可调式机油泵及其节油潜力(一)

◆文/范明强

可调式机油泵及其节油潜力(一)

◆文/范明强

汽车发动机在批量生产中，通常应用由普通旁通阀调节机油压力的机油泵，但是在生产成本增加不多的情况下，应用体积流量可调节的机油泵最多可节油3%。这种可调式机油泵在轿车发动机上已获得了越来越广泛的应用，并已逐步推广应用到商用车发动机上。本文简要介绍轿车和商用车应用的新型可调式机油泵的基本工作原理，以便使汽车维修行业人员能从中了解这些新型可调式机油泵的使用及其维修方法。

一、机油泵的基本要求

汽车机油泵供油量的设计取决于发动机对润滑油量和压力的需求，而通常具有重要意义的是在140℃机油温度下的热机怠速运转。此时，为了安全运转所需的机油供应，必须确保最低的机油压力大约为0.1MPa，并随着发动机转速的升高，机油压力必须相应提高，以便克服曲轴旋转产生的离心力使机油顺畅地流动，特别是需要由机油压力所决定的发动机机油流量带走曲轴旋转产生的轴承摩擦热量。

典型的发动机机型对机油压力的要求，一般在怠速运转时为0.1MPa，并随发动机转速的升高线性地升高到6000r/min时的0.45MPa。

机油泵的泵油量随其转速按比例增加。然而与此相反，发动机的机油流量则取决于几乎与转速无关的发动机中的流动阻力，并与机油压力成正比，而且还与运转温度有关，因为机油黏度和轴承间隙都与温度有关。

在发动机的许多运行区域内，机油泵的泵油量与发动机需求的机油流量之间存在着较大的差异，特别是在运行温度较低的运行工况下。因此，按需要设计的可调节式机油泵就能比通常批量生产的旁通阀调节的机油泵具有更好的润滑和散热效果，同时又具有相当可观的节油潜力。

压力和体积流量可调节的机油泵被统称为“可调式机油泵”。就传统的机油泵而言，其体积流量和压力取决于转速。压力可调式机油泵仅通过一个调压阀来限制其最大压力，它是将多余的体积流量通过一个旁通道直接排入油底壳来实现的；而体积流量可调式机油泵，则是按照需求来产生压力和体积流量的，从而将为此所必需的传动功率降低到最低程度。

体积流量可调式机油泵可按其调节的结构方式和调节策略来区分。目前，可调式机油泵主要采用外齿轮泵、叶片泵和摆片滑阀式泵等结构型式。本文分别介绍轿车用的可调摆片滑阀式机油泵和商用车用的双联外齿轮可调式机油泵。

二、机油泵的节油潜力

1.旁通阀式机油泵的机油流量和压力

图1示出了典型发动机机型的机油流量特性，代表了传统旁通阀调节式机油泵的机油供应状况。从热机怠速运转工况(怠速转速600r/ min，机油温度140℃，机油压力0.1MPa)起，随着转速的升高，机油泵的泵油量增加，机油压力先成比例地提高。在机油温度为140℃情况下，到发动机转速升高至2700r/min机油泵的泵油量增加到54L/min时就达到旁通阀的调节压力0.45MPa。此时，当转速进一步升高时，发动机机油流量因受到机油压力的限制而保持在54L/min恒定不变，由于旁通阀一直打开着，机油泵的流量不可能再随着转速而进一步增加。由于发动机机油流量与温度有着密切的关系，在机油压力被限制在0.45MPa的情况下，90℃时的发动机机油流量降低到38.5L/min，而30℃时则降低到18L/min，同时调节起始点也分别移至较低的转速。随着机油温度的降低，怠速运转时的机油压力也会相应升高。

发动机机油流量特性线与机油泵的泵油量特性线之间的垂直间距，分别代表通过旁通阀泄出的剩余供油量。例如，在30℃机油温度下4000r/min转速时为62L/min。

2.可调节式机油泵的节油潜力

应用可调节式机油泵将机油压力恒定调节在0.45MPa，并按照图1所示的旁通阀调节式机油泵的泵油量要求进行调节，以适应发动机所需要的机油流量。然而，可调式机油泵可利用的节油潜力还远比此要大，如果再增加按转速调节机油压力的功能，将机油泵的泵油压力调节到发动机所需要的最低机油压力，机油流量还将进一步减少。为此，图2示出了采用最低压力调节的可调式机油泵，在怠速时的0.1MPa机油压力和6000r/min时的0.45MPa机油压力之间，在上述所考察的3种机油温度下的可调式机油泵与发动机相同的机油流量。与无泵油量调节的机油泵供油特性线不同，可调式机油泵在最低压力调节状态下，在宽广的运行范围内具有相对较大的机油流量调节率。例如，在90℃和1900r/min时的机油流量调节率达到60%。

对与燃油消耗有重大关系的可调式机油泵驱动功率具有决定性意义的是其液压功率，它是由泵油量及其机油压力计算出来的。为此，图3表示与旁通阀调节式机油泵相比，恒压调节的可调式机油泵已呈现出一定的节省液压功率的优势，只有当应用最低压力调节替代恒压调节时，可调式机油节省液压功率的潜力才能完全充分地发挥出来。从发动机转速6000r/min时0.45MPa机油压力下具有相同的液压功率起，随着转速的降低，最低压力调节式机油泵的机油压力线性地降低，导致其机油流量成比例地减小。例如，在发动机转速2700r/min时与6000r/min时相比，发动机只需要一半的机油压力降低到0.225 MPa以及一半的机油流量(图2)，因而在2700r/min时最低压力调节方式的液压功率与恒压调节方式相比，非常可观地减少了75%。

由于最低压力调节方式具有这些显著的优点，因此，还能够在发动机较低的运行转速范围内降低机油泵的额定传动功率，并在通常的燃油消耗试验中显示出相应的节油效果。

3.可调节式机油泵的设计可行性

(1)恒定机油压力的调节

众所周知，恒压调节式机油泵尚未作为内燃机的机油供应方式，其原因是由于与通常的旁通阀调节式机油泵相比，在低转速范围内其节省的传动功率有限(图3)。

此外，恒压调节应尽可能不随着调节量而增加,因调节弹簧力相应增大而使机油压力升高，否则至少会部分地丧失因泵油量减少而获得的节省传动功率的优势。因此，必须采用刚度系数较小而对结构空间不利的较长的调节弹簧，或者依靠增大调节弹簧的调节行程来增加弹簧力而获得液压补偿作用。

(2)根据转速调节机油压力

可调式机油泵根据发动机润滑系统所需要的机油供应量进行最低机油压力调节，由于消耗的液压功率最少(图3)，因而能为机油泵减少传动功率提供较好的前提条件。

然而，在可调式机油泵上实现具有节油优势的最低机油压力调节方式必须花费一定的成本。为此可利用例如电控调节器件，但这些器件的成本费用与其所能获得的节油效果之比必须处于可接受的水平。在这方面一个较好的折中方案，例如可采用压力分级调节的方式来实现，它在原理上是一种两级恒压调节。

在图3基础上，图4示出了在0.45MPa和0.25MPa之间转换的两级压力调节的液压功率，图中选择在发动机转速2950r/min时进行调节压力的转换。与简单的0.45MPa恒压调节方式相比，这种两级压力调节方式在低转速范围内能显著地降低液压传动功率。

(3)可调式机油泵的结构型式

显著降低液压传动功率的优势只有采用相应结构型式的可调式机油泵使其液压功率也在效率最佳的情况下转换才能达到，而高的机油泵效率是通过低的摩擦损失和流动损失以及可调式机油泵较少的内部泄漏来获得的。

众所周知，有可能用于汽车发动机的可调式机油泵有叶片泵、内齿轮泵和外齿轮泵，它们在调节方式、结构空间要求和制造成本等方面是不同的，而特别是在泵油量调节时具有良好的机油泵效率，以及可接受的制造成本，对于批量生产应用而言是具有决定性意义的。

三、可调式机油泵的结构和试验

1.可调式机油泵的结构和调节方式

泵油齿轮可轴向移动的外齿轮式机油泵，因具有较小的摩擦半径而为高效率提供了良好的前提条件。此外这种机油泵的性能之所以突出，还因为其内部流动损失随着泵油量的增大而减小，而在可调节内齿轮式机油泵中的情况就并非如此，同时与可调节叶片式机油泵相比，外齿轮式机油泵的制造成本也较低。因此，批量生产的可调式机油泵选择了齿轮可轴向移动的外齿轮泵原理。

在应用按转速调节方法时，优先采用电控2/3路阀来进行压力分级调节，因为采用这种简单的调节原理已经能在低转速范围内明显地降低液压功率(图4)。

图5示出了采用设置在汽缸体曲轴箱中的电控调节单元的可调式机油泵的结构示意图。由泵油齿轮供应的压力机油先在发动机机油滤清器后分出一部分用于机油泵的调节，这样一方面可用弹簧力来补偿机油滤清器的压力损失，另一方面可为调节部件供应经滤清过的清洁机油。

泵油齿轮A和B可在轴向改变啮合重叠度(图5中示出的啮合重叠度为65%)是由泵油压力克服回位弹簧力而实现的。容纳泵油齿轮B轴向移动的腔室右侧完全由泵油压力推压着，而其左侧作用着回位弹簧力和充满弹簧室的调节压力。这种调节压力是由调节单元中的一个两级调节活塞准备好的，该调节活塞可按需要使调节压力在泵油压力和完全泄压状态之间变化。

在调节单元不通电(0V)时，泵油压力仅仅作用在两级调节活塞的环形表面上，调节活塞在调节弹簧力的作用下向左移动，将调节压力室与泵油压力侧接通，调节压力增加而使泵油齿轮B右移增大啮合重叠度，从而使得泵油压力达到较高的压力值。

当调节单元通电(12V)时，其中的电磁阀打开，泵油压力就作用在其两级调节活塞的左端轴销上，调节活塞克服调节弹簧力向右移动，将调节压力室与泄压油道侧接通，调节压力降低而使泵油齿轮B在泵油压力作用下克服弹簧力左移减小啮合重叠度，从而使得泵油压力被调节到较低的压力值。

如图5所示，将电控调节单元布置在发动机汽缸体曲轴箱上是特别有利的，因为这样一方面可以避免电子控制器件在发动机曲轴箱中被机油溅湿，另一方面可使得可调式机油泵结构更为紧凑。

为了证实可调式机油泵采用按转速调节机油压力可节省传动功率的优越性，制造了一种机油压力分级调节的可调式外齿轮机油泵，其泵油量设计得大致符合图1所示的典型发动机机型的要求，并预先确定了传动比。

这种可调式机油泵样泵具有以下设计参数：

结构型式：泵油齿轮可轴向移动的可调式外齿轮机油泵；

理论泵油量：机油泵每转26.3cm3；

调节方式：电液式两级压力调节——机油压力0.27(12V)；0.47(0V)；

传动比：机油泵转速/发动机转速=0.75。

(未完待续)