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)動機(jī)開發(fā)的重要研究方向和發(fā)展趨勢。近年來,越來越多的整車公司在發(fā)動機(jī)開發(fā)時應(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)動機(jī)潤滑系統(tǒng)作為發(fā)動機(jī)重要系統(tǒng)之一,對發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能有著較大的影響。保證了發(fā)動機(jī)的軸承、活塞、氣缸、連桿、曲軸等運動件摩擦副有足夠的潤滑和冷卻,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。潤滑系統(tǒng)供油不足會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)運動件摩擦副磨損加劇,減少零件壽命,增加發(fā)動機(jī)整體的摩擦功,同時使依賴潤滑油壓力的功能性零件性能不佳或失效。然而潤滑系統(tǒng)供油過量會導(dǎo)致整個系統(tǒng)潤滑油壓力偏高,造成額外功率損耗和排放性能降低。故對發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)實際潤滑油需求的分析研究及節(jié)能減排技術(shù)的運用至關(guān)重要[1-3]。

機(jī)油泵是潤滑系統(tǒng)的供油執(zhí)行元件,油底殼中的潤滑油不斷被機(jī)油泵壓送至整個發(fā)動機(jī)。普通定排量機(jī)油泵一般根據(jù)發(fā)動機(jī)低速高負(fù)荷工況的潤滑油需求量作為設(shè)計輸入,由于普通定排量機(jī)油泵的供油量與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速成正比,在發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速工況時,機(jī)油泵輸出的潤滑油量往往超過了發(fā)動機(jī)實際的需求量,多余的機(jī)油量通過機(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)動機(jī)各工況下實際的潤滑油需求量,而可變排量機(jī)油泵技術(shù)通過調(diào)節(jié)機(jī)油泵的排量來匹配發(fā)動機(jī)的實際潤滑油需求量,很大程度上可改善機(jī)油泵額外功率損耗的問題,同時油泵變量級數(shù)越多,則可越接近發(fā)動機(jī)實際的潤滑油需求,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)試驗數(shù)據(jù),采用可變排量機(jī)油泵技術(shù)能降低發(fā)動機(jī)平均燃油消耗0.5%～2.5%。

本文研究對象為1款小排量自然吸氣發(fā)動機(jī),通過將發(fā)動機(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)動機(jī)燃油耗的目的。根據(jù)項目的實際需求,優(yōu)先考慮采用經(jīng)濟(jì)性較好、對周邊零部件更改程度較小的機(jī)械式兩級可變排量機(jī)油泵。首先根據(jù)發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)各主要零部件的潤滑需求確認(rèn)發(fā)動機(jī)主油道的最優(yōu)潤滑油壓力,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),最后通過發(fā)動機(jī)燃油耗對比試驗確定該變量油泵應(yīng)用后對降低該發(fā)動機(jī)燃油耗的貢獻(xiàn)。

1 發(fā)動機(jī)潤滑油需求量分析

本文所研究的發(fā)動機(jī)的潤滑系統(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(VVT)、活塞冷卻噴嘴(PCJ)和油道等,其回路示意圖如圖2所示。該潤滑系統(tǒng)是全流式過濾、強(qiáng)制供油系統(tǒng),潤滑油由機(jī)油泵通過吸油管從油底殼吸上來,壓送至整個發(fā)動機(jī)潤滑油路,以供發(fā)動機(jī)潤滑。

圖1 一維模擬模型

圖2 潤滑系統(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。通過對軸承最小油膜厚度和潤滑油壓力的關(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)驗值,確定軸承入口最小油壓需求。之后,通過VVT響應(yīng)試驗,確定VVT入口的最小油壓需求。

將以上2個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”潤滑系統(tǒng)模型進(jìn)行計算分析,得出滿足各零件油壓需求時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)動機(jī)活塞冷卻噴嘴的開啟壓力值,以保證發(fā)動機(jī)在高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷工況下對活塞進(jìn)行冷卻,防止發(fā)動機(jī)出現(xiàn)早燃、爆燃問題。對各研究零件的潤滑油最小壓力需求匯總見表1。

表1 潤滑油壓力需求匯總

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“Flowmaster”分析軟件計算出各轉(zhuǎn)速下對應(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滑油壓力的需求值。計算模型如圖4所示,主油道潤滑油最小壓力見表2。

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

圖4 發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型

表2 主油道潤滑油壓力需求值

圖5 發(fā)動機(jī)主油道潤滑油壓力對比值

1.4 機(jī)油泵主要工作參數(shù)確認(rèn)

根據(jù)發(fā)動機(jī)主油道潤滑油壓力最小需求值,對可變排量機(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)速主油道實際油壓需求值與現(xiàn)定排量機(jī)油泵油壓試驗值差別不大,現(xiàn)定排量機(jī)油泵發(fā)動機(jī)低速實際機(jī)油壓力相對需求量無過多富余,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)用及油耗對比試驗

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)到一級變量壓力時,泄油口與切換腔油道相通,故2號控制腔無油壓,滑塊上的作用點2不受壓力,而1號腔始終與泵出口連通,此時1號腔壓力油作用于滑塊上的作用點1,但壓力不足以推動變量彈簧,故機(jī)油泵不發(fā)生變量,機(jī)油泵以最大排量工作。

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

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

2.2 發(fā)動機(jī)油耗對比試驗

2.2.1 主要試驗設(shè)備和測量參數(shù)

主要試驗設(shè)備包括：測功機(jī)、油耗測量儀、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]。主要測量參數(shù)包括：發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、實測扭矩、實測功率、燃油消耗率(BSFC)、燃油消耗量、過量空氣系數(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)械式兩級可變排量機(jī)油泵結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 試驗數(shù)據(jù)分析及評定方法

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

發(fā)動機(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)動機(jī)熱效率提升和油耗改善,燃油在發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒后能量的去向可分為幾個部分：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)動機(jī)與外界對流熱交換帶走的能量[6]。

2.2.3 試驗結(jié)果

在發(fā)動機(jī)油耗對比試驗之前,對應(yīng)用可變排量機(jī)油泵的發(fā)動機(jī)先進(jìn)行主油道壓力摸底測量,對比發(fā)動機(jī)匹配定排量機(jī)油泵和可變排量機(jī)油泵對發(fā)動機(jī)主油道壓力的變化,各轉(zhuǎn)速下主油道機(jī)油壓力對比如圖8所示。試驗結(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)動機(jī)轉(zhuǎn)速成正比,在主油道壓力達(dá)到230 k Pa時,變量泵開始一級變量,發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到3 500 r/min后,變量泵開始兩級變量。綜上所述,該變量泵樣件實現(xiàn)了既定的兩級變量泵應(yīng)用效果。根據(jù)油壓曲線,該變量泵的應(yīng)用可滿足發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)的機(jī)油壓力需求。

根據(jù)試驗?zāi)康?對發(fā)動機(jī)10個油耗特征點進(jìn)行油耗對比試驗,驗證應(yīng)用本文的可變排量機(jī)油泵后對降低該款發(fā)動機(jī)油耗的貢獻(xiàn)程度。

圖8 特征點主油道油壓試驗值對比圖

發(fā)動機(jī)裝配定排量機(jī)油泵和可變排量機(jī)油泵時BSFC特征點測量值對比見表3,燃油消耗率MAP圖對比見圖9所示。

圖9 BSFC MAP對比圖

根據(jù)燃油消耗MAP對比圖表明,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)特征點油耗對比數(shù)據(jù)表明,配置變量泵后10個油耗特征點的BSFC相對于普通機(jī)油泵均有所改善,油耗減小范圍在0.4%～1.7%。

3 結(jié)論

本文通過對某款發(fā)動機(jī)的實際潤滑油供油需求進(jìn)行分析,在對發(fā)動機(jī)更改最小、最經(jīng)濟(jì)的情況下,對原定排量機(jī)油泵進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,以達(dá)到對發(fā)動機(jī)油耗優(yōu)化的目的。

通過發(fā)動機(jī)燃油消耗對比試驗,驗證了應(yīng)用可變排量機(jī)油泵方案后,對發(fā)動機(jī)油耗的影響。試驗結(jié)果表明,使用可變排量機(jī)油泵方案后,發(fā)動機(jī)油耗有所改善,特征點油耗減小了0.4%～1.7%。

考慮到整機(jī)成本和其他相關(guān)零件改動限制等因素,本文僅采用了機(jī)械式兩級可變排量機(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,如采用電磁閥式兩級可變排量機(jī)油泵油耗節(jié)省可達(dá)到1.0%～2.5%。

4 展望

隨著對油耗和排放要求的不斷提高,發(fā)動機(jī)研發(fā)時越來越多的節(jié)能減排技術(shù)已開始普遍應(yīng)用和持續(xù)升級中。其對潤滑系統(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)排量機(jī)油泵。

除了變量泵性能上的升級之外,還需要不斷地研究和降低發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)的油壓最優(yōu)需求值,主要方向為以下2點：

(1)通過零部件的材料選用,優(yōu)化結(jié)構(gòu),合理的布置來降低潤滑系統(tǒng)的內(nèi)部泄漏和壓阻,從而降低各潤滑需求零部件的油壓需求值。

(2)通過仿真軟件和發(fā)動機(jī)試驗更精確地獲得發(fā)動機(jī)實際的最優(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。