汽車燃油泵結構噪聲研究

張新明 常瑞征

摘要：電子燃油泵是燃油系統的關鍵零部件，燃油泵的性能與發動機的啟動、運行、排放等性能直接相關。隨著汽車市場的不斷成熟，對燃油泵的噪聲性能越來越關注;以往對于微型漩渦式燃油泵電機噪聲及漩渦葉片產生的噪聲及優化方案較為關注，但作為機電混合的燃油泵總成支座結構設計，引射泵的匹配研究則相對較少。由于燃油泵總成支架的結構設計與液體介質（燃油）、結構設計、工作環境緊密相關，為改善燃油泵的結構噪聲、震動、聲震粗糙度（noise、vibration and harshness，NVH）性能，提高燃油泵聲音品質;本文根據某車型燃油泵噪聲改善分析，采用計算流體力學（Computation FluidDynamics，CFD）數值模擬和理論分析方法，分析燃油泵結構噪聲特性，提出一種結構噪聲改善理論。通過環境試驗設計，對改善方案進行有效性驗證。

關鍵詞：旋渦式燃油泵;引射泵;NVH性能;結構噪聲

中圖分類號：U464.136+.5 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2019）05-0044-06

張新明

畢業于河北農業大學，本科學歷，現就職于長城汽車股份有限公司技術中心，任科長，主要研究方向：整車燃油系統。已發表文章：《概述汽車研發中的重要環節》

前言

隨著我國汽車工業的迅猛發展，我國機動車產銷量連續6年躍居世界首位，截至2017年3月份保有量已突破3億輛。伴隨我國人民生活水平的不斷提高，汽車消費的不斷成熟，消費者對于汽車的舒適性要求也不斷提高，其中汽車的NVH性能也不斷被消費者關注。燃油泵作為伴隨車輛運行整個過程的關鍵部件，時刻參與車輛運轉，為發動機提供能源供應，其運行過程產生的噪音越來越受到消費者關注。

1 轎車燃油系統燃油泵概述

1.1 電子燃油泵作用及優點：

現汽油燃料轎車多采用電子燃油泵，利用直流電機驅動渦輪高速旋轉，從而使燃油壓力增高并通過輸油管路經過燃油精濾器輸送給發動機。目前汽車用電子燃油泵一般設計安裝在燃油箱內部，采用工程塑料制成模塊化結構，其中集成燃油初級過濾、油壓調節、吸油、油液保持等作用，由于此種結構電子燃油泵工作噪音小、壓力穩定、不易產生氣阻及泄露等優點，因此廣泛應用在轎車上;如圖1：

1.2 電子燃油泵結構及工作原理

電子燃油泵主要由直流電機、漩渦泵、單向閥、安全閥、油泵支架、粗濾器、引射泵、油壓調節器、儲油桶構成。漩渦泵的葉輪是一個圓盤，圓周上的葉片呈放射狀排列，泵體與葉輪間形成環形流道，吸入口與排出口之間有隔板，當燃油泵電機通電時，電機驅動渦輪泵葉片旋轉，在離心力的作用下葉輪內液體的圓周速度大于流道內液體的圓周速度，形成“環形流動”。又由于自吸入口至排出口液體跟著葉輪前進，這兩種運動的合成結果使液體產生和葉輪轉向相同的“縱向漩渦”。液體質點多次進入葉輪葉片間，通過葉輪葉片把能量傳遞給流道內的液體質點。液體質點每經過一次葉片，就獲得一次能量。這樣液體被擠壓到出油口;液體被排除后，葉片進油口處通道內形成局部真空，液體就不斷從進油口進入葉輪;如圖2：

1.3 引射泵工作原理

為保證車輛在復雜的地形路況下，實現燃油的持續供應，一般燃油泵總成均增加儲油桶，以保證車輛低燃油液位下燃油泵進油端的液位。儲油桶的液位保持一般采用引射泵結構，將油箱內液體吸入儲油桶內，相對于“馬鞍形”燃油箱（圖3）則需要兩路引射泵進行工作。

“馬鞍形”燃油箱兩側油液進入燃油泵儲油桶需要兩路引射泵驅動，引射泵工作原理如圖4。

當高壓液體通過P1人口處進入引射泵后，當液體流進入PVC位置時，由于管道截面積的突然減少，液體高速通過形成射流，PVC位置的壓力降低形成負壓區，將油箱底部或“馬鞍形”油箱另外一側的燃油吸入，通過P2出油口一同回流到儲油桶中，保持儲油桶內液位，保證燃油泵進油口燃油供應。

2 某款轎車電子燃油泵結構

2.1 電子燃油泵總成：

某款搭載渦輪增壓、缸內直噴發動機車型，匹配的低壓燃油泵工作壓力為550kpao采用調壓閥回油驅動兩路引射泵，將燃油箱兩側燃油吸入儲油桶中，工作原理如圖6：

當車輛啟動后，燃油泵①開始工作，將儲油桶⑦內的油液通過單向閥②輸送到出油管中，經濾清器③的精過濾后，燃油一部分輸送給發動機，另一部分經回油管回到油泵的油壓調節器⑤中，由于油壓調節器的油壓精密控制以保證輸送給發動機的管路④內的壓力穩定;大部分工況下經過⑤的高壓回油進行驅動引射泵⑥，利用調壓閥回油的高壓油液能量，通過吸油嘴⑧將油箱兩側的液體吸入儲油桶⑦中，以保證燃油泵的吸油區油液供應。

3 燃油泵結構噪聲問題分析

3.1 異響問題描述

針對不同RVP值、不同乙醇含量、不同環境溫度條件下工作的燃油泵，在某一特定環境條件下會產生異響。此異響明顯區別于燃油泵電機、漩渦葉片產生的聲音。一般情況下該噪聲具有主觀感受明顯、分貝值高、頻率多在1000Hz左右的特點。由于油液通過燃油泵流道形成固有的液體模態，當該模態的頻率與燃油泵油壓調節器的固有模態的頻率發生重疊后就會將振動放大，導致燃油泵殼體總成進行振動產生異響;此噪音可以排除燃油箱或整車其它部件的共振因素。油液在油泵流道內壓力變化，由于慣性作用，燃油在受阻端動能轉化為勢能，也就是壓力能;壓力能在流道內傳播形成沖擊壓力波，當壓力沖擊波與油壓調節器的工作頻率（非固定頻率）接近時，就會產生壓力脈沖諧振，使噪聲進一步放大。此噪音問題頻率確認為730HZ左右，可以排除電機及漩渦葉片運轉產生的噪音。

3.2 異響問題復現

在燃油泵性能臺架上進行環境模擬再現。當油液溫度50℃，特定的乙醇含量條件下，調整燃油泵總成的出油與回油量，異響復現。測試異響的頻率為730Hz，與整車噪音測試結果相同;如圖7：

4 燃油泵回油管路CFD仿真分析

4.1 模型搭建

燃油泵工作輸出的高壓油液通過油壓調節器進行壓力調整，油液經過油壓調節器出口回到儲油桶，油液壓力釋放為正常壓力，整個過程壓力變化值為550KPa，詳細的液體流道結構如圖8。提取調壓閥出口內腔結構，設定人口和出口邊界。在hypermesh軟件中進行面網格劃分，設定網格基本尺寸0.5mm，劃分完成的網格模型如圖9。

4.2 STARCCM+進行處理：

1）、生成體網格：選擇體網格類型為多面體網格，邊界層設置為2層，厚度1mm;

2）、創建物理模型：本次分析入口設置為穩定流速（約120L/h），假定回油管內流速恒定，因此調壓閥設置為固定開度;三個出口壓力均設置為0Pa;

3）、設置油液密度為730.0kg/m^3，粘度為5.424E-4 Pa-s，創建壓力及速度流線監測窗口;設置時間步長為0.001S，運算時長為5s。

4）、查看結果并記錄。

4.3 CFD仿真分析結果

通過觀察回油管路腔體內各個位置的速度流線，確定存在能量損失較大的位置有三處：

第一處：油液進入調壓閥出口處，此處油液速度方向發生翻轉;

第二處：經過調壓閥流出的液流一分為二流入引射閥，分流位置產生較大的渦旋。該腔體內能量損失可產生壓力脈動，存在引起閥體共振的可能性。

第三處：油液經引射閥出口位置，此處油液壓力釋放。

綜上，經過對回油管路CFD分析，壓力變化最大的位置為調壓閥與引射閥之間的空腔;如圖10。

5 回油管路液壓系統模態仿真分析

5.1 模型搭建

利用LMS Imagine.Lab AMESim一維軟件建立流道油液分析模型，模型結構定義如圖11，一維模型如圖12。

其中inlet1、inlet2為上端人油管路，圖中未體現，各腔體參數通過等效體積進行簡化，輸入參數如下表1：

根據一維分析油液管路系統模態結果：

其中1階模態768Hz，對應振型為：

其中2階模態2418Hz，對應振型為：

觀察變量1、2、3、4、5分別代表腔體inlet1、inlet2、inlet3、chamber in和chamber out在該頻率下的貢獻量。

從結果可看出，第1階模態頻率為768Hz，與燃油泵售后噪聲問題產生的頻率（730Hz）非常接近;因此可以確定燃油泵在一階模態下發生共振的可能性較大，從振型上看主要為chamber out的貢獻量最大，影響該腔體因素主要為空腔體積，所以可通過調整空腔體積改變其固有模態頻率。

5.2 分析結論：

通過對油液管路系統模態分析，得到調壓閥前后的模態頻率，當激勵頻率與固有模態頻率比較接近時，系統內流體可能會產生共振而引發異響。

6 優化方案制定

依據分析結果，對燃油泵內腔流道進行改進，依據分析結果后腔容積由1.818ml進行縮小，提高后腔對應流體模態，縮小到1.245ml后對應模態提高到1100Hz;按照設計經驗可以避開原結構共振區域，經燃油泵臺架測試，改進后產品異響不復現，問題徹底解決。詳細改善方案如圖15。

4 結論

對于燃油泵總成的噪音問題，一般認為發生在電機運轉、管路震動及渦輪葉片的工作過程中，本文通過結構分析，從燃油泵總成的內流道流體模態與腔體結構的模態分析，發現了流體共振產生異響的根本原因，為后續產品設計及異響問題排查指明了新的分析方向。

參考文獻：

[1]劉春輝.2017年上半年中國汽車市場分析及未來展望[J]汽車工業研究2017.09.05.

[2]冀宏.液壓閥芯節流槽氣穴噪聲特性的研究[D]浙江大學博士學位論文2004.12.01.

[3]張露.燃油系統旋渦泵壓力脈動的控制研究[J]工程設計學報，2017.08.28.

[4]陳曉軍.車用燃油泵噪聲的分析與優化[C]2010中國汽車工程學會年會論文集，2010.07.15.

[5]穆海寧.某橋車輸油泵噪聲分析與覽化[J]農業裝備與車輛工程，2015.05.10.

[6]翟曉紅.輸油泵總成NVH噪聲原理分析及解決方法[J]汽車使用技術2017.05.30.

[7]張僅.飛機燃油加注系統中調壓閥結構的優化改進[J]機床與液壓2016.01.28.