汽车燃油泵结构噪声研究

张新明 常瑞征

摘要：电子燃油泵是燃油系统的关键零部件，燃油泵的性能与发动机的启动、运行、排放等性能直接相关。随着汽车市场的不断成熟，对燃油泵的噪声性能越来越关注;以往对于微型漩涡式燃油泵电机噪声及漩涡叶片产生的噪声及优化方案较为关注，但作为机电混合的燃油泵总成支座结构设计，引射泵的匹配研究则相对较少。由于燃油泵总成支架的结构设计与液体介质（燃油）、结构设计、工作环境紧密相关，为改善燃油泵的结构噪声、震动、声震粗糙度（noise、vibration and harshness，NVH）性能，提高燃油泵声音品质;本文根据某车型燃油泵噪声改善分析，采用计算流体力学（Computation FluidDynamics，CFD）数值模拟和理论分析方法，分析燃油泵结构噪声特性，提出一种结构噪声改善理论。通过环境试验设计，对改善方案进行有效性验证。

关键词：旋涡式燃油泵;引射泵;NVH性能;结构噪声

中图分类号：U464.136+.5 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2019）05-0044-06

张新明

毕业于河北农业大学，本科学历，现就职于长城汽车股份有限公司技术中心，任科长，主要研究方向：整车燃油系统。已发表文章：《概述汽车研发中的重要环节》

前言

随着我国汽车工业的迅猛发展，我国机动车产销量连续6年跃居世界首位，截至2017年3月份保有量已突破3亿辆。伴随我国人民生活水平的不断提高，汽车消费的不断成熟，消费者对于汽车的舒适性要求也不断提高，其中汽车的NVH性能也不断被消费者关注。燃油泵作为伴随车辆运行整个过程的关键部件，时刻参与车辆运转，为发动机提供能源供应，其运行过程产生的噪音越来越受到消费者关注。

1 轿车燃油系统燃油泵概述

1.1 电子燃油泵作用及优点：

现汽油燃料轿车多采用电子燃油泵，利用直流电机驱动涡轮高速旋转，从而使燃油压力增高并通过输油管路经过燃油精滤器输送给发动机。目前汽车用电子燃油泵一般设计安装在燃油箱内部，采用工程塑料制成模块化结构，其中集成燃油初级过滤、油压调节、吸油、油液保持等作用，由于此种结构电子燃油泵工作噪音小、压力稳定、不易产生气阻及泄露等优点，因此广泛应用在轿车上;如图1：

1.2 电子燃油泵结构及工作原理

电子燃油泵主要由直流电机、漩涡泵、单向阀、安全阀、油泵支架、粗滤器、引射泵、油压调节器、储油桶构成。漩涡泵的叶轮是一个圆盘，圆周上的叶片呈放射状排列，泵体与叶轮间形成环形流道，吸入口与排出口之间有隔板，当燃油泵电机通电时，电机驱动涡轮泵叶片旋转，在离心力的作用下叶轮内液体的圆周速度大于流道内液体的圆周速度，形成“环形流动”。又由于自吸入口至排出口液体跟着叶轮前进，这两种运动的合成结果使液体产生和叶轮转向相同的“纵向漩涡”。液体质点多次进入叶轮叶片间，通过叶轮叶片把能量传递给流道内的液体质点。液体质点每经过一次叶片，就获得一次能量。这样液体被挤压到出油口;液体被排除后，叶片进油口处通道内形成局部真空，液体就不断从进油口进入叶轮;如图2：

1.3 引射泵工作原理

为保证车辆在复杂的地形路况下，实现燃油的持续供应，一般燃油泵总成均增加储油桶，以保证车辆低燃油液位下燃油泵进油端的液位。储油桶的液位保持一般采用引射泵结构，将油箱内液体吸入储油桶内，相对于“马鞍形”燃油箱（图3）则需要两路引射泵进行工作。

“马鞍形”燃油箱两侧油液进入燃油泵储油桶需要两路引射泵驱动，引射泵工作原理如图4。

当高压液体通过P1人口处进入引射泵后，当液体流进入PVC位置时，由于管道截面积的突然减少，液体高速通过形成射流，PVC位置的压力降低形成负压区，将油箱底部或“马鞍形”油箱另外一侧的燃油吸入，通过P2出油口一同回流到储油桶中，保持储油桶内液位，保证燃油泵进油口燃油供应。

2 某款轿车电子燃油泵结构

2.1 电子燃油泵总成：

某款搭载涡轮增压、缸内直喷发动机车型，匹配的低压燃油泵工作压力为550kpao采用调压阀回油驱动两路引射泵，将燃油箱两侧燃油吸入储油桶中，工作原理如图6：

当车辆启动后，燃油泵①开始工作，将储油桶⑦内的油液通过单向阀②输送到出油管中，经滤清器③的精过滤后，燃油一部分输送给发动机，另一部分经回油管回到油泵的油压调节器⑤中，由于油压调节器的油压精密控制以保证输送给发动机的管路④内的压力稳定;大部分工况下经过⑤的高压回油进行驱动引射泵⑥，利用调压阀回油的高压油液能量，通过吸油嘴⑧将油箱两侧的液体吸入储油桶⑦中，以保证燃油泵的吸油区油液供应。

3 燃油泵結构噪声问题分析

3.1 异响问题描述

针对不同RVP值、不同乙醇含量、不同环境温度条件下工作的燃油泵，在某一特定环境条件下会产生异响。此异响明显区别于燃油泵电机、漩涡叶片产生的声音。一般情况下该噪声具有主观感受明显、分贝值高、频率多在1000Hz左右的特点。由于油液通过燃油泵流道形成固有的液体模态，当该模态的频率与燃油泵油压调节器的固有模态的频率发生重叠后就会将振动放大，导致燃油泵壳体总成进行振动产生异响;此噪音可以排除燃油箱或整车其它部件的共振因素。油液在油泵流道内压力变化，由于惯性作用，燃油在受阻端动能转化为势能，也就是压力能;压力能在流道内传播形成冲击压力波，当压力冲击波与油压调节器的工作频率（非固定频率）接近时，就会产生压力脉冲谐振，使噪声进一步放大。此噪音问题频率确认为730HZ左右，可以排除电机及漩涡叶片运转产生的噪音。

3.2 异响问题复现

在燃油泵性能台架上进行环境模拟再现。当油液温度50℃，特定的乙醇含量条件下，调整燃油泵总成的出油与回油量，异响复现。测试异响的频率为730Hz，与整车噪音测试结果相同;如图7：

4 燃油泵回油管路CFD仿真分析

4.1 模型搭建

燃油泵工作输出的高压油液通过油压调节器进行压力调整，油液经过油压调节器出口回到储油桶，油液压力释放为正常压力，整个过程压力变化值为550KPa，详细的液体流道结构如图8。提取调压阀出口内腔结构，设定人口和出口边界。在hypermesh软件中进行面网格划分，设定网格基本尺寸0.5mm，划分完成的网格模型如图9。

4.2 STARCCM+进行处理：

1）、生成体网格：选择体网格类型为多面体网格，边界层设置为2层，厚度1mm;

2）、创建物理模型：本次分析入口设置为稳定流速（约120L/h），假定回油管内流速恒定，因此调压阀设置为固定开度;三个出口压力均设置为0Pa;

3）、设置油液密度为730.0kg/m^3，粘度为5.424E-4 Pa-s，创建压力及速度流线监测窗口;设置时间步长为0.001S，运算时长为5s。

4）、查看结果并记录。

4.3 CFD仿真分析结果

通过观察回油管路腔体内各个位置的速度流线，确定存在能量损失较大的位置有三处：

第一处：油液进入调压阀出口处，此处油液速度方向发生翻转;

第二处：经过调压阀流出的液流一分为二流入引射阀，分流位置产生较大的涡旋。该腔体内能量损失可产生压力脉动，存在引起阀体共振的可能性。

第三处：油液经引射阀出口位置，此处油液压力释放。

综上，经过对回油管路CFD分析，压力变化最大的位置为调压阀与引射阀之间的空腔;如图10。

5 回油管路液压系统模态仿真分析

5.1 模型搭建

利用LMS Imagine.Lab AMESim一维软件建立流道油液分析模型，模型结构定义如图11，一维模型如图12。

其中inlet1、inlet2为上端人油管路，图中未体现，各腔体参数通过等效体积进行简化，输入参数如下表1：

根据一维分析油液管路系统模态结果：

其中1阶模态768Hz，对应振型为：

其中2阶模态2418Hz，对应振型为：

观察变量1、2、3、4、5分别代表腔体inlet1、inlet2、inlet3、chamber in和chamber out在该频率下的贡献量。

从结果可看出，第1阶模态频率为768Hz，与燃油泵售后噪声问题产生的频率（730Hz）非常接近;因此可以确定燃油泵在一阶模态下发生共振的可能性较大，从振型上看主要为chamber out的贡献量最大，影响该腔体因素主要为空腔体积，所以可通过调整空腔体积改变其固有模态频率。

5.2 分析结论：

通过对油液管路系统模态分析，得到调压阀前后的模态频率，当激励频率与固有模态频率比较接近时，系统内流体可能会产生共振而引发异响。

6 优化方案制定

依据分析结果，对燃油泵内腔流道进行改进，依据分析结果后腔容积由1.818ml进行缩小，提高后腔对应流体模态，缩小到1.245ml后对应模态提高到1100Hz;按照设计经验可以避开原结构共振区域，经燃油泵台架测试，改进后产品异响不复现，问题彻底解决。详细改善方案如图15。

4 结论

对于燃油泵总成的噪音问题，一般认为发生在电机运转、管路震动及涡轮叶片的工作过程中，本文通过结构分析，从燃油泵总成的内流道流体模态与腔体结构的模态分析，发现了流体共振产生异响的根本原因，为后续产品设计及异响问题排查指明了新的分析方向。

參考文献：

[1]刘春辉.2017年上半年中国汽车市场分析及未来展望[J]汽车工业研究2017.09.05.

[2]冀宏.液压阀芯节流槽气穴噪声特性的研究[D]浙江大学博士学位论文2004.12.01.

[3]张露.燃油系统旋涡泵压力脉动的控制研究[J]工程设计学报，2017.08.28.

[4]陈晓军.车用燃油泵噪声的分析与优化[C]2010中国汽车工程学会年会论文集，2010.07.15.

[5]穆海宁.某桥车输油泵噪声分析与覽化[J]农业装备与车辆工程，2015.05.10.

[6]翟晓红.输油泵总成NVH噪声原理分析及解决方法[J]汽车使用技术2017.05.30.

[7]张仅.飞机燃油加注系统中调压阀结构的优化改进[J]机床与液压2016.01.28.