商用車變排量機油泵技術開發路徑分析

魏彪，許仲秋，劉光明，佘笑梅

(湖南機油泵股份有限公司， 湖南衡東 421400)

0 引言

隨著我國重型商用車第三階段燃料消耗量限值規定“2020年在2015年基礎上燃料消耗量限值加嚴約15%”[1]，商用車面臨嚴峻的油耗和排放法規升級壓力，節能減排已成為行業發展的重點。根據國外試驗結果，商用車應用可變排量機油泵可以實現油耗降低0.3%～0.5%，并且有進一步降低油耗的潛力[2]，對于長期處于高速的商用車，采用變排量機油泵最多能降低3%的燃油消耗[3]。

商用車采用變排量泵技術順應節能減排宗旨，未來取代傳統定量泵已成為國內外共識。美國Paccar公司最新一代采用變排量機油泵的MX11L和MX13L商用車發動機已實現量產并取得了很好的節能效果[4]。預計最遲到2022年，國外主流商用車均會推出采用變排量機油泵的量產車型。國內各大主機廠也正積極開展相關研發工作。

1 商用車變排量泵的技術難點

相比于乘用車，商用車發動機具有低轉速范圍、大排量、高可靠性、大負載、強震動等特征，因此商用車變排量泵的開發存在以下技術難點：

(1)系統的變量匹配

商用車工況復雜，負載變化大，車型多，排量跨度從3～15 L不等，一、二級變排量控制策略單一，只試用于長期在中高轉速運行的情況，調節能力有限，對于普通定量泵而言并無明顯節能優勢。且商用車發動機正常工作轉速范圍一般在600～1 800 r/min，轉速變化范圍窄，對于變排量控制精度要求更高。因此，需調整潤滑系統控制策略，匹配不同工況流量需求，實時精準按需供油，才能有效達到節能效果。

(2)變量機構的高可靠性

根據商用車工況、負載、壽命等特殊性，要保證變量機構長期在復雜工況下穩定運行，一是提升各運動副在極限情況的強度及抗卡滯能力;二是優化總成結構設計，使零件承載均勻，避免應力集中;三是重要運動副采用低摩擦技術，減少異常磨損并降低摩擦功耗。

2 商用車變排量機油泵技術發展路徑

2.1 連續可變排量控制

圖1為連續可變排量機油泵控制結構圖，ECU對各傳感器反饋信號進行數據處理并結合一系列控制算法，利用控制器輸出能夠達到目標壓力的占空比給24 V比例電磁閥，從而控制充入機油泵反饋油腔的壓力大小，改變內部變量機構行程進而改變排量。

圖1 可變排量機油泵控制結構圖

由于加工、制造、裝配、磨損等綜合原因，實際油壓表現與目標壓力有細微偏差，因此需要采用開環預控結合實際壓力反饋信息的閉環PI控制以保證系統時刻達到目標壓力值，實現全可變排量控制。

2.2 滑動式葉片泵結構

變排量泵多為葉片泵，其他類型如齒輪式及轉子式變排量泵在結構可靠性、節能潛力、成本等方面存在不足，很少采用。圖2所示的滑動式與擺動式為葉片泵兩種常見結構，滑動式葉片泵滑塊通過沿偏心方向移動改變偏心，擺動式葉片泵滑塊通過繞旋轉銷的轉動改變偏心。表1列出了兩種結構形式特點。

圖2 葉片泵的典型結構

表1 滑動式與擺動式葉片泵對比

通過對比可知，滑動式葉片泵更適合商用車工況需求。在滑塊可移動最大位移方面略有不足，但相差不大，且目前24 V比例電磁閥的控制精度已能夠彌補滑塊移動距離短的問題。

2.3 燒結硬化粉末冶金滑塊

葉片泵滑塊內孔與葉片圓弧面之間長期重載高速接觸摩擦，對于強度及耐磨性有較高要求。燒結硬化粉末冶金材料淬透性高，加速冷卻時形成的馬氏體體積分數大于80%，可生產硬度高耐磨性好的粉末冶金件，適用于商用車滑塊。表2為鐵碳銅合金與燒結硬化合金機械性能，由表2可知，燒結硬化合金比常用的鐵碳銅合金在機械性能、密度方面，均有明顯提升。

表2 鐵碳銅合金與燒結硬化合金機械性能

2.4 葉片圓弧面DLC涂層

DLC涂層技術目前在活塞銷、挺桿、活塞環上應用較多，具有較高的硬度和自潤滑能力，主要目的是為了減少摩擦，增強耐磨。該涂層采用物理氣象沉積+等離子增強化學氣象沉積工藝,厚度可控制在2～4 μm，能夠承受350～400 ℃高溫，與基體的黏附力超過25 N，使葉片與滑塊內孔接觸的圓弧面硬度提高到2 000 HV，滿足可靠性需求。對比aCH與taC兩種DLC涂層材料的葉片圓弧面與鐵基體的摩擦因數變化曲線(圖3)，Rz=2 μm且在潤滑條件(SAE 0W30 Oil)下,摩擦因數明顯下降，在滑移速度2.6 m/s時，摩擦因數由未加涂層的0.104下降至0.07，耐磨損特性明顯增強。

圖3 增加DLC涂層的摩擦因數變化(Rz=2 μm)

3 商用車變排量機油泵可靠性試驗

在油泵轉速5 200 r/min和泵出口壓力1 MPa的超速過載條件下，不考慮變量及安全閥開啟，對采用以上方案的某變排量泵進行500 h耐久試驗分析。由表3可知，葉片未采用涂層處理且應用普通鐵碳銅合金的滑塊，經過耐久試驗，葉片圓弧面出現明顯磨損凹痕，滑塊內孔表明呈波紋狀變形;而新方案的葉片及滑塊內孔，表面光亮，未見明顯磨損痕跡。如圖4所示，通過三坐標儀對試驗前后滑塊內孔3個截面進行掃描分析，其最大磨損量不超過0.013 mm。采用新方案的變排量機油泵在可靠性方面取得較大改善。

表3 兩種方案耐久試驗后的磨損情況對比

圖4 耐久試驗后的滑塊內孔磨損量檢測

4 結論

(1)商用車采用連續可變排量機油泵控制方式能夠根據實際工況和環境進行預判，但需要與發動機運行工況、潤滑系統零部件需求等進行匹配，關鍵點在于確定發動機精確的潤滑流量需求。因此最終節能效果需通過搭載發動機進行標定測試后綜合評定。尤其在系統控制穩定性、魯棒性、系統故障診斷方面還需要不斷完善。

(2)耐久試驗結果表明，采用燒結硬化粉末冶金滑塊及葉片圓弧面DLC涂層后，變排量機油泵抗磨損能力得到提升，適用于商用車工況要求。后續將進行電磁閥與油泵組合，并在變轉速工況下驗證電磁閥調節的可靠性與穩定性。