汽車燃油泵結(jié)構(gòu)噪聲研究

張新明 常瑞征

摘要：電子燃油泵是燃油系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，燃油泵的性能與發(fā)動機的啟動、運行、排放等性能直接相關(guān)。隨著汽車市場的不斷成熟，對燃油泵的噪聲性能越來越關(guān)注;以往對于微型漩渦式燃油泵電機噪聲及漩渦葉片產(chǎn)生的噪聲及優(yōu)化方案較為關(guān)注，但作為機電混合的燃油泵總成支座結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計與液體介質(zhì)（燃油）、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作環(huán)境緊密相關(guān)，為改善燃油泵的結(jié)構(gòu)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(zhì);本文根據(jù)某車型燃油泵噪聲改善分析，采用計算流體力學（Computation FluidDynamics，CFD）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，提出一種結(jié)構(gòu)噪聲改善理論。通過環(huán)境試驗設(shè)計，對改善方案進行有效性驗證。

關(guān)鍵詞：旋渦式燃油泵;引射泵;NVH性能;結(jié)構(gòu)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(yè)于河北農(nóng)業(yè)大學，本科學歷，現(xiàn)就職于長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，任科長，主要研究方向：整車燃油系統(tǒng)。已發(fā)表文章：《概述汽車研發(fā)中的重要環(huán)節(jié)》

前言

隨著我國汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，我國機動車產(chǎn)銷量連續(xù)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(guān)注。燃油泵作為伴隨車輛運行整個過程的關(guān)鍵部件，時刻參與車輛運轉(zhuǎn)，為發(fā)動機提供能源供應(yīng)，其運行過程產(chǎn)生的噪音越來越受到消費者關(guān)注。

1 轎車燃油系統(tǒng)燃油泵概述

1.1 電子燃油泵作用及優(yōu)點：

現(xiàn)汽油燃料轎車多采用電子燃油泵，利用直流電機驅(qū)動渦輪高速旋轉(zhuǎn)，從而使燃油壓力增高并通過輸油管路經(jīng)過燃油精濾器輸送給發(fā)動機。目前汽車用電子燃油泵一般設(shè)計安裝在燃油箱內(nèi)部，采用工程塑料制成模塊化結(jié)構(gòu)，其中集成燃油初級過濾、油壓調(diào)節(jié)、吸油、油液保持等作用，由于此種結(jié)構(gòu)電子燃油泵工作噪音小、壓力穩(wěn)定、不易產(chǎn)生氣阻及泄露等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用在轎車上;如圖1：

1.2 電子燃油泵結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)器、儲油桶構(gòu)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(huán)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(qū)動渦輪泵葉片旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下葉輪內(nèi)液體的圓周速度大于流道內(nèi)液體的圓周速度，形成“環(huán)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(jié)果使液體產(chǎn)生和葉輪轉(zhuǎn)向相同的“縱向漩渦”。液體質(zhì)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(nèi)的液體質(zhì)點。液體質(zhì)點每經(jīng)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(nèi)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(fù)雜的地形路況下，實現(xiàn)燃油的持續(xù)供應(yīng)，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(jié)構(gòu)，將油箱內(nèi)液體吸入儲油桶內(nèi)，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(cè)油液進入燃油泵儲油桶需要兩路引射泵驅(qū)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(qū)，將油箱底部或“馬鞍形”油箱另外一側(cè)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(nèi)液位，保證燃油泵進油口燃油供應(yīng)。

2 某款轎車電子燃油泵結(jié)構(gòu)

2.1 電子燃油泵總成：

某款搭載渦輪增壓、缸內(nèi)直噴發(fā)動機車型，匹配的低壓燃油泵工作壓力為550kpao采用調(diào)壓閥回油驅(qū)動兩路引射泵，將燃油箱兩側(cè)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(nèi)的油液通過單向閥②輸送到出油管中，經(jīng)濾清器③的精過濾后，燃油一部分輸送給發(fā)動機，另一部分經(jīng)回油管回到油泵的油壓調(diào)節(jié)器⑤中，由于油壓調(diào)節(jié)器的油壓精密控制以保證輸送給發(fā)動機的管路④內(nèi)的壓力穩(wěn)定;大部分工況下經(jīng)過⑤的高壓回油進行驅(qū)動引射泵⑥，利用調(diào)壓閥回油的高壓油液能量，通過吸油嘴⑧將油箱兩側(cè)的液體吸入儲油桶⑦中，以保證燃油泵的吸油區(qū)油液供應(yīng)。

3 燃油泵結(jié)構(gòu)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(huán)境溫度條件下工作的燃油泵，在某一特定環(huán)境條件下會產(chǎn)生異響。此異響明顯區(qū)別于燃油泵電機、漩渦葉片產(chǎn)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(tài)，當該模態(tài)的頻率與燃油泵油壓調(diào)節(jié)器的固有模態(tài)的頻率發(fā)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(chǎn)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(nèi)壓力變化，由于慣性作用，燃油在受阻端動能轉(zhuǎn)化為勢能，也就是壓力能;壓力能在流道內(nèi)傳播形成沖擊壓力波，當壓力沖擊波與油壓調(diào)節(jié)器的工作頻率（非固定頻率）接近時，就會產(chǎn)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(zhuǎn)產(chǎn)生的噪音。

3.2 異響問題復(fù)現(xiàn)

在燃油泵性能臺架上進行環(huán)境模擬再現(xiàn)。當油液溫度50℃，特定的乙醇含量條件下，調(diào)整燃油泵總成的出油與回油量，異響復(fù)現(xiàn)。測試異響的頻率為730Hz，與整車噪音測試結(jié)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(diào)節(jié)器進行壓力調(diào)整，油液經(jīng)過油壓調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)如圖8。提取調(diào)壓閥出口內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，設(shè)定人口和出口邊界。在hypermesh軟件中進行面網(wǎng)格劃分，設(shè)定網(wǎng)格基本尺寸0.5mm，劃分完成的網(wǎng)格模型如圖9。

4.2 STARCCM+進行處理：

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

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

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

4）、查看結(jié)果并記錄。

4.3 CFD仿真分析結(jié)果

通過觀察回油管路腔體內(nèi)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(diào)壓閥出口處，此處油液速度方向發(fā)生翻轉(zhuǎn);

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

第三處：油液經(jīng)引射閥出口位置，此處油液壓力釋放。

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

5 回油管路液壓系統(tǒng)模態(tài)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(jié)構(gòu)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(xiàn)，各腔體參數(shù)通過等效體積進行簡化，輸入?yún)?shù)如下表1：

根據(jù)一維分析油液管路系統(tǒng)模態(tài)結(jié)果：

其中1階模態(tài)768Hz，對應(yīng)振型為：

其中2階模態(tài)2418Hz，對應(yīng)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(jié)果可看出，第1階模態(tài)頻率為768Hz，與燃油泵售后噪聲問題產(chǎn)生的頻率（730Hz）非常接近;因此可以確定燃油泵在一階模態(tài)下發(fā)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(diào)整空腔體積改變其固有模態(tài)頻率。

5.2 分析結(jié)論：

通過對油液管路系統(tǒng)模態(tài)分析，得到調(diào)壓閥前后的模態(tài)頻率，當激勵頻率與固有模態(tài)頻率比較接近時，系統(tǒng)內(nèi)流體可能會產(chǎn)生共振而引發(fā)異響。

6 優(yōu)化方案制定

依據(jù)分析結(jié)果，對燃油泵內(nèi)腔流道進行改進，依據(jù)分析結(jié)果后腔容積由1.818ml進行縮小，提高后腔對應(yīng)流體模態(tài)，縮小到1.245ml后對應(yīng)模態(tài)提高到1100Hz;按照設(shè)計經(jīng)驗可以避開原結(jié)構(gòu)共振區(qū)域，經(jīng)燃油泵臺架測試，改進后產(chǎn)品異響不復(fù)現(xiàn)，問題徹底解決。詳細改善方案如圖15。

4 結(jié)論

對于燃油泵總成的噪音問題，一般認為發(fā)生在電機運轉(zhuǎn)、管路震動及渦輪葉片的工作過程中，本文通過結(jié)構(gòu)分析，從燃油泵總成的內(nèi)流道流體模態(tài)與腔體結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)了流體共振產(chǎn)生異響的根本原因，為后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計及異響問題排查指明了新的分析方向。

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