电动燃油泵性能仿真及结构优化研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 6 4 2.38MB 65 页 15积分
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摘 要
电动燃油泵是汽车发动机电控喷射系统的重要部件，其作用是向发动机的供
油系统输送足够压力和流量的燃油，以满足发动机不同工况对燃油流量的需要，
因此燃油泵性能的好坏直接影响发动机的工作性能。尽管目前国内电动燃油泵制
造商很多，但大多缺乏软件方面的仿真手段，这种状况不利于电动燃油泵的快速
开发设计。本课题针对当前国内电动燃油泵的实际，以 AMESim 等软件为仿真手
段对电动燃油泵进行仿真研究，并对电动燃油泵的结构进行优化设计，以达到提
升性能、减少产品的设计周期的目的。同时对于实际制造的样品需要使用相应的
测试手段对其性能进行检测，因此尝试开发设计了电动燃油泵的性能检测平台。
首先，针对电动燃油泵的结构和功能方面的特点，使用 AMESim 软件创建系
统模型，通过对整个燃油泵系统的参数化设置进行仿真并对结果进行分析。通过
修改结构研究影响电动燃油泵性能的因素，并针对电动燃油泵的出油流量等参数
进行优化设计。
其次，使用相关的 CFD 软件对燃油泵叶轮内部的流道进行仿真，依据内部流
道的流动状态分析自吸式涡轮电动燃油泵泵油效率偏低的原因，为电动燃油泵的
结构优化指明方向。
最后，为了实现电动燃油泵性能的自动检测，本文建立了电动燃油泵性能检
测系统，通过实验对该系统的性能进行了检验，并通过对电动燃油泵样品的出油
流量和压力的检测结果验证了 AMESim 模型仿真分析结果的正确性。
关键词：仿真分析 AMESim 模型 叶轮 流道 检测试验
ABSTRACT
Electronic fuel pump is an important component of electronic control injection
system in automobile engine. Its mainly work is to transport enough fuel into engine
with required pressure and flow rate to meet the need of different work conditions. So
the performance of the Electronic fuel pump makes a direct affect on the engine
performance. Although there are plenty of the domestic electric fuel pump
manufacturers, most of them are lack of software simulation tools, which is not
conducive to the product rapid development and design. Therefore, this paper’s
subject is to simulate and do some research on the electronic fuel pump by means of
the software named AMESim. For different structural parameters of the fuel pump, we
need to do comparative analysis of simulation performance. According to the
simulation results of the specific structural parameters, modify the existed structure in
order to improve the work performance and achieve the purpose of reduce the product
design period rapidly.
Firstly, owing to the structure and function characteristics, using AMESim to
create sub-models and build up a completed fuel pump system. After that the
parameters which belong to each sub-model are specified for simulation. By
modifying the structure parameters of electric fuel pump, the effect of the
performance will be studied, and the optimization design will be worked out to
improve the performance of electric fuel pump such as the flow rate, etc.
Secondly, impeller flow runner of the fuel pump will be analyzed by using CFD
software Fluent. Through the research of its internal flow channel state, the reason
why the efficiency of this self-priming pump electric is lower than expected will be
found out. It will give a clear direction to optimize the structure of the electric fuel
pump.
Finally, according to principle and subject we studied, the electric fuel pump
performance test system will be build up by designing the hardware of the system.
And then, when the information of the flow rate and flow pressure are measured, the
accuracy of the result in the AMESim simulation model system will be verified.
Key words: simulation, AMESim model, impeller, flow runner testing
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...............................................................................................................1
§1.1 论文背景及意义 ................................................................................................1
§1.2 电动燃油泵的原理及分类 ................................................................................1
§1.2.1 工作原理 .................................................................................................1
§1.2.2 电动燃油泵的分类 .................................................................................2
§1.3 本论文研究内容 ...............................................................................................5
第二章 系统建模及仿真分析优化 ...............................................................................6
§2.1 AMESim 简介 ................................................................................................... 6
§2.2 建模过程 ...........................................................................................................7
§2.2.1 电磁控制模块 ..........................................................................................8
§2.2.2 机械模块 ..................................................................................................9
§2.2.3 液力模块 ................................................................................................10
§2.2.4 系统模型建立 ........................................................................................11
§2.3 参数设置 .........................................................................................................18
§2.3.1 油液属性 ...............................................................................................18
§2.3.2 单向阀和安全阀 ...................................................................................19
§2.3.3 转子和叶轮 ...........................................................................................22
§2.3.4 泵盖和导流盘容积 ...............................................................................23
§2.3.5 其他结构参数设置 ...............................................................................24
§2.4 仿真分析 .........................................................................................................25
§2.4.1 单一输入的仿真结果 ...........................................................................25
§2.4.2 动态输入的仿真结果 ...........................................................................27
§2.5 结构分析及优化设计 .....................................................................................29
§2.5.1 电压参数 ...............................................................................................29
§2.5.2 叶轮流道外直径 ...................................................................................30
§2.5.3 动态控制优化设计 ...............................................................................31
§2.6 本章小结 .........................................................................................................33
第三章 叶轮流道分析 .................................................................................................35
§3.1 简介 ..................................................................................................................35
§3.2 SolidWorks 建模 ..............................................................................................35
§3.2.1 建模 .......................................................................................................35
§3.2.2 抽取流道 ...............................................................................................36
§3.3 GAMBIT 预处理 .............................................................................................37
§3.3.1 三维几何模型导入 ................................................................................37
§3.3.2 网格划分处理 ........................................................................................38
§3.3.3 质量检查 ................................................................................................39
§3.3.4 边界条件定义 ........................................................................................41
§3.4 Fluent 计算 ...................................................................................................... 41
§3.5 结果分析 .........................................................................................................44
§3.6 本章小结 .........................................................................................................45
第四章 电动燃油泵性能检测台开发 .........................................................................46
§4.1 检测台工作原理 .............................................................................................46
§4.1.1 设计思路 ................................................................................................46
§4.1.2 具体检测过程 ........................................................................................47
§4.2 检测系统的硬件设计 .....................................................................................48
§4.2.1 微处理器 ................................................................................................48
§4.2.2 输入调理模块 ........................................................................................49
§4.2.3 输出驱动模块 ........................................................................................51
§4.2.4 其他模块 ................................................................................................51
§4.3 检测试验 .........................................................................................................52
§4.4 本章小结 .........................................................................................................53
第五章 总结与展望 .....................................................................................................54
§5.1 论文总结 .........................................................................................................54
§5.2 研究展望 .........................................................................................................54
附录 1叶轮子模型编码 ................................................................................................56
参考文献 .........................................................................................................................60
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................62
致 谢 .............................................................................................................................63
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 论文背景及意义
随着全球经济增长速度的加快，国内外的汽车行业发展迅猛，产量逐年递增，
这使得汽车生产和售后维修过程中对于电动燃油泵的需求量也在大幅增长。根据
相关的权威统计机构发布的关于我国电动燃油泵产量的报告显示，国内从事电动
燃油泵生产的汽车零部件厂商已经超过百家，而电动燃油泵的年产量也已经超多
一亿，这为国内外汽车行业提供了大量的产品来源，国内大规模的电动燃油泵生
产商多集中在中国南方城市，多数处在仿制阶段并且从事的主要是产品的外贸出
口和少量小排量的低端车型的配备和售后维修产品供应，而国内的汽车用的电动
燃油泵供应商多为诸如联合电子、德尔福之类的外资企业占据，国内生产商占有
国内的电动燃油泵的销售占有量处在少数的位置。
面对外资企业占据的垄断性的销售地位，国内电动燃油泵生产商迫切需要做
的就是发展自己独有的研究团队，开发具有自主知识产权的新型优质电动燃油泵，
以适应国际化的挑战。目前国内企业在研发方面的投入很少，技术不成熟加上厂
家受到规模的限制无法在产品的创新和开发上加大投入资本，极大地制约了我国
电动燃油泵的快速发展，此外国内企业同时还面临来自处于垄断地位的外资企业
的严峻挑战，这使得国内企业陷入不利之地。
目前国内企业除了温州华润电机、宁波洛卡特等企业有一定的自主研发能力
外，绝大多数企业都还处于简单产品技术仿制和作坊式生产的阶段。以温州地区
为例，我国浙江温州有很多从事汽车电器生产的企业，由此形成了一个比较完整
的汽车电器产业链。生产电动燃油泵所需的各个零部件几乎都能在当地采购到。
由于采购零部件非常方便，据了解，在温州开发一个新的电动燃油泵产品，几个
人2个月就能开发出来。这种作坊式、组装式的生产模式灵活，风险成本可控，
但由于重生产、轻基础研究，重眼前效益，轻长远发展规划，所以导致很多企业
生产的产品相互仿制、同质化现象非常严重，产品质量上也很难与国外品牌竞争。
从当地的科技局公布的情况来看，在拥有众多电动燃油泵生产企业的浙江温州地
区，每年真正有科研项目投入和有自己产品标准的企业寥寥无几[1]。
§1.2 电动燃油泵的原理及分类
§1.2.1 工作原理
电动燃油泵基本功用是连续不断地把燃油从汽油箱吸出，给燃油系统提供规
电动燃油泵性能仿真及结构优化研究
2
定压力和流量的燃油。它的结构和具体的工作原理如下：
电动燃油泵主要由泵体、直流电机和壳体三部分组成。直流电机通电后带动
泵壳体内的转子进行高速旋转，转子轴下端的切面与叶轮的内孔切面相结合，使
得当转子旋转的时候通过转子轴带动叶轮一起同向旋转，叶轮高速旋转过程中在
进油口部分造成真空低压，进而将经过过滤处理的燃油从泵盖的进油口吸入，吸
入的燃油经燃油泵叶轮加压后进入泵壳内部再通过出油口压出，为燃油系统提供
具备一定压力的燃油。在燃油流经燃油泵内部时，对直流电机的电枢转子起到冷
却作用以防止其过热，同时由于电动机是浸泡在泵壳壳体内的燃油中，没有空气
充斥在燃油泵泵壳内，电动燃油泵正常工作时不存在着火的风险。直流电机的结
构包括固定在泵壳壳体内壁上的永磁铁、通电后能够产生磁力矩的转子和安装在
泵壳上端的石墨碳刷组件。碳刷与电枢转子上的换向器处于弹性接触状态，其引
线连接在外壳的插电接线电极，电动燃油泵泵壳外部的两端采用卷边铆紧，成为
一个不可拆卸的总成[2,3]。
燃油泵上的安全阀是为了避免燃油管路阻塞时或者泵壳内油压过分升高，而
造成出油管路由于承受过大油压而发生破裂或燃油泵内部结构遭到损坏等问题而
设置的泄油减压的装置。单向阀是为了在燃油泵停止工作时密封油路，使供油系
统和电动燃油泵内保持一定残压以方便下次起动时能够快速供油。
电动燃油泵供给的燃油量要比发动机要求的最大喷油量偏大，以便在各种行
驶工况下保持固定的输油压力，多余的燃油会通过燃油压力调节器自动返回汽油
箱。同时，电动泵可以消除高温下的气阻现象，更不会出现供油不足的情况，而
且提高了起动性能、加速性能和燃烧效率。
§1.2.2 电动燃油泵的分类
电动燃油泵的种类与结构形式多样，泵体是电动燃油泵的主要结构部分，根
据其结构不同，可分为滚柱式、齿轮式、涡轮式和侧槽式等几种型式。其中侧槽
泵与涡轮泵的工作原理基本相同，主要的区别在于叶轮几何形状，叶片数目等几
个方面[4]。对于涡轮式电动燃油本由于其泵油效率较低和提供的压力较小，多用于
小排量需求的汽车和大多数的摩托车中。
第一章 绪 论
3
图1-1 电动燃油泵的实体结构
1、滚柱泵：滚柱泵是电喷摩托车供油系统非常常用的形式。滚柱式电动燃油
泵目前主要应用于电子控制燃油喷射系统中。
滚柱式燃油泵主要由永磁电机（小功率的直流电机）、滚柱泵体（转子、滚柱
和泵套）、壳体三部分组成。如图 1-2 所示，其电枢转子上装的滚柱，它是偏心安
装在泵套内的，直流电机旋转带动转子旋转时，凹槽里面的五个滚柱在离心力作
用下压靠在泵套内表面上，借此封堵了转子与泵套之间的容积腔，滚柱紧贴着泵
套的内壁滚动，即利用转子、滚柱和泵套三者所包容部分的容积变化，汽油在容
积由小变大的一侧（入口）被吸入，在容积由大变小的一侧（出口）被压出，并
使燃油的压力升高。
图1-2 滚柱式电动燃油泵
摘要：

摘要电动燃油泵是汽车发动机电控喷射系统的重要部件，其作用是向发动机的供油系统输送足够压力和流量的燃油，以满足发动机不同工况对燃油流量的需要，因此燃油泵性能的好坏直接影响发动机的工作性能。尽管目前国内电动燃油泵制造商很多，但大多缺乏软件方面的仿真手段，这种状况不利于电动燃油泵的快速开发设计。本课题针对当前国内电动燃油泵的实际，以AMESim等软件为仿真手段对电动燃油泵进行仿真研究，并对电动燃油泵的结构进行优化设计，以达到提升性能、减少产品的设计周期的目的。同时对于实际制造的样品需要使用相应的测试手段对其性能进行检测，因此尝试开发设计了电动燃油泵的性能检测平台。首先，针对电动燃油泵的结构和功能方面...

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