機(jī)械式可變排量機(jī)油泵的應(yīng)用

王衛(wèi)強(qiáng)

(同濟(jì)大學(xué),上海 201804)

0 前言

隨著降低油耗的需求不斷提高,排放法規(guī)日益嚴(yán)格,節(jié)能減排已成為發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)的重要研究方向和發(fā)展趨勢(shì)。近年來(lái),越來(lái)越多的整車公司在發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)時(shí)應(yīng)用具有節(jié)能減排功能的相關(guān)零部件及技術(shù),如可變排量機(jī)油泵、電子節(jié)溫器、開關(guān)式水泵、電控活塞冷卻噴嘴、熱管理模塊等。

發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)作為發(fā)動(dòng)機(jī)重要系統(tǒng)之一,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能有著較大的影響。保證了發(fā)動(dòng)機(jī)的軸承、活塞、氣缸、連桿、曲軸等運(yùn)動(dòng)件摩擦副有足夠的潤(rùn)滑和冷卻,以及相關(guān)零部件的液壓功能的需求,如調(diào)相器、液壓張緊器、液壓挺柱等。潤(rùn)滑系統(tǒng)供油不足會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)件摩擦副磨損加劇,減少零件壽命,增加發(fā)動(dòng)機(jī)整體的摩擦功,同時(shí)使依賴潤(rùn)滑油壓力的功能性零件性能不佳或失效。然而潤(rùn)滑系統(tǒng)供油過(guò)量會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)潤(rùn)滑油壓力偏高,造成額外功率損耗和排放性能降低。故對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)實(shí)際潤(rùn)滑油需求的分析研究及節(jié)能減排技術(shù)的運(yùn)用至關(guān)重要[1-3]。

機(jī)油泵是潤(rùn)滑系統(tǒng)的供油執(zhí)行元件,油底殼中的潤(rùn)滑油不斷被機(jī)油泵壓送至整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)。普通定排量機(jī)油泵一般根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)低速高負(fù)荷工況的潤(rùn)滑油需求量作為設(shè)計(jì)輸入,由于普通定排量機(jī)油泵的供油量與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比,在發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速工況時(shí),機(jī)油泵輸出的潤(rùn)滑油量往往超過(guò)了發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際的需求量,多余的機(jī)油量通過(guò)機(jī)油泵泄壓閥旁通至油底殼或油泵低壓區(qū),這些多余的潤(rùn)滑油所產(chǎn)生的液壓消耗了一部分機(jī)油泵的軸功率,該部分功率是無(wú)效的。

要減小機(jī)油泵多余功率的損耗,則機(jī)油泵在各種工況下的供油量需盡可能接近發(fā)動(dòng)機(jī)各工況下實(shí)際的潤(rùn)滑油需求量,而可變排量機(jī)油泵技術(shù)通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)油泵的排量來(lái)匹配發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際潤(rùn)滑油需求量,很大程度上可改善機(jī)油泵額外功率損耗的問(wèn)題,同時(shí)油泵變量級(jí)數(shù)越多,則可越接近發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際的潤(rùn)滑油需求,從而達(dá)到更好的節(jié)能減排的效果,如圖1所示。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù),采用可變排量機(jī)油泵技術(shù)能降低發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油消耗0.5%～2.5%。

本文研究對(duì)象為1款小排量自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī),通過(guò)將發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵由定排量油泵更改為可變排量機(jī)油泵以達(dá)到降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗的目的。根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需求,優(yōu)先考慮采用經(jīng)濟(jì)性較好、對(duì)周邊零部件更改程度較小的機(jī)械式兩級(jí)可變排量機(jī)油泵。首先根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)各主要零部件的潤(rùn)滑需求確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)主油道的最優(yōu)潤(rùn)滑油壓力,其次根據(jù)主油道的供油壓力確定變量泵的關(guān)鍵性能參數(shù),最后通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗對(duì)比試驗(yàn)確定該變量油泵應(yīng)用后對(duì)降低該發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗的貢獻(xiàn)。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油需求量分析

本文所研究的發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)主要零部件包括機(jī)油泵、濾清器、曲軸軸承、連桿軸承、可變氣門正時(shí)(VVT)、活塞冷卻噴嘴(PCJ)和油道等,其回路示意圖如圖2所示。該潤(rùn)滑系統(tǒng)是全流式過(guò)濾、強(qiáng)制供油系統(tǒng),潤(rùn)滑油由機(jī)油泵通過(guò)吸油管從油底殼吸上來(lái),壓送至整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油路,以供發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑。

圖1 一維模擬模型

圖2 潤(rùn)滑系統(tǒng)回路示意

1.1 分析思路

主要分析步驟和思路如圖3所示。通過(guò)對(duì)軸承最小油膜厚度和潤(rùn)滑油壓力的關(guān)系,得出理論軸承入口最小油壓需求,結(jié)合軸瓦供應(yīng)商的經(jīng)驗(yàn)值,確定軸承入口最小油壓需求。之后,通過(guò)VVT響應(yīng)試驗(yàn),確定VVT入口的最小油壓需求。

將以上2個(gè)需求值以及活塞冷卻噴嘴開啟壓力、熱怠速油壓需求代入“Flowmaster”潤(rùn)滑系統(tǒng)模型進(jìn)行計(jì)算分析,得出滿足各零件油壓需求時(shí)的主油道最低油壓值。

最后,根據(jù)主油道最低油壓需求值,確定了可變排量機(jī)油泵的工作策略。

1.2 主油道油壓需求值

圖3 分析思路

除了主軸承和調(diào)相器油壓需求之外,還需考慮該發(fā)動(dòng)機(jī)活塞冷卻噴嘴的開啟壓力值,以保證發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷工況下對(duì)活塞進(jìn)行冷卻,防止發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)早燃、爆燃問(wèn)題。對(duì)各研究零件的潤(rùn)滑油最小壓力需求匯總見表1。

表1 潤(rùn)滑油壓力需求匯總

1.3 主油道油壓需求值

將表1中的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)輸入,通過(guò)“Flowmaster”分析軟件計(jì)算出各轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的主油道壓力,并提取各轉(zhuǎn)速中的油壓需求最大值作為主油道最小潤(rùn)滑油壓力的需求值。計(jì)算模型如圖4所示,主油道潤(rùn)滑油最小壓力見表2。

將主油道潤(rùn)滑油壓力需求值與現(xiàn)定排量油泵發(fā)動(dòng)機(jī)主油道油壓試驗(yàn)值對(duì)比,結(jié)果表明低轉(zhuǎn)速主油道實(shí)際油壓需求值與試驗(yàn)值差別不大,中高轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速區(qū)間主油道壓力需求值與試驗(yàn)值相比有較大幅度的降低,如圖5所示。結(jié)果表明,對(duì)該款發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用可變排量機(jī)油泵具有一定的實(shí)際意義。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型

表2 主油道潤(rùn)滑油壓力需求值

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)主油道潤(rùn)滑油壓力對(duì)比值

1.4 機(jī)油泵主要工作參數(shù)確認(rèn)

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)主油道潤(rùn)滑油壓力最小需求值,對(duì)可變排量機(jī)油泵設(shè)定初始策略(圖6),低壓模式切換壓力230 k Pa,高壓模式切換壓力380 k Pa。根據(jù)圖6的分析結(jié)果,由于低轉(zhuǎn)速主油道實(shí)際油壓需求值與現(xiàn)定排量機(jī)油泵油壓試驗(yàn)值差別不大,現(xiàn)定排量機(jī)油泵發(fā)動(dòng)機(jī)低速實(shí)際機(jī)油壓力相對(duì)需求量無(wú)過(guò)多富余,故本次可變排量機(jī)油泵初始排量維持原定排量。

圖6 可變排量機(jī)油泵初始策略示意圖

2 可變排量機(jī)油泵應(yīng)用及油耗對(duì)比試驗(yàn)

2.1 機(jī)械式可變排量機(jī)油泵工作原理

圖7為本文所應(yīng)用的機(jī)械式兩級(jí)葉片可變排量機(jī)油泵,其工作原理如下文所述：

(1)未變量階段：當(dāng)反饋油壓未達(dá)到一級(jí)變量壓力時(shí),泄油口與切換腔油道相通,故2號(hào)控制腔無(wú)油壓,滑塊上的作用點(diǎn)2不受壓力,而1號(hào)腔始終與泵出口連通,此時(shí)1號(hào)腔壓力油作用于滑塊上的作用點(diǎn)1,但壓力不足以推動(dòng)變量彈簧,故機(jī)油泵不發(fā)生變量,機(jī)油泵以最大排量工作。

(2)一級(jí)變量階段：當(dāng)反饋油壓達(dá)到一級(jí)變量壓力時(shí),泄油口與切換腔油道仍相通,故2號(hào)控制腔仍無(wú)油壓,滑塊上的作用點(diǎn)2不受壓力,但此時(shí)1號(hào)腔作用于滑塊作用點(diǎn)1上的壓力油已可推動(dòng)滑塊,使機(jī)油泵偏心距發(fā)生變化,使其排量減小,該狀態(tài)為一級(jí)變量。

(3)兩級(jí)變量階段：當(dāng)反饋油壓達(dá)到兩級(jí)變量壓力時(shí),切換閥開啟,切換腔油道與泄油孔斷開,同時(shí)與油泵出油口接通,反饋油進(jìn)入2號(hào)控制腔,滑塊上2個(gè)作用點(diǎn)同時(shí)受力,此狀態(tài)處于兩級(jí)變量階段。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)油耗對(duì)比試驗(yàn)

2.2.1 主要試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)量參數(shù)

主要試驗(yàn)設(shè)備包括：測(cè)功機(jī)、油耗測(cè)量?jī)x、燃油溫控儀、冷卻液溫控儀、進(jìn)氣控制系統(tǒng)、缸壓傳感器等[4]。主要測(cè)量參數(shù)包括：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、實(shí)測(cè)扭矩、實(shí)測(cè)功率、燃油消耗率(BSFC)、燃油消耗量、過(guò)量空氣系數(shù)、冷卻液入口、出口壓力及溫度、燃油壓力、溫度、主油道壓力、主油道機(jī)油溫度。

圖7 機(jī)械式兩級(jí)可變排量機(jī)油泵結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及評(píng)定方法

不同熱值燃油測(cè)量的油耗,需根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)熱值進(jìn)行修正[5]。

發(fā)動(dòng)機(jī)能量分解根據(jù)熱力學(xué)第一定律和能量守恒相關(guān)理論進(jìn)行,能量平衡分析是為了更具體地展現(xiàn)能量的去向和比例,指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提升和油耗改善,燃油在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒后能量的去向可分為幾個(gè)部分：排氣帶走的能量、冷卻系統(tǒng)帶走的能量、摩擦和泵氣損失消耗的能量、曲軸輸出有效功、燃料未充分燃燒損失的能量、發(fā)動(dòng)機(jī)與外界對(duì)流熱交換帶走的能量[6]。

2.2.3 試驗(yàn)結(jié)果

在發(fā)動(dòng)機(jī)油耗對(duì)比試驗(yàn)之前,對(duì)應(yīng)用可變排量機(jī)油泵的發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)行主油道壓力摸底測(cè)量,對(duì)比發(fā)動(dòng)機(jī)匹配定排量機(jī)油泵和可變排量機(jī)油泵對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主油道壓力的變化,各轉(zhuǎn)速下主油道機(jī)油壓力對(duì)比如圖8所示。試驗(yàn)結(jié)果表明,應(yīng)用可變排量機(jī)油泵后,主油道壓力不與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比,在主油道壓力達(dá)到230 k Pa時(shí),變量泵開始一級(jí)變量,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到3 500 r/min后,變量泵開始兩級(jí)變量。綜上所述,該變量泵樣件實(shí)現(xiàn)了既定的兩級(jí)變量泵應(yīng)用效果。根據(jù)油壓曲線,該變量泵的應(yīng)用可滿足發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的機(jī)油壓力需求。

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)10個(gè)油耗特征點(diǎn)進(jìn)行油耗對(duì)比試驗(yàn),驗(yàn)證應(yīng)用本文的可變排量機(jī)油泵后對(duì)降低該款發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的貢獻(xiàn)程度。

圖8 特征點(diǎn)主油道油壓試驗(yàn)值對(duì)比圖

發(fā)動(dòng)機(jī)裝配定排量機(jī)油泵和可變排量機(jī)油泵時(shí)BSFC特征點(diǎn)測(cè)量值對(duì)比見表3,燃油消耗率MAP圖對(duì)比見圖9所示。

圖9 BSFC MAP對(duì)比圖

根據(jù)燃油消耗MAP對(duì)比圖表明,配置可變排量機(jī)油泵狀態(tài)的油耗等值線區(qū)域總體優(yōu)于配置定排量機(jī)油泵狀態(tài),整體油耗有一定改善。根據(jù)特征點(diǎn)油耗對(duì)比數(shù)據(jù)表明,配置變量泵后10個(gè)油耗特征點(diǎn)的BSFC相對(duì)于普通機(jī)油泵均有所改善,油耗減小范圍在0.4%～1.7%。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)某款發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際潤(rùn)滑油供油需求進(jìn)行分析,在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)更改最小、最經(jīng)濟(jì)的情況下,對(duì)原定排量機(jī)油泵進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以達(dá)到對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗優(yōu)化的目的。

通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗對(duì)比試驗(yàn),驗(yàn)證了應(yīng)用可變排量機(jī)油泵方案后,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,使用可變排量機(jī)油泵方案后,發(fā)動(dòng)機(jī)油耗有所改善,特征點(diǎn)油耗減小了0.4%～1.7%。

考慮到整機(jī)成本和其他相關(guān)零件改動(dòng)限制等因素,本文僅采用了機(jī)械式兩級(jí)可變排量機(jī)油泵的方案,故在油耗改善上有一定的限制,根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn),如采用電磁閥式兩級(jí)可變排量機(jī)油泵油耗節(jié)省可達(dá)到1.0%～2.5%。

4 展望

隨著對(duì)油耗和排放要求的不斷提高,發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)時(shí)越來(lái)越多的節(jié)能減排技術(shù)已開始普遍應(yīng)用和持續(xù)升級(jí)中。其對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)也已提出了更高的要求。隨著變量泵技術(shù)的成熟,其研發(fā)和制造成本已明顯下降,故目前電磁閥式兩級(jí)可變排量機(jī)油泵已得到普遍應(yīng)用,部分高端車型已配置了全可變(多級(jí))排量機(jī)油泵。

除了變量泵性能上的升級(jí)之外,還需要不斷地研究和降低發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的油壓最優(yōu)需求值,主要方向?yàn)橐韵?點(diǎn)：

(1)通過(guò)零部件的材料選用,優(yōu)化結(jié)構(gòu),合理的布置來(lái)降低潤(rùn)滑系統(tǒng)的內(nèi)部泄漏和壓阻,從而降低各潤(rùn)滑需求零部件的油壓需求值。

(2)通過(guò)仿真軟件和發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)更精確地獲得發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際的最優(yōu)油壓需求值,從而結(jié)合全可變油泵技術(shù),得出更精確的油壓標(biāo)定數(shù)據(jù),以達(dá)到最佳的節(jié)能減排效果。