机械式可变排量机油泵的应用

王卫强

(同济大学,上海 201804)

0 前言

随着降低油耗的需求不断提高,排放法规日益严格,节能减排已成为发动机开发的重要研究方向和发展趋势。近年来,越来越多的整车公司在发动机开发时应用具有节能减排功能的相关零部件及技术,如可变排量机油泵、电子节温器、开关式水泵、电控活塞冷却喷嘴、热管理模块等。

发动机润滑系统作为发动机重要系统之一,对发动机的动力性、经济性和排放性能有着较大的影响。保证了发动机的轴承、活塞、气缸、连杆、曲轴等运动件摩擦副有足够的润滑和冷却,以及相关零部件的液压功能的需求,如调相器、液压张紧器、液压挺柱等。润滑系统供油不足会导致发动机运动件摩擦副磨损加剧,减少零件寿命,增加发动机整体的摩擦功,同时使依赖润滑油压力的功能性零件性能不佳或失效。然而润滑系统供油过量会导致整个系统润滑油压力偏高,造成额外功率损耗和排放性能降低。故对发动机润滑系统实际润滑油需求的分析研究及节能减排技术的运用至关重要[1-3]。

机油泵是润滑系统的供油执行元件,油底壳中的润滑油不断被机油泵压送至整个发动机。普通定排量机油泵一般根据发动机低速高负荷工况的润滑油需求量作为设计输入,由于普通定排量机油泵的供油量与发动机转速成正比,在发动机高转速工况时,机油泵输出的润滑油量往往超过了发动机实际的需求量,多余的机油量通过机油泵泄压阀旁通至油底壳或油泵低压区,这些多余的润滑油所产生的液压消耗了一部分机油泵的轴功率,该部分功率是无效的。

要减小机油泵多余功率的损耗,则机油泵在各种工况下的供油量需尽可能接近发动机各工况下实际的润滑油需求量,而可变排量机油泵技术通过调节机油泵的排量来匹配发动机的实际润滑油需求量,很大程度上可改善机油泵额外功率损耗的问题,同时油泵变量级数越多,则可越接近发动机实际的润滑油需求,从而达到更好的节能减排的效果,如图1所示。根据相关试验数据,采用可变排量机油泵技术能降低发动机平均燃油消耗0.5%～2.5%。

本文研究对象为1款小排量自然吸气发动机,通过将发动机机油泵由定排量油泵更改为可变排量机油泵以达到降低发动机燃油耗的目的。根据项目的实际需求,优先考虑采用经济性较好、对周边零部件更改程度较小的机械式两级可变排量机油泵。首先根据发动机润滑系统各主要零部件的润滑需求确认发动机主油道的最优润滑油压力,其次根据主油道的供油压力确定变量泵的关键性能参数,最后通过发动机燃油耗对比试验确定该变量油泵应用后对降低该发动机燃油耗的贡献。

1 发动机润滑油需求量分析

本文所研究的发动机的润滑系统主要零部件包括机油泵、滤清器、曲轴轴承、连杆轴承、可变气门正时(VVT)、活塞冷却喷嘴(PCJ)和油道等,其回路示意图如图2所示。该润滑系统是全流式过滤、强制供油系统,润滑油由机油泵通过吸油管从油底壳吸上来,压送至整个发动机润滑油路,以供发动机润滑。

图1 一维模拟模型

图2 润滑系统回路示意

1.1 分析思路

主要分析步骤和思路如图3所示。通过对轴承最小油膜厚度和润滑油压力的关系,得出理论轴承入口最小油压需求,结合轴瓦供应商的经验值,确定轴承入口最小油压需求。之后,通过VVT响应试验,确定VVT入口的最小油压需求。

将以上2个需求值以及活塞冷却喷嘴开启压力、热怠速油压需求代入“Flowmaster”润滑系统模型进行计算分析,得出满足各零件油压需求时的主油道最低油压值。

最后,根据主油道最低油压需求值,确定了可变排量机油泵的工作策略。

1.2 主油道油压需求值

图3 分析思路

除了主轴承和调相器油压需求之外,还需考虑该发动机活塞冷却喷嘴的开启压力值,以保证发动机在高转速高负荷工况下对活塞进行冷却,防止发动机出现早燃、爆燃问题。对各研究零件的润滑油最小压力需求汇总见表1。

表1 润滑油压力需求汇总

1.3 主油道油压需求值

将表1中的数据作为基础输入,通过“Flowmaster”分析软件计算出各转速下对应的主油道压力,并提取各转速中的油压需求最大值作为主油道最小润滑油压力的需求值。计算模型如图4所示,主油道润滑油最小压力见表2。

将主油道润滑油压力需求值与现定排量油泵发动机主油道油压试验值对比,结果表明低转速主油道实际油压需求值与试验值差别不大,中高转速和高转速区间主油道压力需求值与试验值相比有较大幅度的降低,如图5所示。结果表明,对该款发动机应用可变排量机油泵具有一定的实际意义。

图4 发动机润滑系统网络模型

表2 主油道润滑油压力需求值

图5 发动机主油道润滑油压力对比值

1.4 机油泵主要工作参数确认

根据发动机主油道润滑油压力最小需求值,对可变排量机油泵设定初始策略(图6),低压模式切换压力230 k Pa,高压模式切换压力380 k Pa。根据图6的分析结果,由于低转速主油道实际油压需求值与现定排量机油泵油压试验值差别不大,现定排量机油泵发动机低速实际机油压力相对需求量无过多富余,故本次可变排量机油泵初始排量维持原定排量。

图6 可变排量机油泵初始策略示意图

2 可变排量机油泵应用及油耗对比试验

2.1 机械式可变排量机油泵工作原理

图7为本文所应用的机械式两级叶片可变排量机油泵,其工作原理如下文所述：

(1)未变量阶段：当反馈油压未达到一级变量压力时,泄油口与切换腔油道相通,故2号控制腔无油压,滑块上的作用点2不受压力,而1号腔始终与泵出口连通,此时1号腔压力油作用于滑块上的作用点1,但压力不足以推动变量弹簧,故机油泵不发生变量,机油泵以最大排量工作。

(2)一级变量阶段：当反馈油压达到一级变量压力时,泄油口与切换腔油道仍相通,故2号控制腔仍无油压,滑块上的作用点2不受压力,但此时1号腔作用于滑块作用点1上的压力油已可推动滑块,使机油泵偏心距发生变化,使其排量减小,该状态为一级变量。

(3)两级变量阶段：当反馈油压达到两级变量压力时,切换阀开启,切换腔油道与泄油孔断开,同时与油泵出油口接通,反馈油进入2号控制腔,滑块上2个作用点同时受力,此状态处于两级变量阶段。

2.2 发动机油耗对比试验

2.2.1 主要试验设备和测量参数

主要试验设备包括：测功机、油耗测量仪、燃油温控仪、冷却液温控仪、进气控制系统、缸压传感器等[4]。主要测量参数包括：发动机转速、实测扭矩、实测功率、燃油消耗率(BSFC)、燃油消耗量、过量空气系数、冷却液入口、出口压力及温度、燃油压力、温度、主油道压力、主油道机油温度。

图7 机械式两级可变排量机油泵结构示意图

2.2.2 试验数据分析及评定方法

不同热值燃油测量的油耗,需根据标准热值进行修正[5]。

发动机能量分解根据热力学第一定律和能量守恒相关理论进行,能量平衡分析是为了更具体地展现能量的去向和比例,指导发动机热效率提升和油耗改善,燃油在发动机缸内燃烧后能量的去向可分为几个部分：排气带走的能量、冷却系统带走的能量、摩擦和泵气损失消耗的能量、曲轴输出有效功、燃料未充分燃烧损失的能量、发动机与外界对流热交换带走的能量[6]。

2.2.3 试验结果

在发动机油耗对比试验之前,对应用可变排量机油泵的发动机先进行主油道压力摸底测量,对比发动机匹配定排量机油泵和可变排量机油泵对发动机主油道压力的变化,各转速下主油道机油压力对比如图8所示。试验结果表明,应用可变排量机油泵后,主油道压力不与发动机转速成正比,在主油道压力达到230 k Pa时,变量泵开始一级变量,发动机转速达到3 500 r/min后,变量泵开始两级变量。综上所述,该变量泵样件实现了既定的两级变量泵应用效果。根据油压曲线,该变量泵的应用可满足发动机润滑系统的机油压力需求。

根据试验目的,对发动机10个油耗特征点进行油耗对比试验,验证应用本文的可变排量机油泵后对降低该款发动机油耗的贡献程度。

图8 特征点主油道油压试验值对比图

发动机装配定排量机油泵和可变排量机油泵时BSFC特征点测量值对比见表3,燃油消耗率MAP图对比见图9所示。

图9 BSFC MAP对比图

根据燃油消耗MAP对比图表明,配置可变排量机油泵状态的油耗等值线区域总体优于配置定排量机油泵状态,整体油耗有一定改善。根据特征点油耗对比数据表明,配置变量泵后10个油耗特征点的BSFC相对于普通机油泵均有所改善,油耗减小范围在0.4%～1.7%。

3 结论

本文通过对某款发动机的实际润滑油供油需求进行分析,在对发动机更改最小、最经济的情况下,对原定排量机油泵进行优化设计,以达到对发动机油耗优化的目的。

通过发动机燃油消耗对比试验,验证了应用可变排量机油泵方案后,对发动机油耗的影响。试验结果表明,使用可变排量机油泵方案后,发动机油耗有所改善,特征点油耗减小了0.4%～1.7%。

考虑到整机成本和其他相关零件改动限制等因素,本文仅采用了机械式两级可变排量机油泵的方案,故在油耗改善上有一定的限制,根据相关经验,如采用电磁阀式两级可变排量机油泵油耗节省可达到1.0%～2.5%。

4 展望

随着对油耗和排放要求的不断提高,发动机研发时越来越多的节能减排技术已开始普遍应用和持续升级中。其对润滑系统的相关技术也已提出了更高的要求。随着变量泵技术的成熟,其研发和制造成本已明显下降,故目前电磁阀式两级可变排量机油泵已得到普遍应用,部分高端车型已配置了全可变(多级)排量机油泵。

除了变量泵性能上的升级之外,还需要不断地研究和降低发动机润滑系统的油压最优需求值,主要方向为以下2点：

(1)通过零部件的材料选用,优化结构,合理的布置来降低润滑系统的内部泄漏和压阻,从而降低各润滑需求零部件的油压需求值。

(2)通过仿真软件和发动机试验更精确地获得发动机实际的最优油压需求值,从而结合全可变油泵技术,得出更精确的油压标定数据,以达到最佳的节能减排效果。