可調式機油泵及其節(jié)油潛力(一)

◆文/范明強

可調式機油泵及其節(jié)油潛力(一)

◆文/范明強

汽車發(fā)動機在批量生產中，通常應用由普通旁通閥調節(jié)機油壓力的機油泵，但是在生產成本增加不多的情況下，應用體積流量可調節(jié)的機油泵最多可節(jié)油3%。這種可調式機油泵在轎車發(fā)動機上已獲得了越來越廣泛的應用，并已逐步推廣應用到商用車發(fā)動機上。本文簡要介紹轎車和商用車應用的新型可調式機油泵的基本工作原理，以便使汽車維修行業(yè)人員能從中了解這些新型可調式機油泵的使用及其維修方法。

一、機油泵的基本要求

汽車機油泵供油量的設計取決于發(fā)動機對潤滑油量和壓力的需求，而通常具有重要意義的是在140℃機油溫度下的熱機怠速運轉。此時，為了安全運轉所需的機油供應，必須確保最低的機油壓力大約為0.1MPa，并隨著發(fā)動機轉速的升高，機油壓力必須相應提高，以便克服曲軸旋轉產生的離心力使機油順暢地流動，特別是需要由機油壓力所決定的發(fā)動機機油流量帶走曲軸旋轉產生的軸承摩擦熱量。

典型的發(fā)動機機型對機油壓力的要求，一般在怠速運轉時為0.1MPa，并隨發(fā)動機轉速的升高線性地升高到6000r/min時的0.45MPa。

機油泵的泵油量隨其轉速按比例增加。然而與此相反，發(fā)動機的機油流量則取決于幾乎與轉速無關的發(fā)動機中的流動阻力，并與機油壓力成正比，而且還與運轉溫度有關，因為機油黏度和軸承間隙都與溫度有關。

在發(fā)動機的許多運行區(qū)域內，機油泵的泵油量與發(fā)動機需求的機油流量之間存在著較大的差異，特別是在運行溫度較低的運行工況下。因此，按需要設計的可調節(jié)式機油泵就能比通常批量生產的旁通閥調節(jié)的機油泵具有更好的潤滑和散熱效果，同時又具有相當可觀的節(jié)油潛力。

壓力和體積流量可調節(jié)的機油泵被統(tǒng)稱為“可調式機油泵”。就傳統(tǒng)的機油泵而言，其體積流量和壓力取決于轉速。壓力可調式機油泵僅通過一個調壓閥來限制其最大壓力，它是將多余的體積流量通過一個旁通道直接排入油底殼來實現的；而體積流量可調式機油泵，則是按照需求來產生壓力和體積流量的，從而將為此所必需的傳動功率降低到最低程度。

體積流量可調式機油泵可按其調節(jié)的結構方式和調節(jié)策略來區(qū)分。目前，可調式機油泵主要采用外齒輪泵、葉片泵和擺片滑閥式泵等結構型式。本文分別介紹轎車用的可調擺片滑閥式機油泵和商用車用的雙聯(lián)外齒輪可調式機油泵。

二、機油泵的節(jié)油潛力

1.旁通閥式機油泵的機油流量和壓力

圖1示出了典型發(fā)動機機型的機油流量特性，代表了傳統(tǒng)旁通閥調節(jié)式機油泵的機油供應狀況。從熱機怠速運轉工況(怠速轉速600r/ min，機油溫度140℃，機油壓力0.1MPa)起，隨著轉速的升高，機油泵的泵油量增加，機油壓力先成比例地提高。在機油溫度為140℃情況下，到發(fā)動機轉速升高至2700r/min機油泵的泵油量增加到54L/min時就達到旁通閥的調節(jié)壓力0.45MPa。此時，當轉速進一步升高時，發(fā)動機機油流量因受到機油壓力的限制而保持在54L/min恒定不變，由于旁通閥一直打開著，機油泵的流量不可能再隨著轉速而進一步增加。由于發(fā)動機機油流量與溫度有著密切的關系，在機油壓力被限制在0.45MPa的情況下，90℃時的發(fā)動機機油流量降低到38.5L/min，而30℃時則降低到18L/min，同時調節(jié)起始點也分別移至較低的轉速。隨著機油溫度的降低，怠速運轉時的機油壓力也會相應升高。

發(fā)動機機油流量特性線與機油泵的泵油量特性線之間的垂直間距，分別代表通過旁通閥泄出的剩余供油量。例如，在30℃機油溫度下4000r/min轉速時為62L/min。

2.可調節(jié)式機油泵的節(jié)油潛力

應用可調節(jié)式機油泵將機油壓力恒定調節(jié)在0.45MPa，并按照圖1所示的旁通閥調節(jié)式機油泵的泵油量要求進行調節(jié)，以適應發(fā)動機所需要的機油流量。然而，可調式機油泵可利用的節(jié)油潛力還遠比此要大，如果再增加按轉速調節(jié)機油壓力的功能，將機油泵的泵油壓力調節(jié)到發(fā)動機所需要的最低機油壓力，機油流量還將進一步減少。為此，圖2示出了采用最低壓力調節(jié)的可調式機油泵，在怠速時的0.1MPa機油壓力和6000r/min時的0.45MPa機油壓力之間，在上述所考察的3種機油溫度下的可調式機油泵與發(fā)動機相同的機油流量。與無泵油量調節(jié)的機油泵供油特性線不同，可調式機油泵在最低壓力調節(jié)狀態(tài)下，在寬廣的運行范圍內具有相對較大的機油流量調節(jié)率。例如，在90℃和1900r/min時的機油流量調節(jié)率達到60%。

對與燃油消耗有重大關系的可調式機油泵驅動功率具有決定性意義的是其液壓功率，它是由泵油量及其機油壓力計算出來的。為此，圖3表示與旁通閥調節(jié)式機油泵相比，恒壓調節(jié)的可調式機油泵已呈現出一定的節(jié)省液壓功率的優(yōu)勢，只有當應用最低壓力調節(jié)替代恒壓調節(jié)時，可調式機油節(jié)省液壓功率的潛力才能完全充分地發(fā)揮出來。從發(fā)動機轉速6000r/min時0.45MPa機油壓力下具有相同的液壓功率起，隨著轉速的降低，最低壓力調節(jié)式機油泵的機油壓力線性地降低，導致其機油流量成比例地減小。例如，在發(fā)動機轉速2700r/min時與6000r/min時相比，發(fā)動機只需要一半的機油壓力降低到0.225 MPa以及一半的機油流量(圖2)，因而在2700r/min時最低壓力調節(jié)方式的液壓功率與恒壓調節(jié)方式相比，非常可觀地減少了75%。

由于最低壓力調節(jié)方式具有這些顯著的優(yōu)點，因此，還能夠在發(fā)動機較低的運行轉速范圍內降低機油泵的額定傳動功率，并在通常的燃油消耗試驗中顯示出相應的節(jié)油效果。

3.可調節(jié)式機油泵的設計可行性

(1)恒定機油壓力的調節(jié)

眾所周知，恒壓調節(jié)式機油泵尚未作為內燃機的機油供應方式，其原因是由于與通常的旁通閥調節(jié)式機油泵相比，在低轉速范圍內其節(jié)省的傳動功率有限(圖3)。

此外，恒壓調節(jié)應盡可能不隨著調節(jié)量而增加,因調節(jié)彈簧力相應增大而使機油壓力升高，否則至少會部分地喪失因泵油量減少而獲得的節(jié)省傳動功率的優(yōu)勢。因此，必須采用剛度系數較小而對結構空間不利的較長的調節(jié)彈簧，或者依靠增大調節(jié)彈簧的調節(jié)行程來增加彈簧力而獲得液壓補償作用。

(2)根據轉速調節(jié)機油壓力

可調式機油泵根據發(fā)動機潤滑系統(tǒng)所需要的機油供應量進行最低機油壓力調節(jié)，由于消耗的液壓功率最少(圖3)，因而能為機油泵減少傳動功率提供較好的前提條件。

然而，在可調式機油泵上實現具有節(jié)油優(yōu)勢的最低機油壓力調節(jié)方式必須花費一定的成本。為此可利用例如電控調節(jié)器件，但這些器件的成本費用與其所能獲得的節(jié)油效果之比必須處于可接受的水平。在這方面一個較好的折中方案，例如可采用壓力分級調節(jié)的方式來實現，它在原理上是一種兩級恒壓調節(jié)。

在圖3基礎上，圖4示出了在0.45MPa和0.25MPa之間轉換的兩級壓力調節(jié)的液壓功率，圖中選擇在發(fā)動機轉速2950r/min時進行調節(jié)壓力的轉換。與簡單的0.45MPa恒壓調節(jié)方式相比，這種兩級壓力調節(jié)方式在低轉速范圍內能顯著地降低液壓傳動功率。

(3)可調式機油泵的結構型式

顯著降低液壓傳動功率的優(yōu)勢只有采用相應結構型式的可調式機油泵使其液壓功率也在效率最佳的情況下轉換才能達到，而高的機油泵效率是通過低的摩擦損失和流動損失以及可調式機油泵較少的內部泄漏來獲得的。

眾所周知，有可能用于汽車發(fā)動機的可調式機油泵有葉片泵、內齒輪泵和外齒輪泵，它們在調節(jié)方式、結構空間要求和制造成本等方面是不同的，而特別是在泵油量調節(jié)時具有良好的機油泵效率，以及可接受的制造成本，對于批量生產應用而言是具有決定性意義的。

三、可調式機油泵的結構和試驗

1.可調式機油泵的結構和調節(jié)方式

泵油齒輪可軸向移動的外齒輪式機油泵，因具有較小的摩擦半徑而為高效率提供了良好的前提條件。此外這種機油泵的性能之所以突出，還因為其內部流動損失隨著泵油量的增大而減小，而在可調節(jié)內齒輪式機油泵中的情況就并非如此，同時與可調節(jié)葉片式機油泵相比，外齒輪式機油泵的制造成本也較低。因此，批量生產的可調式機油泵選擇了齒輪可軸向移動的外齒輪泵原理。

在應用按轉速調節(jié)方法時，優(yōu)先采用電控2/3路閥來進行壓力分級調節(jié)，因為采用這種簡單的調節(jié)原理已經能在低轉速范圍內明顯地降低液壓功率(圖4)。

圖5示出了采用設置在汽缸體曲軸箱中的電控調節(jié)單元的可調式機油泵的結構示意圖。由泵油齒輪供應的壓力機油先在發(fā)動機機油濾清器后分出一部分用于機油泵的調節(jié)，這樣一方面可用彈簧力來補償機油濾清器的壓力損失，另一方面可為調節(jié)部件供應經濾清過的清潔機油。

泵油齒輪A和B可在軸向改變嚙合重疊度(圖5中示出的嚙合重疊度為65%)是由泵油壓力克服回位彈簧力而實現的。容納泵油齒輪B軸向移動的腔室右側完全由泵油壓力推壓著，而其左側作用著回位彈簧力和充滿彈簧室的調節(jié)壓力。這種調節(jié)壓力是由調節(jié)單元中的一個兩級調節(jié)活塞準備好的，該調節(jié)活塞可按需要使調節(jié)壓力在泵油壓力和完全泄壓狀態(tài)之間變化。

在調節(jié)單元不通電(0V)時，泵油壓力僅僅作用在兩級調節(jié)活塞的環(huán)形表面上，調節(jié)活塞在調節(jié)彈簧力的作用下向左移動，將調節(jié)壓力室與泵油壓力側接通，調節(jié)壓力增加而使泵油齒輪B右移增大嚙合重疊度，從而使得泵油壓力達到較高的壓力值。

當調節(jié)單元通電(12V)時，其中的電磁閥打開，泵油壓力就作用在其兩級調節(jié)活塞的左端軸銷上，調節(jié)活塞克服調節(jié)彈簧力向右移動，將調節(jié)壓力室與泄壓油道側接通，調節(jié)壓力降低而使泵油齒輪B在泵油壓力作用下克服彈簧力左移減小嚙合重疊度，從而使得泵油壓力被調節(jié)到較低的壓力值。

如圖5所示，將電控調節(jié)單元布置在發(fā)動機汽缸體曲軸箱上是特別有利的，因為這樣一方面可以避免電子控制器件在發(fā)動機曲軸箱中被機油濺濕，另一方面可使得可調式機油泵結構更為緊湊。

為了證實可調式機油泵采用按轉速調節(jié)機油壓力可節(jié)省傳動功率的優(yōu)越性，制造了一種機油壓力分級調節(jié)的可調式外齒輪機油泵，其泵油量設計得大致符合圖1所示的典型發(fā)動機機型的要求，并預先確定了傳動比。

這種可調式機油泵樣泵具有以下設計參數：

結構型式：泵油齒輪可軸向移動的可調式外齒輪機油泵；

理論泵油量：機油泵每轉26.3cm3；

調節(jié)方式：電液式兩級壓力調節(jié)——機油壓力0.27(12V)；0.47(0V)；

傳動比：機油泵轉速/發(fā)動機轉速=0.75。

(未完待續(xù))