商用车变排量机油泵技术开发路径分析

2021-02-02魏彪许仲秋刘光明佘笑梅

汽车零部件 2021年1期

魏彪，许仲秋，刘光明，佘笑梅

(湖南机油泵股份有限公司，湖南衡东 421400)

0 引言

随着我国重型商用车第三阶段燃料消耗量限值规定“2020年在2015年基础上燃料消耗量限值加严约15%”[1]，商用车面临严峻的油耗和排放法规升级压力，节能减排已成为行业发展的重点。根据国外试验结果，商用车应用可变排量机油泵可以实现油耗降低0.3%～0.5%，并且有进一步降低油耗的潜力[2]，对于长期处于高速的商用车，采用变排量机油泵最多能降低3%的燃油消耗[3]。

商用车采用变排量泵技术顺应节能减排宗旨，未来取代传统定量泵已成为国内外共识。美国Paccar公司最新一代采用变排量机油泵的MX11L和MX13L商用车发动机已实现量产并取得了很好的节能效果[4]。预计最迟到2022年，国外主流商用车均会推出采用变排量机油泵的量产车型。国内各大主机厂也正积极开展相关研发工作。

1 商用车变排量泵的技术难点

相比于乘用车，商用车发动机具有低转速范围、大排量、高可靠性、大负载、强震动等特征，因此商用车变排量泵的开发存在以下技术难点：

(1)系统的变量匹配

商用车工况复杂，负载变化大，车型多，排量跨度从3～15 L不等，一、二级变排量控制策略单一，只试用于长期在中高转速运行的情况，调节能力有限，对于普通定量泵而言并无明显节能优势。且商用车发动机正常工作转速范围一般在600～1 800 r/min，转速变化范围窄，对于变排量控制精度要求更高。因此，需调整润滑系统控制策略，匹配不同工况流量需求，实时精准按需供油，才能有效达到节能效果。

(2)变量机构的高可靠性

根据商用车工况、负载、寿命等特殊性，要保证变量机构长期在复杂工况下稳定运行，一是提升各运动副在极限情况的强度及抗卡滞能力;二是优化总成结构设计，使零件承载均匀，避免应力集中;三是重要运动副采用低摩擦技术，减少异常磨损并降低摩擦功耗。

2 商用车变排量机油泵技术发展路径

2.1 连续可变排量控制

图1为连续可变排量机油泵控制结构图，ECU对各传感器反馈信号进行数据处理并结合一系列控制算法，利用控制器输出能够达到目标压力的占空比给24 V比例电磁阀，从而控制充入机油泵反馈油腔的压力大小，改变内部变量机构行程进而改变排量。

图1 可变排量机油泵控制结构图

由于加工、制造、装配、磨损等综合原因，实际油压表现与目标压力有细微偏差，因此需要采用开环预控结合实际压力反馈信息的闭环PI控制以保证系统时刻达到目标压力值，实现全可变排量控制。

2.2 滑动式叶片泵结构

变排量泵多为叶片泵，其他类型如齿轮式及转子式变排量泵在结构可靠性、节能潜力、成本等方面存在不足，很少采用。图2所示的滑动式与摆动式为叶片泵两种常见结构，滑动式叶片泵滑块通过沿偏心方向移动改变偏心，摆动式叶片泵滑块通过绕旋转销的转动改变偏心。表1列出了两种结构形式特点。

图2 叶片泵的典型结构

表1 滑动式与摆动式叶片泵对比

通过对比可知，滑动式叶片泵更适合商用车工况需求。在滑块可移动最大位移方面略有不足，但相差不大，且目前24 V比例电磁阀的控制精度已能够弥补滑块移动距离短的问题。

2.3 烧结硬化粉末冶金滑块

叶片泵滑块内孔与叶片圆弧面之间长期重载高速接触摩擦，对于强度及耐磨性有较高要求。烧结硬化粉末冶金材料淬透性高，加速冷却时形成的马氏体体积分数大于80%，可生产硬度高耐磨性好的粉末冶金件，适用于商用车滑块。表2为铁碳铜合金与烧结硬化合金机械性能，由表2可知，烧结硬化合金比常用的铁碳铜合金在机械性能、密度方面，均有明显提升。

表2 铁碳铜合金与烧结硬化合金机械性能

2.4 叶片圆弧面DLC涂层

DLC涂层技术目前在活塞销、挺杆、活塞环上应用较多，具有较高的硬度和自润滑能力，主要目的是为了减少摩擦，增强耐磨。该涂层采用物理气象沉积+等离子增强化学气象沉积工艺,厚度可控制在2～4 μm，能够承受350～400 ℃高温，与基体的黏附力超过25 N，使叶片与滑块内孔接触的圆弧面硬度提高到2 000 HV，满足可靠性需求。对比aCH与taC两种DLC涂层材料的叶片圆弧面与铁基体的摩擦因数变化曲线(图3)，Rz=2 μm且在润滑条件(SAE 0W30 Oil)下,摩擦因数明显下降，在滑移速度2.6 m/s时，摩擦因数由未加涂层的0.104下降至0.07，耐磨损特性明显增强。

图3 增加DLC涂层的摩擦因数变化(Rz=2 μm)

3 商用车变排量机油泵可靠性试验

在油泵转速5 200 r/min和泵出口压力1 MPa的超速过载条件下，不考虑变量及安全阀开启，对采用以上方案的某变排量泵进行500 h耐久试验分析。由表3可知，叶片未采用涂层处理且应用普通铁碳铜合金的滑块，经过耐久试验，叶片圆弧面出现明显磨损凹痕，滑块内孔表明呈波纹状变形;而新方案的叶片及滑块内孔，表面光亮，未见明显磨损痕迹。如图4所示，通过三坐标仪对试验前后滑块内孔3个截面进行扫描分析，其最大磨损量不超过0.013 mm。采用新方案的变排量机油泵在可靠性方面取得较大改善。