兩級(jí)變量齒輪機(jī)油泵的試驗(yàn)研究

王文杰　馬　璽　胡廣進(jìn)　袁軍亮　賀　禮　張士偉（1-長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心）

兩級(jí)變量齒輪機(jī)油泵的試驗(yàn)研究

王文杰1，2馬璽1，2胡廣進(jìn)1，2袁軍亮1，2賀禮1，2張士偉1，2
（1-長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心）

介紹了MAP閥控制的兩級(jí)變量齒輪機(jī)油泵的工作原理，對(duì)國(guó)外某變量齒輪機(jī)油泵及定量泵進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析與對(duì)比。結(jié)果表明：變量機(jī)油泵相比定排量機(jī)油泵，能節(jié)省循環(huán)供油量30%～60%；MAP閥控制的變排量齒輪泵可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況精確地控制機(jī)油泵的流量，實(shí)現(xiàn)按需供油，有效地降低機(jī)油泵的驅(qū)動(dòng)功，能節(jié)省功率消耗30%～80%，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗的降低；變量齒輪機(jī)油泵存在高速時(shí)吸油能力大幅度降低，容積效率較差等缺點(diǎn)。

變量齒輪泵MAP閥節(jié)能減排試驗(yàn)

引言

隨著國(guó)際排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，汽車(chē)節(jié)能已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車(chē)行業(yè)的頭等重要任務(wù)［1］。傳統(tǒng)定排量機(jī)油泵以發(fā)動(dòng)機(jī)熱怠速時(shí)的機(jī)油需求量為設(shè)計(jì)依據(jù)，由于機(jī)油泵供油流量隨轉(zhuǎn)速變化幾乎呈線性增加，高速時(shí)輸出油量過(guò)多，需采用機(jī)油泄壓閥旁通掉多余的機(jī)油，不僅浪費(fèi)機(jī)油量，且浪費(fèi)了一部分機(jī)油泵耗功，而且損失了驅(qū)動(dòng)這部分機(jī)油所需的功［2］。

要減少機(jī)油泵的功率消耗，需要使機(jī)油泵的供油量與發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際機(jī)油需求量進(jìn)行匹配。變量機(jī)油泵比通常批量生產(chǎn)的旁通閥調(diào)節(jié)的機(jī)油泵具有更好的潤(rùn)滑和散熱效果，同時(shí)又具有相當(dāng)可觀的節(jié)油潛力。

1　變量齒輪機(jī)油泵發(fā)展現(xiàn)狀

研究變量齒輪機(jī)油泵的代表性公司包括SHW（德國(guó)）、PIERBURG（德國(guó)），它通過(guò)改變齒輪的嚙合長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)排量可變，其中電控可變排量齒輪泵在大眾、寶馬、標(biāo)致等知名汽車(chē)品牌上都已有批量應(yīng)用［3］。而MAP控制使內(nèi)燃機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)更加智能化，它將使以機(jī)油為介質(zhì)的零部件如VVT、活塞冷卻噴嘴、鏈條張緊器等發(fā)揮最佳功能，是未來(lái)進(jìn)行高效發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)的必然選擇。

目前我國(guó)可變排量機(jī)油泵技術(shù)已經(jīng)起步，國(guó)內(nèi)多家自主品牌在其發(fā)動(dòng)機(jī)主導(dǎo)機(jī)型上已全部開(kāi)始了可變排量機(jī)油泵的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。變排量齒輪機(jī)油泵分為兩級(jí)壓力變量、多級(jí)壓力變量和無(wú)級(jí)壓力變量。多級(jí)壓力和無(wú)級(jí)壓力變量泵結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，花費(fèi)的成本較高，而兩級(jí)壓力變量泵的成本費(fèi)用與其所能獲得的節(jié)油效果相比處于可接受的水平，是眾多企業(yè)進(jìn)行高效發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)的最多選擇。本文選取國(guó)外某兩級(jí)壓力變量齒輪機(jī)油泵為對(duì)象，對(duì)其壓力分級(jí)調(diào)節(jié)、節(jié)油效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

2　試驗(yàn)對(duì)象選取

本實(shí)驗(yàn)選取的機(jī)油泵具有以下設(shè)計(jì)參數(shù)：

結(jié)構(gòu)型式：齒輪軸向移動(dòng)的外嚙合齒輪式機(jī)油泵。

調(diào)節(jié)方式：通過(guò)一臺(tái)兩級(jí)電動(dòng)液壓調(diào)節(jié)單元（MAP閥）實(shí)現(xiàn)的壓力分級(jí)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的兩級(jí)壓力為0.18 MPa和0.32 MPa。

驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)比：z1/z2=0.83（z1為機(jī)油泵鏈輪齒數(shù)，z2為曲軸鏈輪齒數(shù)）。

機(jī)油泵搭載在1 395 mL的增壓直噴汽油機(jī)上，本試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)

3　MAP閥控制兩級(jí)變量機(jī)油泵工作原理

圖1為兩級(jí)變量外嚙合齒輪泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，其被動(dòng)齒輪可軸向移動(dòng)。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷、轉(zhuǎn)速、機(jī)油溫度和其他工作參數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元調(diào)節(jié)機(jī)油泵壓力。通過(guò)被動(dòng)齒輪軸向位置的變化，可以控制機(jī)油的輸出流量和壓力。

圖1　機(jī)油泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)機(jī)油泵理想的要求是：在低轉(zhuǎn)速下，機(jī)油泵滿足最低供油量；而在高轉(zhuǎn)速時(shí)，保證最小油壓［4］。MAP控制閥負(fù)責(zé)向機(jī)油泵的調(diào)節(jié)活塞提供油壓。在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，連接在供電電源的MAP控制閥通過(guò)ECU接地，這將使機(jī)油泵切換至低壓力設(shè)定。在發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速范圍或者發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷（全負(fù)荷—加速）時(shí)，MAP控制閥通過(guò)ECU不接地?cái)嚅_(kāi)，這將使機(jī)油泵切換至高油泵壓力設(shè)定，實(shí)現(xiàn)機(jī)油壓力按需調(diào)節(jié)。

4　試驗(yàn)研究

4.1發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)

圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)搭載變排量機(jī)油泵，在整機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)上所得的發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的主油道壓力MAP圖。由圖2可知，在轉(zhuǎn)速低于3 500 r/min（低轉(zhuǎn)速范圍），負(fù)荷低于1.1 MPa時(shí)，機(jī)油壓力維持在0.18 MPa左右；在轉(zhuǎn)速高于2 200 r/min負(fù)荷大于1.1 MPa和4 000 r/min以上的工況，主油道壓力維持在0.30～0.32 MPa；其余發(fā)動(dòng)機(jī)工況下，為機(jī)油泵過(guò)渡區(qū)域。

圖2　不同工況下的主油道壓力（變排量）

圖3為斷開(kāi)MAP閥線束，將機(jī)油泵作為定排量機(jī)油泵后，在整機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)所得的發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下的主油道壓力。與變量機(jī)油泵測(cè)試結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)主油道油壓不再固定在兩個(gè)油壓值，而是隨著車(chē)輛工況變化而變化，最小壓力值為0.13 MPa，最大壓力值為0.32 MPa。結(jié)果說(shuō)明該定排量機(jī)油泵能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)主油道油壓穩(wěn)定在0.18 MPa和0.32 MPa兩個(gè)壓力值，滿足其設(shè)定壓力。

圖3　不同工況下的主油道壓力（定排量）

4.2機(jī)油泵性能臺(tái)架試驗(yàn)

出口壓力設(shè)定180 kPa、320 kPa，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速選取540 r/min、1 000 r/min、1 450 r/min、2 070 r/min、2 900 r/min、3 730 r/min、4 140 r/min、4 560 r/min、4 970 r/min、5 470 r/min，油溫設(shè)定85℃做轉(zhuǎn)速試驗(yàn)。分別對(duì)機(jī)油泵MAP控制閥線束接通（變排量）與斷開(kāi)（定排量）兩種情況進(jìn)行試驗(yàn)。

本文選取320 kPa壓力下試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（如表2所示）。

表2　試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從圖4可以看出斷開(kāi)MAP控制閥線束后，機(jī)油泵成為一個(gè)定量機(jī)油泵，流量隨轉(zhuǎn)速的升高呈線性增長(zhǎng)，符合定量機(jī)油泵流量隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系曲線；將MAP閥線束接通，從怠速開(kāi)始，隨著轉(zhuǎn)速的增加，機(jī)油泵流量與轉(zhuǎn)速呈正比增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)約2 200 r/min時(shí)，由于MAP閥控制，機(jī)油泵開(kāi)始按需供油，大大減少了供油流量。如變量機(jī)油泵在泵轉(zhuǎn)速3 730 r/min時(shí)，可減少循環(huán)供油Q≈42.8-23.7= 19.1 L/min。

圖4　流量對(duì)比

從圖5可以看出，MAP閥根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況精確地控制機(jī)油泵供油量，轉(zhuǎn)速越高，節(jié)省的供油量越多，相比定排量機(jī)油泵，節(jié)省機(jī)油供油量30%～60%。

圖5　節(jié)省供油量

圖6為機(jī)油泵MAP控制閥線束接通與斷開(kāi)兩種狀態(tài)下機(jī)油泵的機(jī)械功率對(duì)比圖。變量機(jī)油泵在泵轉(zhuǎn)速3 730 r/min時(shí)，減小功率消耗P≈0.35-0.17= 0.18 kW；從圖7看出可以看出隨著轉(zhuǎn)速越高，節(jié)省的功率消耗越大，變排量機(jī)油泵能夠降低功率消耗30%～80%。該變量齒輪機(jī)油泵的節(jié)能環(huán)保效果是顯而易見(jiàn)的。

圖6　機(jī)械功率對(duì)比

圖7　節(jié)省功率消耗

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，除要保證供油量（流量）外，容積效率需作重點(diǎn)考慮，容積效率越高說(shuō)明機(jī)油泵性能越穩(wěn)定［5］。

對(duì)于外嚙合齒輪泵，理論流量的近似公式為：

式（1）中，m——齒輪模數(shù)，mm；

z——齒輪齒數(shù)；

b——齒輪寬度，mm；

n——齒輪轉(zhuǎn)速，r/min。

齒輪泵的容積效率為：

式（2）中，η為齒輪泵的容積效率，Q實(shí)際為齒輪泵的實(shí)際流量。

本試驗(yàn)中機(jī)油泵參數(shù)為：

齒數(shù)z=10，齒輪寬度b=26 mm，齒輪模數(shù)m= 3 mm。

經(jīng)計(jì)算得出該機(jī)油樣泵的容積效率，如圖8所示。

圖8為變量機(jī)油泵與定量機(jī)油泵容積效率對(duì)比圖。為減少發(fā)動(dòng)機(jī)的功率消耗，要求機(jī)油泵的總效率達(dá)到最佳值，為此必須盡可能提高機(jī)油泵的容積效率［6］。但從圖8可以看出，變量齒輪機(jī)油泵存在高速時(shí)齒輪泵因離心力的作用，吸油能力大幅度降低，容積效率較差、機(jī)械效率低等缺點(diǎn)。

圖8　容積效率圖

5　結(jié)論

1）該兩級(jí)變量齒輪泵，能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況將主油道油壓控制在0.18 MPa和0.32 MPa；

2）變量機(jī)油泵相比定排量機(jī)油泵，能節(jié)省循環(huán)供油量30%～60%；

3）MAP電磁閥控制的變排量齒輪泵可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況精確地控制機(jī)油泵的流量，實(shí)現(xiàn)按需供油，有效地降低機(jī)油泵的驅(qū)動(dòng)功，節(jié)省功率消耗30%～80%，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗的降低；

4）變排量齒輪泵在高轉(zhuǎn)速時(shí)吸油能力大幅度降低，高速容積效率較差。

1童寶宏，桂長(zhǎng)林，趙小勇，等.發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的研究與進(jìn)展［J］.車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2007（02）:5-8，17

2錢(qián)人一.利用調(diào)節(jié)式機(jī)油泵節(jié)省燃油（上）［J］.汽車(chē)與配件，2008（31）：38-39

3肖周志，鄧國(guó)峰.內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排中的變排量技術(shù)［J］.內(nèi)燃機(jī)與配件，2012（06）：9-13

4冉麗紅.變量機(jī)油泵的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究［J］.汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2010（01）:45-49

5馬富銀，黃新良，吳偉蔚，等.齒輪機(jī)油泵性能測(cè)試試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2012（03）：212-216

6屈盛官，孫自樹(shù).外嚙合直齒輪機(jī)油泵容積效率的研究［J］.車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2001，13（4）：18-21

The Experimental Study on the Variable Gear Oil Pump

Wang Wenjie1，2，Ma Xi1，2，Hu Guangjin1，2，Yuan Junliang1，2，He Li1，2，Zhang Shiwei1，2
1-Technique Center of Great Wall Motor Company Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2-Research Center of Auto Technology Engineering of Hebei Provence

How the two-stage variable gear oil pump controlled by MAP valve works was described in this article.One foreign variable oil pump was experimented and studied，the test results compared to the quantitative gear pump are analyzed.The results illustrate that:variable oil pump compared to quantitative oil pump，could save oil by about 30%～60%；The variable gear pump controlled by MAP valve can accurately control oil pump flow according to engine operating conditions，it is based on the requirement flow of the engine，can effectively reduce the oil pump drive power by about 30%to 80%，thereby achieving reduction in fuel consumption of engine.The shortcoming of variable gear oil pump was a significant reduction of oil-absorbing capability under the high engine speed，and poor volumetric efficiency.

Variable gear pump，MAP valve，Energy conservation and emission reduction，Test

TK427

A

2095-8234（2015）04-0032-04

2015-04-07）

王文杰（1987－），女，大專，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)冷卻潤(rùn)滑技術(shù)。