燃油叶片泵容积效率与转速关系研究

王志泳，刘亚俊，王维，邬国秀

(1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640;2.湖北文理学院机械与汽车工程学院，湖北襄阳441053)

自从1885年Sylvanus F.Bowser发明了叶片泵［1］，泵的效率问题被持续关注。目前，叶片泵作为动力元件，被广泛应用于燃油输送系统中，但是针对此应用的叶片泵容积效率的研究并不广泛。文献 ［2－3］对燃油加注过程中汽油蒸汽压减少的现象进行了研究，而文献 ［4－8］的研究重点虽然是泵的效率，但是其泵送的介质却是具有高黏度的液压油(运动黏度通常大于10×10－6m2/s)。汽油作为加油站最常加注的两种成品油之一，它具有很低的运动黏度 (在室温下，通常低于0.5×10－6m2/s)。柴油的运动黏度一般是3.0～8.0×10－6m2/s。而水的运动黏度是1.0 ×10－6m2/s。

根据Daniel Deneen的研究结果 (如图1)可知，对于低黏度介质，容积效率决定泵送效率。因此，针对燃油输送系统中低黏度燃油，研究容积效率即可正确反映出泵送效率。

图1 泵的效率与转速曲线

文献 ［9］研究了泵容积效率与压差之间的关系。而文献 ［10］在研究容积效率与压差之间关系的基础上，提出了温度影响黏度，导致泄漏量变化，从而最终影响容积效率的现象。文献 ［11］研究了容积效率与转速之间的关系，但是基于静液传动系统，并且介质黏度是水的10倍以上。叶片泵在使用中常用来泵送低黏度介质，但基于低粘度介质的泵送效率、泵送效率与转速等方面的研究还很不深入。

低黏度介质的泵送效率偏低，例如:汽油的泵送效率不超过25%，而柴油的泵送效率也不超过45%。因此，本文作者以燃油为泵送介质，通过实验的方法研究叶片泵泵送效率与转速之间的关系，为提高叶片泵的泵送效率提出优化建议。

1 实验方案

为了研究叶片泵容积效率与转速之间的关系，建立了以下泵送系统的实验测试平台。图2为该测试平台的原理图。在该泵送系统中，泵的进出口分别装有压力表，用于测量进出口处的油液压力。其量程为0～2 MPa，精度0.5%。在泵的出口端距离出口压力表不远处装有流量传感器6，用于测量油液的流量，其量程为0～100 L/min，精度0.3%。测量的流量数据将显示在计算机2处。其中叶片泵的转子长度为b=57.074 mm，转子与定子间偏心距为e=4.76mm，定子内圆直径D=98.506 mm。泵送介质为汽油和柴油。

图2 泵送系统测试平台

实验测量参数为泵的输出流量Qd和转速n。根据叶片泵的容积效率公式 (1)来研究容积效率与转速之间的关系。

式中:Qt为理论流量;

Qd为输出流量;

V为泵的几何排量;

n为泵的转速。

2 实验结果与分析

基于实验结果，重点阐述在转速改变的情况下，叶片泵泵送汽油和柴油时，其流量与容积效率变化情况。

图3为叶片泵的泵送流量－转速特性曲线。从图中可以看到，在转速较低时，泵送汽油的流量与转速成正比。当转速增大到一定值后，转速的增大并未使泵送汽油的流量发生改变，流量保持在一个平衡态。此时，泵进流量远大于平衡态流量，两者差值通过泄漏保持平衡态。对于柴油，在允许的最大加注流量范围内时，泵送流量与转速始终成正比。由此可见，液体介质的黏度越小，则泄漏量就越大。

图3 叶片泵的泵送流量与转速特性曲线

图4为叶片泵的容积效率－转速特性曲线。从图中反映在转速较低时，泵送汽油时的容积效率与转速成正比，当转速增大到一定值时会出现一个最大容积效率点，之后尽管转速增加，但容积效率呈不增反减之势。从泵送柴油时的容积效率曲线来看，其曲线趋势与泵送汽油的一致，但其最大的泵送容积效率几乎为泵送汽油的2倍。此外，从图4又可以看出，液体介质的黏度越低则其泵送容积效率也越低。

图4 叶片泵的容积效率与转速特性曲线

一般情况下，泵的泄漏量应该正比于压力差。当转速不断增大时，内部产生的压差也会越大，那么泵的泄漏量也会越大，因此容积效率应该是不断下降。但是从图4泵送燃油的容积效率曲线来看，只有后半部分符合这种推测。既然叶片泵在泵送燃油时容积效率会随着转速的增加而呈现先增加后减少的现象，那么就可以根据该现象来设计泵的额定工作转速，以便提高泵送效率。

3 结论

(1)叶片泵的容积效率与泵送油液的黏度紧密相关。黏度越小，则泵送容积效率就越低。对于汽油这种低黏度的油液，其泵送容积效率是非常低的。

(2)发现了随着转速的增加，叶片泵的容积效率会出现先增加后减少的现象。目前尚未能解析这种现象，日后需要对此做更深入的研究。

(3)可以根据容积效率与转速曲线设计泵的额定工作转速，以便提高泵送效率。

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