無電刷式燃油泵

www.sail-shipping.com 來源：互聯網作者：追夢流星雨1 類別：汽車電器維修時間：2008-01-15

無電刷式燃油泵將來是否真的能夠應用到汽車上呢？在給出肯定或否定的答案之前，我們還需作些分析研究。回顧汽車發展史，不難看出，那些不是由消費者（或者說市場）的要求而產生的新技術，在被應用到汽車上時一般都應具有下列四個特征之一：
    (1)與現有的產品相比，那些能夠實現相同或更好的功能、且價格比較低的新技術肯定會被應用于汽車；
    (2)新技術的成本雖然并不比現有的低，但卻可以滿足政府在尾氣排放或防撞性能方面的法律法規，這類技術也是能夠應用到汽車上的；
    (3)如果新技術能夠解決現有部件或總成的使用壽命不足的問題，或者能夠提高發動機的燃油經濟性，并且其價格也不是高得離譜，那么汽車制造商們就會將該項新技術應用到汽車上；
    (4)新技術降低了系統成本，也就是說，這項新技術可能使某個總成的成本提高，但卻能夠降低其它部件或總成的成本。
    根據上述分析我們可以看出，無電刷式燃油泵作為一項新技術想要得到實際應用，就必須滿足上述四個條件之一。事實是，無電刷式燃油泵的制造成本比傳統的直流（DC）換向器式燃油泵的高出20～30%。因此，如果這項技術在汽車中得到應用的話，將不會是因為其價格便宜，而是因為其具有更好的技術性能。
    我在以前的一篇文章中曾經提到過，現有的設置于油箱內的燃油泵，其最大的磨損部件是電刷（或換向器），這會造成很大的工業資源浪費。為什么說電刷（或換向器）是磨損最大的部件呢？當注入燃油時，泵入的細小微粒會沖擊油箱內的濾清器，因此可能會損壞換向器的石墨表面。而無電刷式燃油泵則沒有這個易損壞的部件，因此也就沒有相應的擔保條款，這是無電刷式燃油泵的顯著技術優勢。
    不僅如此，無電刷式燃油泵工作起來也比較節能。這主要表現在兩個方面：其一，無電刷式燃油泵采用無電刷的結構形式，因此就消除了常規的電刷式燃油泵中電刷與換向器界面之間的能量損耗；其二，由電腦控制的無電刷式燃油泵能夠給發動機精確地供油。在無回油系統中，消除了燃油的循環流動，減少了一個油箱熱源，也就意味著燃油蒸氣排放系統可以制作得更小。因此我們可以說，應用無電刷式燃油泵的好處主要在于可降低車輛的裝配和部件成本。由于無電刷式燃油泵的動力來自交流發電機，這會影響車輛的燃油經濟性。每100km可節省0.1L燃油，這樣的節省聽起來不算太大，但在這時也是值得算計的。
    在車輛中應用無電刷式燃油泵還有另外一個潛在的好處，那就是它能夠進一步降低車輛的尾氣排放污染。為了進一步降低車輛排放對大氣的污染，美國加州空氣資源署（CARB）制定了全面的空氣污染控制計劃，其中的重點工作之一就是推動車輛準零排放（PZEV）行動。根據該項計劃，到了2010年，在加州銷售的汽車中，有一半以上能達到零燃油蒸氣排放標準。加州空氣資源署最近的一份報告顯示，到了2010年將會有至少10個州加入到這項計劃中，以共同追求零排放的目標。
    車輛燃油蒸氣排放一般都是來源于哪里呢？根據加州空氣資源署的統計數據，車輛燃油蒸氣排放的50%產自油箱、油管以及油箱蓋口處，10%來自底盤燃油管路，剩下的40%來源于炭罐、進氣口以及連接系統的泄漏。
    那么，這些廢氣又是如何影響無電刷式燃油泵的呢？問題的關鍵就在于油箱的結構。通過沖壓技術制作的金屬油箱是有接縫的，在接縫處會發生燃油蒸汽泄漏。一般來說，液體的燃油是不會從油箱的接縫處滴漏的，但你常常會在油箱周圍觀察到漏氣，這表明有燃油蒸氣揮發了出來。早期的塑料油箱也有滲透方面的問題，高揮發性的汽油可以透過油箱的塑料壁滲透出來。因此，現在設計的多數油箱都采用多層（最高可達7層）塑料結構，或者通過對油箱內壁進行專門的硫化處理來防止燃油蒸氣的泄漏。
    對于金屬油箱和塑料油箱來說，燃油蒸氣揮發泄漏還有其它的一些表現形式，例如兩種油箱都在接縫處安裝了燃油泵總成，并在此處連接了燃油濾清器頸狀孔口，因此需要為燃油泵和供油器的導線設置一個連接器。為吸收燃油蒸氣設置的炭罐和為了將燃油輸送到發動機艙的燃油輸送管路設置的接縫和連接器，均是可能的燃油蒸氣泄漏途徑。
    解決這類燃油泄漏的措施是消除濾清器頸狀孔口和燃油管路出口之外的所有接縫，具體的實施辦法就是將油箱分成兩個部分，先將燃油泵、炭罐及其他所需部件安裝好，然后將油箱的兩個部分焊接在一起。由于所有的軟管和部件都被安裝在油箱內，因此在管路和連接處的泄漏都會被包含在油箱內，它們是不會泄漏到油箱外的。
    不過，這種先將部件安裝進油箱然后將其再焊接為一體的技術方案也是存在一些問題的，例如當燃油泵發生故障時，就沒有辦法在不更換整個油箱的情況下更換壞了的燃油泵。質量擔保數據分析表明，目前的燃油泵技術還不夠成熟，還不能作出不需更換燃油泵的質量擔保。在這種情況下，無電刷式燃油泵的優勢就體現出來了。
    無電刷式燃油泵的結構相對于傳統的燃油泵來說，從里到外有著很大不同。在無電刷式燃油泵中，永磁磁鐵被安裝在旋轉電樞的內部，磁場線圈被置于外殼的內部，而燃油泵葉輪和燃油控制閥門的位置與傳統燃油泵基本上是一樣的。無電刷式燃油泵與傳統燃油泵之間的主要差別在于無電刷式燃油泵采用的是電子開關組件，而傳統燃油泵采用的則是包括換向器和電刷的機械開關。在很多方面，該電子開關的工作類似于電子點火系統中的凸輪，其必需的一個功能就是開關的開啟和關閉，而另一個功能就是知道應在什么時候打開開關。
    在傳統的燃油泵中，根據弧段磁鐵被安放在電動機殼內的位置，就可判斷固定磁場的位置。所以，為了使磁場在正確的時刻開啟，我們需要將換向器組件與磁鐵組件恰當地對應起來。而在無電刷式燃油泵中，情況顯得更為復雜些。因為電樞的旋轉位置需要與磁場線圈同步，由線圈產生的推力必須在準確的時刻在電機中產生一個扭矩。使用霍爾效應傳感器的情況表明，其安裝很困難，而且成本太高。
    解決這類同步問題的另一個技術方案是運用計算機軟件。我們知道，電機電信號的波形包括計數器或反向電動勢波動，后者由線圈內的電流流動慣性所引起。利用軟件觀察這些波形，即使不使用一個單獨的傳感器，我們也能夠確定出電樞的轉動位置。
在無電刷式燃油泵中，磁場線圈的電子開關包括了一個稱為H形橋驅動器的電路。電動機位于字母H的橫杠上，而字母H的每條腿上都有一個動力開關。動力開關一般都采用了金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET），因為它的電量損失比較小。
    就像換向器式電動機一樣，無電刷式直流電動機對電流與極性都很敏感。換句話說，改變極性就可以改變電動機的轉向，增加平均輸入電壓值就能改變電動機的運轉速度。以無電刷式直流電動機為例，其還使用了脈沖寬度調節，這就意味著電動機的轉速取決于輸入電壓的頻率和脈沖的工作周期，二者的合成結果也就是平均輸入電壓。與傳統電源電壓不同的是，該平均輸入電壓是數字電壓，而不是模擬電壓。
    H形橋驅動器在字母H的上部兩個腿上有兩個高位驅動器，在字母H的下部兩個腿上有兩個低位驅動器。兩個高位驅動器被接到了正極一側，而兩個低位驅動器是接地的，這就意味著這些驅動器需要不同極性來使其工作。對于低位驅動器這是很容易實現的，因為利用普通電池電源的部分電力即可滿足其需求。
    高位驅動器則需要使用一種叫做“啟動自動裝置”或者“充電泵”的特殊電路來驅動。ST Microelectronics公司的一篇論文詳細介紹了該電路的工作原理：“當低壓MOSFET處于打開狀態時，電池給該啟動自動裝置充電。當低壓MOSFET關閉時，高壓MOSFET打開，啟動自動裝置提供所需電流為門電容器充電。通過這種方式，就可以產生所需的充電電壓，以便正確地控制高位驅動器。”
    無電刷式燃油泵并不需要整個H橋的所有功能，可以采用集成的半橋驅動器。半橋驅動器能夠接收微處理器的輸出信號，以驅動燃油泵。微處理器決定開關開合的時機，同時接收發動機控制模塊（ECM）的發動機需油量的輸出信號。絕大多數的無回油系統都有一個儲油罐，以防止突然加速或突然減速等瞬態情況導致失油現象的發生。
    以上我們介紹了無電刷式燃油泵的一些技術亮點，不過你如果根據這些技術亮點就認為會出現消費者站滿汽車展廳的走廊，要求購買“一輛裝有無電刷式燃油泵的汽車”的情景的話，那就錯了。但是可以確信的是，無電刷式燃油泵的所有技術優勢，包括它在滿足車輛零排放要求中所扮演的角色，將會促使更好更可靠的燃油泵應用到汽車中