無電刷式燃油泵

www.ciaranmcbreen.com 來源：互聯(lián)網(wǎng) 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(yīng)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(fā)展史，不難看出，那些不是由消費者（或者說市場）的要求而產(chǎn)生的新技術(shù)，在被應(yīng)用到汽車上時一般都應(yīng)具有下列四個特征之一：
    (1)與現(xiàn)有的產(chǎn)品相比，那些能夠?qū)崿F(xiàn)相同或更好的功能、且價格比較低的新技術(shù)肯定會被應(yīng)用于汽車；
    (2)新技術(shù)的成本雖然并不比現(xiàn)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(guī)，這類技術(shù)也是能夠應(yīng)用到汽車上的；
    (3)如果新技術(shù)能夠解決現(xiàn)有部件或總成的使用壽命不足的問題，或者能夠提高發(fā)動機的燃油經(jīng)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(shù)應(yīng)用到汽車上；
    (4)新技術(shù)降低了系統(tǒng)成本，也就是說，這項新技術(shù)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(jù)上述分析我們可以看出，無電刷式燃油泵作為一項新技術(shù)想要得到實際應(yīng)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(tǒng)的直流（DC）換向器式燃油泵的高出20～30%。因此，如果這項技術(shù)在汽車中得到應(yīng)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(shù)性能。
    我在以前的一篇文章中曾經(jīng)提到過，現(xiàn)有的設(shè)置于油箱內(nèi)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(yè)資源浪費。為什么說電刷（或換向器）是磨損最大的部件呢？當(dāng)注入燃油時，泵入的細(xì)小微粒會沖擊油箱內(nèi)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(yīng)的擔(dān)保條款，這是無電刷式燃油泵的顯著技術(shù)優(yōu)勢。
    不僅如此，無電刷式燃油泵工作起來也比較節(jié)能。這主要表現(xiàn)在兩個方面：其一，無電刷式燃油泵采用無電刷的結(jié)構(gòu)形式，因此就消除了常規(guī)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(fā)動機精確地供油。在無回油系統(tǒng)中，消除了燃油的循環(huán)流動，減少了一個油箱熱源，也就意味著燃油蒸氣排放系統(tǒng)可以制作得更小。因此我們可以說，應(yīng)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(fā)電機，這會影響車輛的燃油經(jīng)濟性。每100km可節(jié)省0.1L燃油，這樣的節(jié)省聽起來不算太大，但在這時也是值得算計的。
    在車輛中應(yīng)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(zhǔn)零排放（PZEV）行動。根據(jù)該項計劃，到了2010年，在加州銷售的汽車中，有一半以上能達(dá)到零燃油蒸氣排放標(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)。
    車輛燃油蒸氣排放一般都是來源于哪里呢？根據(jù)加州空氣資源署的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，車輛燃油蒸氣排放的50%產(chǎn)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(tǒng)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(guān)鍵就在于油箱的結(jié)構(gòu)。通過沖壓技術(shù)制作的金屬油箱是有接縫的，在接縫處會發(fā)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(fā)了出來。早期的塑料油箱也有滲透方面的問題，高揮發(fā)性的汽油可以透過油箱的塑料壁滲透出來。因此，現(xiàn)在設(shè)計的多數(shù)油箱都采用多層（最高可達(dá)7層）塑料結(jié)構(gòu)，或者通過對油箱內(nèi)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(fā)泄漏還有其它的一些表現(xiàn)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(dǎo)線設(shè)置一個連接器。為吸收燃油蒸氣設(shè)置的炭罐和為了將燃油輸送到發(fā)動機艙的燃油輸送管路設(shè)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(nèi)，因此在管路和連接處的泄漏都會被包含在油箱內(nèi)，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(shù)方案也是存在一些問題的，例如當(dāng)燃油泵發(fā)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(zhì)量擔(dān)保數(shù)據(jù)分析表明，目前的燃油泵技術(shù)還不夠成熟，還不能作出不需更換燃油泵的質(zhì)量擔(dān)保。在這種情況下，無電刷式燃油泵的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了。
    無電刷式燃油泵的結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)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(zhuǎn)電樞的內(nèi)部，磁場線圈被置于外殼的內(nèi)部，而燃油泵葉輪和燃油控制閥門的位置與傳統(tǒng)燃油泵基本上是一樣的。無電刷式燃油泵與傳統(tǒng)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(guān)組件，而傳統(tǒng)燃油泵采用的則是包括換向器和電刷的機械開關(guān)。在很多方面，該電子開關(guān)的工作類似于電子點火系統(tǒng)中的凸輪，其必需的一個功能就是開關(guān)的開啟和關(guān)閉，而另一個功能就是知道應(yīng)在什么時候打開開關(guān)。
    在傳統(tǒng)的燃油泵中，根據(jù)弧段磁鐵被安放在電動機殼內(nèi)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(dāng)?shù)貙?yīng)起來。而在無電刷式燃油泵中，情況顯得更為復(fù)雜些。因為電樞的旋轉(zhuǎn)位置需要與磁場線圈同步，由線圈產(chǎn)生的推力必須在準(zhǔn)確的時刻在電機中產(chǎn)生一個扭矩。使用霍爾效應(yīng)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(shù)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(shù)器或反向電動勢波動，后者由線圈內(nèi)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(zhuǎn)動位置。
在無電刷式燃油泵中，磁場線圈的電子開關(guān)包括了一個稱為H形橋驅(qū)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(guān)。動力開關(guān)一般都采用了金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)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(zhuǎn)向，增加平均輸入電壓值就能改變電動機的運轉(zhuǎn)速度。以無電刷式直流電動機為例，其還使用了脈沖寬度調(diào)節(jié)，這就意味著電動機的轉(zhuǎn)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(jié)果也就是平均輸入電壓。與傳統(tǒng)電源電壓不同的是，該平均輸入電壓是數(shù)字電壓，而不是模擬電壓。
    H形橋驅(qū)動器在字母H的上部兩個腿上有兩個高位驅(qū)動器，在字母H的下部兩個腿上有兩個低位驅(qū)動器。兩個高位驅(qū)動器被接到了正極一側(cè)，而兩個低位驅(qū)動器是接地的，這就意味著這些驅(qū)動器需要不同極性來使其工作。對于低位驅(qū)動器這是很容易實現(xiàn)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(qū)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(qū)動。ST Microelectronics公司的一篇論文詳細(xì)介紹了該電路的工作原理：“當(dāng)?shù)蛪篗OSFET處于打開狀態(tài)時，電池給該啟動自動裝置充電。當(dāng)?shù)蛪篗OSFET關(guān)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(chǎn)生所需的充電電壓，以便正確地控制高位驅(qū)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(qū)動器。半橋驅(qū)動器能夠接收微處理器的輸出信號，以驅(qū)動燃油泵。微處理器決定開關(guān)開合的時機，同時接收發(fā)動機控制模塊（ECM）的發(fā)動機需油量的輸出信號。絕大多數(shù)的無回油系統(tǒng)都有一個儲油罐，以防止突然加速或突然減速等瞬態(tài)情況導(dǎo)致失油現(xiàn)象的發(fā)生。
    以上我們介紹了無電刷式燃油泵的一些技術(shù)亮點，不過你如果根據(jù)這些技術(shù)亮點就認(rèn)為會出現(xiàn)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(shù)優(yōu)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(yīng)用到汽車中