)制PWM（Pulse-width Modulation）信號控制的，PWM值越大對應(yīng)的燃油泵轉(zhuǎn)速越高。怠速時，PWM為12%，對應(yīng)泵芯轉(zhuǎn)速為4300r/m；車輛起步后，泵芯轉(zhuǎn)速隨PWM增大而增加。

由于外部周邊環(huán)境件影響，該燃油箱需要設(shè)計成馬鞍形，所以燃油泵泵需要兩路引射泵，分別吸取兩個燃油箱腔體的燃油；燃油濾清器集成在燃油泵內(nèi)部。工作時，燃油泵泵芯1高速運(yùn)轉(zhuǎn)，泵出的高壓燃油先兵分兩路，一路經(jīng)過濾清器2后通往兩個引射泵3、4，另一路先通向單向閥5，然后再分為兩路，一路通往發(fā)動機(jī)6，還有一路經(jīng)過調(diào)壓閥7進(jìn)行泄壓，使燃油泵輸出壓力保持在系統(tǒng)所需的壓力范圍。

5.3" "噪音位置確認(rèn)

該噪音音質(zhì)比較低沉，明顯區(qū)別于燃油泵電機(jī)、漩渦葉片產(chǎn)生的高分貝尖銳聲音。所以，懷疑重點(diǎn)放在引射泵和燃油壓力調(diào)節(jié)閥。將燃油泵放置于試驗(yàn)臺架上，按照怠速工況參數(shù)運(yùn)行燃油泵，用探針式聽診器分別測試引射泵和調(diào)壓閥處振動情況。發(fā)現(xiàn)調(diào)壓閥振動異常明顯，引射泵工作正常。大概率可以鎖定噪音來源于調(diào)壓閥。

5.4" "原因分析

調(diào)壓閥的噪音來源一般有兩種。

一種是壓力不均勻即壓力脈動引起的噪聲，當(dāng)燃油壓力在某個區(qū)間波動時，調(diào)壓閥閥門由于受力不平衡而時開時關(guān)，產(chǎn)生振動。在彈性元件彈簧和運(yùn)動質(zhì)量閥門的共同作用下，構(gòu)成了產(chǎn)生振蕩的條件，而進(jìn)油腔又起了一個共振腔的作用，所以閥門發(fā)生振動后，引起整個調(diào)壓閥的共振而發(fā)出噪聲。解決這一問題的辦法是使壓力均勻，減小壓力脈動，后面會詳細(xì)敘述。

還有一種是機(jī)械噪音，即閥門和彈簧運(yùn)動時的機(jī)械噪音，如摩擦、碰撞等，一般是由于裝配或零件本身質(zhì)量原因?qū)е隆?/p>

具體到該燃油泵噪音問題上，首先進(jìn)行ABA故障零件互換試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)噪音不跟隨某個燃油泵轉(zhuǎn)移，可以排除機(jī)械噪音的影響，初步判斷是壓力不均勻?qū)е碌脑肼暋?/p>

因?yàn)檎{(diào)壓閥的壓力不方便直接測試得到，為了確認(rèn)調(diào)壓閥壓力脈動情況，可以通過分別測試燃油泵泵芯出口壓力、總成法蘭出油口壓力、引射泵壓力，來間接反映調(diào)壓閥壓力脈動情況。測試得到壓力脈動如圖7所示，泵芯壓力波動范圍從516kpa到538kpa，法蘭出口壓力波動范圍從505kpa到514kpa，引射泵壓力波動范圍從518kpa到533kpa，波動明顯。

5.5" "解決方案

對于調(diào)壓閥壓力不均產(chǎn)生的噪音，解決思路是通過某種方式讓調(diào)壓閥內(nèi)部閥門（見圖4）快速達(dá)到比較大的開度，以降低壓力脈動的影響。因?yàn)樗拇ù髮W(xué)的龔禹等人研究表明當(dāng)閥門相對開度為百分之二十的時候，在流道內(nèi)會產(chǎn)生渦流，隨著閥門相對開度的增大，閥門的流場將趨于一定的穩(wěn)定狀態(tài)。

閥門的相對開度主要取決于兩個因素，一個是閥門彈簧的彈性系數(shù)，一個是通過閥門的相對流量。下面來探索閥門相對開度和閥門彈簧的彈性系數(shù)及閥門的相對流量之間的關(guān)系。

力學(xué)彈性理論的基本定律胡克定律為，

F=-Kx

式中，F(xiàn)--彈簧的彈力；

x--彈簧的伸長量；

k--物質(zhì)的彈性系數(shù)，只由材料的性質(zhì)決定，與其他因素?zé)o關(guān)。

由胡克定律可知，同樣的作用力下，彈性系數(shù)越小則彈簧的伸長量變化越大。彈簧的伸長量變化越大，則閥門的開度變化越大。

調(diào)壓閥的相對流量和相對開度遵循一定的關(guān)系，可表示為：

Q／Qmax=f（L／Lmax）

式中，Q／Qmax--流量；

L／Lmax--相對開度。

由公式可以看出，相對開度與相對流量成正比。相對流量更大，則相對開度更大。

綜上可知，調(diào)節(jié)閥門開度可以采用的方法有將調(diào)壓閥內(nèi)部彈簧彈性系數(shù)降低，使彈簧更容易被壓縮，閥門開度增大；或?qū)⒘鹘?jīng)調(diào)壓閥的燃油流量增大，讓閥門開度更大。

對于非按需供油的燃油泵，這些方式都需要對硬件進(jìn)行設(shè)計變更，如更換更大功率的泵芯、采用更小縮流截面的引射泵、彈簧變軟等，這些硬件的變更一方面需要一定的成本，另一方面也需要時間去驗(yàn)證可靠性。對于按需供油的燃油泵可以有更便捷更經(jīng)濟(jì)的方法，即通過調(diào)整控制軟件，提高泵芯轉(zhuǎn)速來增大燃油泵的流量。具體來說，因?yàn)樵撊加捅玫霓D(zhuǎn)速是由發(fā)動機(jī)控制單元ECU輸入的PWM信號控制的，PWM值越大對應(yīng)的燃油泵轉(zhuǎn)速越高，所以，可以適當(dāng)提高控制燃油泵轉(zhuǎn)速的PWM信號來提升燃油泵轉(zhuǎn)速。因?yàn)榱黧w脈動壓力問題非常復(fù)雜，靠分析計算和CAE工具來指導(dǎo)這個問題的改進(jìn)都是很困難的，具體燃油泵轉(zhuǎn)速應(yīng)該調(diào)高至多少，目前還是依賴于需要物理試驗(yàn)驗(yàn)證。

5.6" "物理試驗(yàn)驗(yàn)證

首先對一個燃油泵進(jìn)行試驗(yàn)。給燃油泵提供12V外接電源，用外接PWM發(fā)生器給燃油泵輸入12%的怠速PWM信號，此時有振動噪音；逐步增大PWM信號，當(dāng)PWM增加到18%時，對應(yīng)的泵芯轉(zhuǎn)速為4520r/m，振動噪音消失。將PWM信號再降低為12%，泵芯轉(zhuǎn)速下降到4300r/m，振動噪音復(fù)現(xiàn)。增加樣本量，對其他10個燃油泵進(jìn)行同樣的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)PWM從12%增大到18%時，所有的燃油泵噪音問題都消失了，再回到12%，噪音又復(fù)現(xiàn)。由此可見，提升怠速時PWM信號到18%的確可以解決這個噪音問題。

那么，通過提高PWM信號增大燃油泵轉(zhuǎn)速后調(diào)壓閥的壓力會產(chǎn)生怎樣的變化呢？

測試發(fā)現(xiàn)，燃油泵處壓力范圍在517到528kpa，總成法蘭出油口處壓力范圍在509到510kpa，引射泵處壓力在520到521kpa。將PWM從12%調(diào)整到18%前后的壓力脈動圖整合在一起對比，可見，壓力脈動減小程度十分顯著，如圖8所示：

同時，為避免泵芯轉(zhuǎn)速增大后帶來負(fù)面影響，如運(yùn)轉(zhuǎn)噪音增大等等，需要對改進(jìn)后的燃油泵進(jìn)行有針對性的驗(yàn)證，如基本的性能試驗(yàn)，冷啟動，首次啟動，泵體運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲等等，試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的燃油泵性能與改進(jìn)前相比在同一水平。證明該優(yōu)化方案有效且無負(fù)面影響。

綜上所述，最終方案為修正燃油泵的PWM-轉(zhuǎn)速曲線，如圖9所示，將怠速時泵芯轉(zhuǎn)速由4300r/m提高到4520r/m。此修改實(shí)施起來非常便捷，節(jié)省了大量時間，并且沒有成本增加。

6" " "結(jié)論

對于燃油泵噪音問題，一般都從零部件層面進(jìn)行解決，如電動燃油泵葉輪采用不等距葉片，控制泵芯運(yùn)動件的配合精度，引射泵節(jié)流降速，改變管路模態(tài)等等，本文通過對某按需供油燃油泵工作原理和流體架構(gòu)分析，提出更經(jīng)濟(jì)更便捷的優(yōu)化方案，即通過改變?nèi)加捅媚承┛刂茀?shù)的方式，提升燃油泵轉(zhuǎn)速，降低流體壓力脈動，解決了振動噪音的問題，為后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計及噪音問題解決提供了新的分析方向。

需要說明的是，通過提高泵芯轉(zhuǎn)速來解決流體壓力脈動噪音問題的方案，可能會帶來泵芯運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲的增大及能耗的增加，為保險起見，建議對泵芯進(jìn)行噪音振動試驗(yàn)和能耗試驗(yàn)來驗(yàn)證是否可以接受。

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陳" "贛

東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心先行技術(shù)研究部

首席總工程師" 研究員級高級工程師

此論文闡述了針對按需供油功能燃油泵噪音的產(chǎn)生機(jī)理和通過調(diào)整控制參數(shù)解決噪聲問題的方法。

在控制器的標(biāo)定過程中，不僅要調(diào)整其參數(shù)使控制器的主要功能得以實(shí)現(xiàn)滿足被控制對象的工作要求，對被控對象NVH性能的控制也是現(xiàn)在大多數(shù)控制器標(biāo)定過程中需要涉及的工作之一。此篇論文也正是通過燃油泵控制器的標(biāo)定解決了該燃油泵的噪聲問題。