两级可变排量机油泵在发动机上的应用研究

2019-06-26任健康罗欣喆

汽车与新动力 2019年3期

沈勇，2 杨辉，2 任健康罗欣喆

(1.上海汽车集团股份有限公司技术中心,上海 201804； 2.上海市汽车动力总成重点实验室,上海 201804)

0 前言

随着国际油价的不断攀升和排放法规的日益严格，到2020年中国要求车辆百公里燃油耗降至5 L，而欧盟要求百公里燃油耗降至4 L，因此降低燃油耗已经成为整个汽车行业的重要发展目标。对于汽油机而言，降低燃油耗的措施主要包括燃烧优化及改进、摩擦功降低和发动机热管理技术。其中摩擦功主要来源于曲轴、活塞、连杆、凸轮轴、机油泵、气门、正时链条和皮带等，因此为了降低摩擦功，在保证机油压力需求的前提下降低机油泵的输出压力是一项重要措施。

目前市场上主要的机油泵类型有：定排量机油泵、一级可变排量机油泵、两级可变排量机油泵，以及连续可变排量机油泵等。不同类型机油泵机油压力随转速变化如图1所示，定排量机油泵供油压力随转速变化几乎呈线性增加[1]，在高速段机油压力远高于需求值，一级可变排量机油泵虽然在高速段进行油压调节，但在低速段仍有部分浪费，而两级可变排量机油泵很好地兼顾了高速段和低速段的油压，连续可变机油泵虽然更具优势，但是目前很难得到发动机在不同转速下的连续油压需求曲线，因此未被普遍应用。

1 可变排量机油泵介绍

1.1 可变排量机油泵原理及特点

可变排量机油泵类型主要有3种，分别为可变排量转子泵、可变排量外齿轮泵和可变排量叶片泵。下面以可变排量叶片泵为例进行详细介绍。

1.1.1 可变排量叶片泵工作原理

可变排量叶片泵主要可分为滑动变量式叶片泵和摆动变量式叶片泵，两种类型叶片泵的变量原理大致相同[2]。如图2所示，通过外调节环的滑动或者摆动，改变其与转子的偏心距，进而改变叶片泵的排量。

当反馈机油压力达到变量设定值时，弹簧被压缩，外调节环滑动或者摆动，使叶片的内圈和外圈之间的偏心距减小，叶片与内外圈之间形成的压油腔在机油泵运转过程中变化量也相应减小，这样就使机油泵的泵油流量减小，当反馈机油压力降低时，弹簧逐渐回位从而使调节环复位。

1.1.2 可变排量叶片泵的优缺点

可变排量叶片泵有着诸多优点，但也存在一些不足。其优点在于结构紧凑，适用范围广，相同尺寸的叶片式泵排量大，同时由于机油压力和流量降低，减少了机油泵泵送次数，因此可以减少传动噪声，延长机油使用寿命，减少机油滤清器及冷却器的成本。

由于对机油清洁度要求较高，与转子泵和外齿轮泵相比零部件较多，制造精度要求高，叶片易磨损，同时相对于定排量机油泵，可变排量叶片泵成本大约要高出50%～75%，并伴有有一定的压力脉动和响应迟滞情况。

1.2 可变排量机油泵国内外现状

最早关于机油泵的研究见于1922年George A Round的论文中,该文章从机油泵的定义到机油泵的功能要求等都作了阐述。机油泵的智能化对于改善发动机的润滑有着非常重要的意义，从而可变排量机油泵使机油泵的智能化控制成为可能。

在国内，神龙汽车有限公司是最早一批应用可变排量机油泵技术的汽车企业，其三大主力机型全部采用可变排量机油泵。2015年，通用和大众中国工厂对可变排量机油泵的应用率超过60%。上汽、一汽、长安、奇瑞、长城等国内自主品牌汽车在各自研发的主力发动机上基本上已全部开始采用可变排量机油泵。

2004年，BMW公司在直列6缸发动机中使用了一款摆动式可变排量叶片泵，使得机油泵的机械驱动功率与传统的机油泵相比减小2 kW。2007年，通用公司在GENIV 的V8 发动机上也使用了一款可变排量叶片泵，这种可变排量叶片泵最高可节省50%的机油泵功耗，同时还能显著降低油泵的工作噪声。2009年，Audi公司在其V6 发动机上采用了一款两级压力调节可变排量叶片泵。2010年，Mercedes-Benz公司也在新一代V6 和V8发动机中采用了可变排量叶片泵，可以在不同的供油压力下按照两种不同的工作特性曲线工作。2011年，德国Pierburg公司推出了可实现电子连续调节的变量叶片泵。这种机油泵能够在整个发动机转速和负荷范围内提供连续可变的油压，实现润滑油量的自动匹配，提高3%的燃油经济性。

2 某款款发动机两级可变排量机动泵的结构和控制原理

一级可变排量机油泵的主要节能区域是在发动机中高转速范围内，而在中低转速范围内则无节能效果。与一级可变排量泵相比，两级变排量机油泵在中低转速也可以节能。为了研究两级可变排量机油泵相对于一级可变排量泵的节能效果，以上汽集团乘用车某款发动机的两级可变排量机油泵为例进行研究。

上汽集团乘用车某款发动机上采用叶片式两级可变排量机油泵，其结构如图2所示，主要由泵体、调节弹簧、反馈油道1和2、转子、定子及叶片等组成。

某款发动机两级可变排量机油泵控制原理如图3和图4所示。在低转速时，发动机机油压力随转速的升高逐步上升，反馈油道1和2 均处于通油状态，反馈的油压不足以推动滑块移动，以最大排量工作。发动机压力达到一定数值，可以推动滑块，油泵排量减小，系统压力基本上维持平稳。当发动机转速升高至3 500 r/min时，为了保证发动机的安全性，系统需要更多的机油，此时电磁阀将反馈油道2关闭，滑块恢复到一定位置，排量增加，系统油压升高，如图4所示的C点到D点。发动机转速继续升高，系统油压升高，当压力足够推动滑块，油泵排量减小，系统压力趋于平稳。

图3 可变排量机油控制原理示意图

图4 机油泵高低压模式切换示意图

从控制原理中可以得知，该变排量机油泵在转速3 500 r/min以下采用的是低压模式，转速大于等于3 500 r/min时采用的是高压模式。当然，为了防止频繁切换，转速上升和下降可以设置转速切换间隔，即转速上升至3 500 r/min时从低压模式切换至高压模式，而转速下降至3 300 r/min时才从高压模式切换至低压模式，这些属于机油泵控制策略，不再详细展开。

3 某款发动机两级可变排量机油泵试验分析

如图4所示，两级可变排量机油泵相对于一级可变排量泵的主要节能效果集中在中低速区域(1 000～3 500 r/min)的典型工况，在中低速时通过进一步调节可变排量机油泵的排量达到适时控制润滑能力，从而进一步减少发动机功率消耗来达到节能目的，节能区域为B点、C点和D点所包围的面积。

为了更好地研究该两级可变排量机油泵相对于一级可变排量机油泵的节能效果，利用两级可变排量机油泵控制是否在中低速段进行高低压切换来模拟一级可变排量机油泵和两级可变排量机油泵，分别通过摩擦功试验和整机燃油耗试验得到节约的机油油耗情况。

试验用测功机型号为INDY S22-2/0525-1 BS-1，转速精度±1 r/min，扭矩精度小于0.5 N·m，试验过程中通过机油温控设备控制主油道机油温度为90 ℃±0.5 ℃，冷却液通过水温控制设备控制出水温度为90 ℃±2 ℃，试验过程中控制机油液位为上刻线，机油型号为0W20。

3.1 摩擦功试验

为了保证摩擦功试验更好的开展及数据的精确性，准备工作包括：试验前连接燃烧分析仪测量泵气损失；去除节气门体，保持全开状态；堵塞曲轴箱部分负荷管路，将全负荷管路接通大气；增压器废气放气阀使用机械方式保持全开；去除催化包及消声器，使用直管代替；机油泵、水泵都处于正常工作。

发动机转速从1 000 ～6 000 r/min，间隔每500 r/min布置1个测量点，分别控制机油泵在低压模式和高压模式条件下，进行倒拖测量缸体主油道机油压力、倒拖扭矩(Md)和泵气损失(PMEP)等，试验数据如图5和图6所示。

从图5可知，在转速1 000～3 500 r/min时，缸体主油道压力两级可变排量机油泵远低于一级可变排量机油泵。当转速高于3 500 r/min时，为了保证发动机的安全性，两级可变排量机油泵强制采用高压模式，油压与一级可变排量机油泵相等。相对于一级可变排量机油泵，该发动机的两级可变排量机油泵的有效收益在1 000～3 500 r/min的转速区间，收益为图5中B点、C点和D点包围的面积。因此，在转速1 000～3 500 r/min范围内分析两级可变排量机油泵相对一级可变排量机油泵的收益情况。

图5 缸体主油道压力随转速变化曲线

图6 整机倒拖扭矩随转速变化曲线

发动机整机倒拖平均有效压力(MMEP)计算公式如下

(1)

式中，MMEP为刷拖平均有效压力(MPa)，Md为倒拖扭矩(N·m)，Vd为发动机排量(L)，nc为发动机每个循环的旋转圈数，对于四行程的发动机，nc=2。

倒拖摩擦功(FMEP)计算公式如下

FMEP=MMEP-PMEP

(2)

因此，转速在1 000～3 500 r/min转速范围内两级可变排量机油泵相比一级可变排量机油泵的摩擦有效压力差值如下：

ΔFMEP=FMEP2-FMEP1

(3)

式中，ΔFMEP为各转速下节约的摩擦功，FMEP2为两级可变排量机油泵的倒拖摩擦功，FMEP，为定排量机油泵的倒拖摩擦功。

进而得到各转速下节约的摩擦功(ΔFMEP)和节约摩擦功的占比(RFMEP)以及转速在1 000～3 500 r/min范围各参数的平均值，具体数据详见表1。

表1 摩擦功的相关参数

从表1中得知，转速在1 000～3 500 r/min时两级可变排量机油泵相对于一级可变排量机油泵节约的平均摩擦功是0. 003 9 MPa。根据大数据统计研究，内燃机摩擦功每减少10%，大约能节约1.5%的燃油。因此，两级可变排量机油泵相对于一级可变排量机油泵摩擦功减少8.4%，大约能节约1.26%的燃油。