甲醇汽车电动燃油泵在甲醇汽油中的失效模式及改进方案
文登市军昌自动控制设备厂—邢路军
（xinglujun.alibaba）
图1 泵壳在甲醇燃料中的腐蚀
随着全球能源危机的日趋严重，新能源的开发成为重要课题。目前，国内众多汽车生产厂家已经投入大量精力研究汽车使用甲醇燃料的可行性，并取得了一定成效。本文对燃油系统的重要元件——电动燃油泵在甲醇中应用时所产生的各种失效模式，分析了失效原因，提出了相应的改进措施并进行了试验验证。
当前汽车所用燃料仍然以汽油和柴油为主，但随着全球能源危机的日趋严重，各国政府以及研究机构把越
来越多的精力投入到了新能源的开发中去。对于我国，从资源背景看，煤炭储量占了相当大的比重，因此，可产自于煤炭的甲醇是否能成为汽车的替代能源成了众多机构以及汽车行业的一个重要课题。目前国内众多汽车厂已经投入大量精力研究汽车使用甲醇燃料的可行性，并取得了一定成效。本文主要描述了燃油系统的重要元件——电动燃油泵在甲醇中应用时所产生的各种失效模式，分析了失效原因，提出了针对这些失效模式的相应改进措施并进行了试验验证。
失效模式及原因分析
1 .金属零件的化学腐蚀
电动燃油泵中有泵壳、电枢迭片和电气插片等多种金属元器件，而甲醇中由于氧化作用产生的甲酸等对锡、铜、铝、镁和锌等金属材料都有腐蚀性（见图1），腐蚀性生成物会导致燃油过滤器堵塞，进入燃烧室影响发动机工作，加速润滑油氧化变质。对电动燃油泵本身来说，腐蚀物会加速泵体部分的磨损，部分腐蚀物中的离子会吸附于碳刷导致碳刷和换向器接触不好，从而降低油泵的转速。泵体部分的效率下降以及转速的下降都将降低油泵的性能和寿命。
图2  油泵电极插片的电化学腐蚀
2 .金属零件的电腐蚀
液态甲醇具有极性，其电导率大于汽油，所以在甲醇中金属零件的电化学腐蚀同样严重，对于油泵来说，在运转过程中，电极插片由于通电，更容易和甲醇发生电化学反应，从而腐蚀电极插片（见图2）。
3 .非金属材料的溶涨
甲醇分子量小，分子结构简单，比汽油更容易渗透到塑料、橡胶等非金属零件中，从而使塑料和橡胶等非金属零件发生溶涨。现有市场上的油泵中的非金属零件多为PPS和POM等材料，对甲醇具有较强的耐抗性，但是有不少油泵中含有容易溶涨的成分，比如电枢迭片间用于绝缘的树脂类材料，插片和支撑罩之间密封的胶水等（见图3）。
图3  树脂、胶水等在甲醇中的溶涨
4. 油泵转速的下降
由于甲醇对金属零件的腐蚀性，导致燃油中含有大量的金属正离子，油泵运转中，油泵的碳刷由于通电，碳刷负极很容易吸附这些游离的金属离子并使之沉积于碳刷表面（见图4、图5），随着沉积物的积累，使得碳刷和换向器之间接触不良，导致电枢转速急剧下降，甚至于导致断路，使油泵无法工作。
图4  负极碳刷表面的金属沉积物
5 .运动部件的磨损
由于甲醇分子量小于汽油且渗透性强，容易破坏运动零部件表面的油膜，所以甲醇的润滑性能远差于汽油，从而导致油泵泵体运动部件的磨损比在汽油中要大。泵体部分的磨损将导致内泄漏严重，降低油泵的泵油效率，从而使油泵在寿命期内性能无法满足要求。而换向器及碳刷部分的过度磨损将直接导致油泵在寿命期内电路系统的断路，使得油泵无法满足寿命要求。
图5 负极碳刷表面附着层主要元素
改进措施
1 .金属零件的防腐处理
油泵中含有大量的金属零件，常用的有铝、铜和铁等金属材料。对于铝，目前多采用阳极化处理工艺处理表面，这种工艺对甲醇的耐抗性基本没有问题。
对于很多铜的插片以及铜基体的碳刷导线，目前大多采用镀锡的方法来防腐，这种工艺在小于15％的甲醇燃料中目前尚未发现问题，但在甲醇含量大于15％的燃油中，电极插片和碳刷导线由于电化学腐蚀的
存在，仅仅靠镀锡已经无法保证防腐性能了，目前比较好的做法是通过优化结构设计，用塑料件把金属插片等密封起来，从而使得插片和燃油完全隔离开来达到防腐的目的（见图6）。
另外，使用钢管作为基体的泵壳，目前多采用镀锌加上三价铬酸钝化的方式来防腐，这种方式在汽油中没有问题，但是在大于15％甲醇含量的燃料中腐蚀的失效率就将提高很多。
由于泵壳本身不会带电，甲醇对泵壳的电化学腐蚀较弱，所以对泵壳来说，通过优化镀层的工艺也能提高油泵在高比例甲醇燃料中的适应性。
图6  支撑罩密封电极插片、保护帽密封外接线路
2 .塑料零件的防溶涨
在燃油中甲醇含量小于15％时，现有大多数油泵可以忽略甲醇对橡胶件以及塑料件的溶涨影响。当甲醇含量大于15％时，现有大多数油泵中使用的PPS和POM等塑料件基本能满足应用，但也有不少零件需要改变材料或者优化设计以避免溶涨，比如前面提到的电枢中的绝缘树脂和密封用的胶水等，由于绝缘树脂是必需的，所以要选用耐甲醇的材料，而密封用的胶水尽量不要使用，使用不当胶水反而容易脱落导致堵塞燃油系统中的调压阀、精滤器等。
3. 针对转速下降的改进
油泵在甲醇燃料中的转速下降，主要是因为金属沉积物积累到了碳刷表面导致，所以要想改进必须从两方面入手：一方面减少燃料中金属离子的含量，另一方面要及时把碳刷表面的沉积物除去。
由于甲醇燃料中本身是不含有金属离子的，金属离子的来源主要是整个燃油系统中的金属元件，所以要减少燃料中金属离子的含量，必须加强系统中金属零件的防腐处理。从图5可以看出，负极碳刷沉积物中主要金属离子成份是铜和锌，所以防腐的重点在于减少整个油路系统中材料为铜和锌的零件，或者避免出现裸露的
铜和锌。
仅仅针对目前的油泵来说，基本上含铜的零件主要是电枢换向器的铜基体、绕线挂钩，另外电气连接的
插片的基体也是铜。对于电气连接的部件，由于电化学腐蚀的存在，仅仅靠表面处理工艺已经很难满足防腐要求，所以目前有效的方法主要是通过塑料件密封。对于换向器铜基体，有部分厂商在加工出换向器铜基体的沟槽后，采用镀锡的方式把裸露的铜密封了起来，但是现在大多数换向器厂商都改变了传统的设计，使铜基体也完全密封在了换向器塑料基体中。这两种措施基本都能满足要求，但无疑密封的方式更为可靠，寿命也更长一些。
图7 改进型油泵在体积比M15以及山西恶劣M15中寿命试验对比
虽然金属零件的防腐处理能够很大程度上减少碳刷负极表面的沉积物，但是金属的腐蚀总是或多或少地存在，所以我们必须想办法及时地去除碳刷表面的沉积物。
为此，我们主要从两方面入手去除碳刷沉积物：第一，提高碳刷弹簧的弹簧力，碳刷和换向片之间的摩
擦力增大，更容易通过摩擦去除沉积到碳刷和换向片表面的金属以及其他杂质；第二，选用清洁能力强的碳刷材料和碳片材料，比如在碳刷和换向器碳片的碳粉中增加比较硬质的SiO2等成份，这些成分不容易被磨掉，凸出的颗粒会及时的刮掉沉积于碳刷或者换向片表面的沉积物。
甲醇汽车4. 运动部件的防磨损
防磨损主要从选材以及结构的优化设计两个方向入手，材料需要选择硬度较大，至少表面处理后硬度较大的材料，另外需要考虑相互摩擦的部件之间硬度相当，否则硬度较低的零件必定先磨损严重。另外，运动部件的结构优化也会改善磨损的情况，比如泵体部分，在考虑叶轮两边流体压力平衡的基础上，在叶轮上设计浮起槽，在叶轮两边的的腔体工作面上设计适当的凹坑以保留一部分液体帮助润滑等等。
试验验证
基于我们现有的电动燃油泵设计，我们选用了可行且改动不多但效果明显的方案，目的是在基本满足当前低比例甲醇汽油市场应用的前提下，尽量减少设计的改动，从而避免成本的大幅增加。
试验甲醇油品的选择上，由于目前国内甲醇汽油的推广应用尚在起步阶段，国家尚未颁布明确的甲醇汽油标准，目前大多数汽车厂商的甲醇汽油试验均使用体积比15％的甲醇汽油（M15），这种油品相对较干净，但我国目前最大的甲醇汽油市场——山西市场上的15％甲醇的汽油却不太规范，包含了各种厂家
生产的质量参差不齐的防腐剂、防分层剂，另外还有由于氧化产生的甲酸、铜离子等。所以我们的试验不光使用体积比M15，另外，基于山西M15的抽样调查，我们自己配制了相对恶劣的山西M15作为一种试验液。同时，我们也在纯甲醇M100中进行了一些试验摸底。
经过寿命试验验证，改进后的油泵在体积比15%甲醇的汽油中（M15）寿命明显增加，试验后油泵性能仍有很大余量，即使在油品相对恶劣的山西M15中，试验后余量虽然已经不多，但也能满足寿命要求（见图7）。所以，基于现有油泵的改进方案基本能满足M15中的应用要求。
在M100（纯甲醇）中做的寿命试验表明，改进的方案能很好地减少碳刷沉积物的出现，但是现有金属件的防腐蚀能力仍无法满足要求，所以如果要应用于高比例的甲醇燃料中，现有的设计已经无法满足要求，上述提到的一系列改进措施必须比较全面低被考虑到。
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