车用加热器电磁燃油泵供油特性试验研究

1、车用加热器电磁燃油泵供油特性试验研究电磁燃油泵是蒸发式及部分离心式车用燃油加热器常用的燃油 泵之一 00该种泵体积小，结构简单，使用安装方便。但在使用安装 中，不同的安装角度会对其供油量产生定影响。另外，供油频率及脉 宽的高低也会对泵油量产生影响。为了了解它们对电磁泵供油特性的 影响规律，对一蒸发式车用加热器电磁泵供油特性进行了试验研究。1电磁泵的结构及工作原理为加热器燃油电磁泵的结构示意图。由图可见，该泵主要由泵油柱塞 7、柱塞套&柱塞回位弹簧6、弹 簧座3和电磁线圈4等组成。工作时，在加热器控制器的控制下，电 磁线圈以一恒定的频率通、断电，由此产生一恒定频率的电磁吸力， 该吸力在与

2、油泵柱塞回位弹簧的配合下， 使油泵柱塞在柱塞套内以相 应恒定的频率作往复运动。通电时，在电磁吸力的作用下，所示位置 的柱塞向右上方移动，处于柱塞头顶部压油腔 10中的燃油便被从出 油口 11推出供油；同时，因柱塞右行而在柱塞尾部吸油腔1产生真空，从而使来自油箱的燃油被吸入吸油腔；断电时，电磁吸力消失， 此时在弹簧力的作用下柱塞向左下方回位，回位过程中柱塞将吸油腔中的燃油经环形油道腔5和充油孔9挤入压油腔10,以为下次柱塞 右行泵油做好准备。上述过程周而复始，从而达到泵油的目的。2电磁泵的工作特性试验发现，电磁泵的安装角度 0对其泵油量 的影响较大，为此对试验所用的2油泵专门做了 90°

3、; （出油口向上垂直安装）至-90.（出油口向下垂直安装）不同安装角0、不同泵油频率f的泵油量对比试验。由可看出，各安装角0下，电磁泵泵油量mF随着泵油频率f的 增大，均基本呈直线上升。但当安装角0在等于大于0到90之间时， 其泵油量mF在泵油频率f至10Hz时达最大值，以此为拐点，频率 再高则油量直线下降。而当安装角 0在小于0°至-90.之间时，其泵油 量mF则在泵油频率f至11Hz时达最大值，同样以此为拐点，若频 率再高则油量也直线下降。从还可看出，在所试泵油频率f范围内，各安装角0下，电磁泵 单次泵油量msF的变化趋势与泵油量mF大致相似。0=90.时，单次 泵油量最低，即整

4、条曲线处于最下方。随着 0的减小，曲线上移，且 单次泵油量曲线的低频率端，似以曲线拐点为转轴，向上反时针 转动；至-30达最大，之后基本不再变化。在”曲线转动 的过程中， 自90.起,随着0的减小，拐点左侧曲线由上升趋势，至约0=35.左右 变为基本持平；之后曲线又略呈下降趋势；但自-30 .起到-90.，该区域负0曲线拐点左侧也变为基本持平，且-30. -90.单次油量已基本不 变，整条曲线在最上方，为最大泵油角度。响的，其影响大小与电磁泵的安装角 0有关。安装角0小，其泵 油频率f对单次泵油量m%的影响则较小；而电磁泵安装角 0大，其 泵油频率f则对单次泵油量msF的影响较大。当0 =90

5、.时，其泵油频 率f对单次泵油量mSF的影响最大。在拐点左侧，mSF随着f的上 升而上升。10Hz （拐点）与试验最低频率1.11Hz相比，二者单次泵 油量mSF约相差11%.随着安装角0的减小，其泵油频率f对单次泵 油量mg的影响逐渐减小。在0约小于35.之后，mSF随着f的上升 而变为略呈下降趋势。从看，安装角0不同，电磁泵单次泵油量 m%最大值所对应的泵 油频率f亦有所不同，其基本走向是，单次泵油量最大值随着安装角 的减小而向较低的频率移动。频率越低，电磁泵安装角对单次泵油量 的影响则越大。从试验测取的数据看，0.（水平安装）与90.安装比， 在1.11Hz时，其单次泵油量0°

6、匕90°安装约高19%;而在目前加热 器所用的4.3Hz约高13%;当在可达设计功率的6.5Hz下运行，贝卩下 降至约高7%;而在拐点10Hz，则下降到只局4%了。电磁安装角度不同f下泵油量与0的关系由可比较清晰地看出， 泵油频率f从1.11 10Hz,在电磁泵安装角0小于0°为负值，即出油 口向下时，其泵油量基本为定值。而当 0大于0°即出油口向上后， 泵油量则随着0的增大呈减小趋势。3影响电磁泵特性的因素及分析是电磁泵泵油过程分解示意图。图中a）是柱塞6处于下止点位置。此时充油孔 8全部打开，燃油充 入压油腔9中。当电磁泵线圈通电后，在电磁吸力的作用下，柱塞开

7、 始上行，当行至中b）的位置，柱塞将充油孔完全关闭，继续上行则 开始压缩压油腔9中的燃油，当油压高于出油口端的单向阀（图中未 画出）弹簧压力时，单向阀打开，燃油流出向加热器供油。在柱塞上 行的同时，吸油腔2增大产生真空将燃油吸入。中c）是柱塞已行至上止点处于压油终了位置。 当电磁泵断电后, 电磁吸力消失，此时柱塞在回位弹簧 5的作用下开始向下止点回位， 回位过程中（见中d）吸油腔和环形油道腔4中的燃油受到压缩。 当柱塞行至充油孔打开时，燃油便经充油孔流入压油腔中。柱塞回到 下止点后，等待下一次泵油过程。电磁泵泵油过程分解示意图在实际泵油过程中，对压油腔的充油 状况存在三种可能：一是正常情况下压

8、油腔始终处于充满燃油的状 态，其实际泵油行程是自充油口完全关闭时开始（即几何泵油）。二是在给压油腔充油的过程中，由于充油孔节流作用的存在，使其压油 腔尚未完全充满，上行的柱塞则已将充油孔关闭。此时的实际泵油行 程是在充油口还没完全关闭之前即已开始， 但因压油腔未能充满，会 存在欠油容积4V.该种情况下也存在两种可能，即要么柱塞在没 有关闭充油口时，就已提前多泵的油量恰好弥补压油腔中的欠油容积 4V从而使其实际泵油量与第一种可能相同 （即等于几何泵油量）；要 么始终处于欠油状态，使其实际泵油量小于几何泵油量。三是压油腔 总是充满燃油，同样因充油孔的节流作用，其柱塞在没有完全关闭充 油孔前就已开始

9、供油，其实际泵油量大于几何泵油量。这是因为，部 分燃油还没来得及被上行的柱塞从充油孔挤出（倒流），便被推入压 油腔进而泵出供油，这就使得实际单次泵油量大于单次几何 （柱塞关 闭充油孔后至上止点）泵油量。该供油提前量的大小及节流作用的强弱与柱塞的运行速度有关。 速度越快，其节流作用越强，供油提前量越大，单次泵油量越多；反 之，柱塞的运行速度越慢，其节流作用越弱，供油提前量越小，则单次泵油量便减少，直至慢到无节流作用和供油提前量，即只能在完全 关闭充油孔的情况下才能压缩供油，此时便恢复为几何泵油量。3.1重力的影响是电磁泵柱塞组合件受力分析图。柱塞组合件在往复运动中，所受作用力有电磁吸力Fm、回位

10、弹簧力Fs、重力Fg和摩擦阻力Ff（二ySFgN coM，为摩擦系数）等。为了方便分析，因 柱塞壁面有燃油润滑，可对其摩擦阻力忽略不计，且对运动中变化的 电磁吸力和弹簧力以不变量处理。由此简略应用牛顿第二定律2,可得柱塞组合件所受合力F为，二ma便起见，认为重力Fg与电磁吸力 Fm、弹簧力Fs均为不变量。但不变的重力 Fg随电磁泵安装角0的 不同，其作用于电磁泵柱塞组合件上的有效重力Fgs却是随安放角0的不同而变化。从上式可看出，在0=90.-90的范围内，当安装角0=0. 时，其重力Fg的分量Fgs =0,此时电磁吸力仅克服回位弹簧的阻力， 即合力F随着0的减小，作用于柱塞组合件上的合力 F

11、越来越大，至 0=-90.时，其合力F最大，即F二Fmra二Fm-Fs+mg;而当柱塞安装角 0>0.时，随着0的增大，其重力分量FgS越来越大，但作用于柱塞组 合件上的合力 F却越来越小，至 0=90.时，其合力 F最小，即 F=Fmin=Fm-Fs-mg.由上可知，随着电磁泵安装角0的减小，其合力F 增大，而柱塞泵油过程中的加速度a亦随之增大，从而对燃油的节流 作用加大，使泵油量呈增加趋势；而当安装角0增大时，其合力F减 小，泵油过程中的加速度a亦随之减小，从而对燃油的节流作用减弱， 致使泵油量有减少趋势。此即电磁泵安装角小时供油量大，而安装角 大时供油量小的主要原因。3.2欠油容积

12、的影响电磁泵柱塞从上止点向下止点回位的过程中，在其向下回位的初期，由于单向阀的惯性而不能及时回位堵住出 油口，此时会有少许燃油倒流回压油腔内。但当单向阀回位关闭出油 口后，随着柱塞的下行会在压油腔中产生真空（参见中的d）图），且真空度随着柱塞的下行而逐渐增大，直至充油孔打开。柱塞在以上回位过程中，与之一起下行的弹簧座会同时压缩上行 时已被吸入吸油腔的燃油。但因柱塞回位的初期充油孔还没有打开， 且进油口前端又无单向阀装置，故部分燃油会又被重新经进油口压出 （参见中d）图）当柱塞回位至充油孔的上沿打开后， 随着柱塞的下行，存留在环 形油道腔中的燃油便被压入压油腔中。 但同时，在此过程中仍会有部 分

13、燃油被压出进油口。自柱塞下行将充油孔上沿打开至下止点，是向压油腔充油的过程。能否将压油腔充满燃油，消除欠油容积 AV，这取决于充油孔上 沿打开到再次关闭所持续的时间、进油口与环形油道腔二者节流作用 的强弱、安装角0的大小、及柱塞自充油孔上沿打开至下止点这段行 程中，弹簧座的排油量Vs是否远大于柱塞排量亦即是否 D2远大于 d2（D、d分别为弹簧座和柱塞直径，参见中 d）。之所以要弹簧座在行程的排量Vs远大于柱塞在行程的排量这 是因为，弹簧座的排油量 Vs不仅要填充还要填充充油孔上沿至上止 点这段距离（柱塞行程h +）的容积Vp2 （即压油腔容积，忽略出油 口倒流回压油腔内的燃油），另外还要加上

14、部分从进油口挤出的燃油容积VI.也就是说，Vs二Vp1+Vp2+VI.VI的大小与环形油道腔及进油 口节流作用的强弱、燃油的粘度等因素有关。当Vs1定时，若VI较大，则有可能会使压油腔容积 VP2不能充满燃油而出现欠油容积4V， 从而使泵油量减小。前已提及，压油腔能否充满燃油，还与充油孔上沿打开到再次关 闭所持续的时间有关。当柱塞的运行速度过快，或泵油频率过高，均 有可能因其充油时间不足而使压油腔出现欠油状态。柱塞的运行速度快，并不意味着充油时间一定短，例如低频时，柱塞在泵油行程可以 使其很快，但回位后的充油时间可以足够长， 上述不同安装角时因重 力不同而影响柱塞加速度的情况即是如此。然而频率

15、高则一定充油时 间短。阁7不同铎率单个电流波形对比为实测的电磁泵90°安装角时不同频率下的电流波形对比图。图中每个波形即为个完整的泵油、 充油（回位）工作循环。可以看出，每个工作循环的时间随着频率的升高 而缩短。图中所示2.5Hz时，一个波形所跨时间约为 400ms,而到 10.5Hz其时间则下降至约100ms.是不同频率下的单个波形对比。由 图可见，自频率高于6.5Hz后，其电流尚未达到最高值便已断电。当 频率过高时，会出现柱塞的泵油行程还没有到达上止点便开始回位， 从而使泵油量下降。中00.，泵油频率高于10Hz，及0矣-30.泵油频率高于11Hz后, 其油量均急骤下降即是泵油频

16、率过高所致，很有可能已出现柱塞泵油行程不到位的问题。因以上调频试验是在占空比恒定（13% ）的情况下进行的，故其 供电脉宽会随着频率的升高而迅速变窄。 从可看出，当频率为10.5Hz 时，其脉宽仅为14ms频率/Hz脉宽与频率的关系为不同频率时油量 与脉宽的关系曲线。由图可见，在所试脉宽和频率下，当脉宽大于 16ms时，各频率下油量基本不变。自频率高于10Hz后，单次泵油量 基本不再增加，所以泵油量随频率增大的增幅亦开始变小。而当脉宽小于14ms时，则因出现柱塞行程不到位致使油量迅速下降。0是不同脉宽时单个波形对比。可以看出，自脉宽小于32ms,因对应的通电时间缩短，其电流最大值便开始低于最大

17、稳定波峰值。 降至脉宽16ms时，电流约下降25%.但从看，此时其油量还并未下降。 这也就是说，脉宽16ms所对应的电流值足以吸开柱塞，其较短的通 电时间亦还尚未明显影响油量。但通电时间再短，短于14ms,其油量便迅速下降。所以电磁泵要保证足够长的通电时间， 但其通电时间 太长亦无必要，过长还会占用充油时间，甚至影响正常的充油规律。 从可靠性与节电的角度看，20ms左右即可。=6,安装角0分别为90.、45.和0三种特殊角度下的油量与脉宽 Wp的变化关系。可以看出，安装角 0的影响规律依然是角度小时油 量大，这并不受定空占比或是定脉宽的影响。定脉宽与定空占比相比而言，在一定的频率范逐渐远离上止

18、点而 向环形油道腔移动。当0小于某角度后，其4V会移出压油腔而完全 进入环形油道腔顶部，此时只要充油孔打开的时间足够长， 压油腔则 会始终充满燃油。rWE/WIK块备围内，采用等供电脉宽变频来满足所需供油量， 则会避免定占空比可能因供电脉宽太窄而出现柱塞泵油行程不到位 的问题。例如上述定占空比时，当频率为 10.5Hz时，其脉宽便降为 临界值14mS,故其频率已不可继续提高。但定脉宽时，其脉宽与频 率无关。因而显示15Hz时仍可正常供油。当然，随着泵油频率的升高， 一个波形所跨时间要缩短是必然的。因此，其压油腔充油时间缩短，甚至不足，以及节流作用加大等 因素对压油腔充油效率的影响还是不可避免的

19、。不间/下油与的关系0不同脉宽单个电流波形对比电磁泵安装角 0 的不同，不仅会影响重力分量Fgs的大小，从而影响柱塞加速度改变 泵油量；而且还会改变欠油容积 4V的位置，间接影响泵油量。当安 装角0较大时，其欠油容积4V通常会处于压油腔的顶部（上止点附 近）。随着0的减小，4V会械宽/ms 1不同0下油量与的关系实际运 行过程中，当柱塞以较快的速度回位下止点时， 燃油也会被以较快的 速度压入压油腔。但在安装角0较大的情况下，已压入压油腔的燃油， 有可能在重力的作用下使部分燃油倒流出压油腔，从而使欠油容积重新回到上止点附近，影响泵油量。对泵油量影响的大小，与泵油频率有关。当频率较低时，因燃油 由充油孔倒流的时间相对较长，故燃油会流出较多，致使泵油量也减 少较多，频率愈低则影响愈甚；而当频率较高时，由于充油孔倒流的 时间缩短及节流作用加强，使得燃油流出量相对减少，其泵油量便相 对增大。中90.安装角，110Hz单次泵油量曲线的变化走向即可以上 述理论释之。当安装角0小于90时，随着0的减小，压油腔燃油的倒流量逐 渐减少，欠油容积4V也渐渐由压油腔向环形油道腔位移，因重力而 致燃油倒流的影响对其低频泵油则慢慢减轻