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

兩級變量齒輪機油泵的試驗研究

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

介紹了MAP閥控制的兩級變量齒輪機油泵的工作原理，對國外某變量齒輪機油泵及定量泵進行了試驗研究，并對試驗結(jié)果進行了分析與對比。結(jié)果表明：變量機油泵相比定排量機油泵，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)動機工況精確地控制機油泵的流量，實現(xiàn)按需供油，有效地降低機油泵的驅(qū)動功，能節(jié)省功率消耗30%～80%，從而實現(xiàn)發(fā)動機燃油耗的降低；變量齒輪機油泵存在高速時吸油能力大幅度降低，容積效率較差等缺點。

變量齒輪泵MAP閥節(jié)能減排試驗

引言

隨著國際排放法規(guī)的日益嚴格，汽車節(jié)能已經(jīng)成為發(fā)動機和汽車行業(yè)的頭等重要任務(wù)［1］。傳統(tǒng)定排量機油泵以發(fā)動機熱怠速時的機油需求量為設(shè)計依據(jù)，由于機油泵供油流量隨轉(zhuǎn)速變化幾乎呈線性增加，高速時輸出油量過多，需采用機油泄壓閥旁通掉多余的機油，不僅浪費機油量，且浪費了一部分機油泵耗功，而且損失了驅(qū)動這部分機油所需的功［2］。

要減少機油泵的功率消耗，需要使機油泵的供油量與發(fā)動機的實際機油需求量進行匹配。變量機油泵比通常批量生產(chǎn)的旁通閥調(diào)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。

1　變量齒輪機油泵發(fā)展現(xiàn)狀

研究變量齒輪機油泵的代表性公司包括SHW（德國）、PIERBURG（德國），它通過改變齒輪的嚙合長度來實現(xiàn)排量可變，其中電控可變排量齒輪泵在大眾、寶馬、標致等知名汽車品牌上都已有批量應(yīng)用［3］。而MAP控制使內(nèi)燃機潤滑系統(tǒng)更加智能化，它將使以機油為介質(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，是未來進行高效發(fā)動機開發(fā)的必然選擇。

目前我國可變排量機油泵技術(shù)已經(jīng)起步，國內(nèi)多家自主品牌在其發(fā)動機主導機型上已全部開始了可變排量機油泵的應(yīng)用開發(fā)。變排量齒輪機油泵分為兩級壓力變量、多級壓力變量和無級壓力變量。多級壓力和無級壓力變量泵結(jié)構(gòu)相對復雜，花費的成本較高，而兩級壓力變量泵的成本費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)進行高效發(fā)動機開發(fā)的最多選擇。本文選取國外某兩級壓力變量齒輪機油泵為對象，對其壓力分級調(diào)節(jié)、節(jié)油效果進行了試驗研究。

2　試驗對象選取

本實驗選取的機油泵具有以下設(shè)計參數(shù)：

結(jié)構(gòu)型式：齒輪軸向移動的外嚙合齒輪式機油泵。

調(diào)節(jié)方式：通過一臺兩級電動液壓調(diào)節(jié)單元（MAP閥）實現(xiàn)的壓力分級調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的兩級壓力為0.18 MPa和0.32 MPa。

驅(qū)動傳動比：z1/z2=0.83（z1為機油泵鏈輪齒數(shù)，z2為曲軸鏈輪齒數(shù)）。

機油泵搭載在1 395 mL的增壓直噴汽油機上，本試驗發(fā)動機相關(guān)參數(shù)見表1。

表1　發(fā)動機相關(guān)參數(shù)

3　MAP閥控制兩級變量機油泵工作原理

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

圖1　機油泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

汽車發(fā)動機對機油泵理想的要求是：在低轉(zhuǎn)速下，機油泵滿足最低供油量；而在高轉(zhuǎn)速時，保證最小油壓［4］。MAP控制閥負責向機油泵的調(diào)節(jié)活塞提供油壓。在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，連接在供電電源的MAP控制閥通過ECU接地，這將使機油泵切換至低壓力設(shè)定。在發(fā)動機高轉(zhuǎn)速范圍或者發(fā)動機高負荷（全負荷—加速）時，MAP控制閥通過ECU不接地斷開，這將使機油泵切換至高油泵壓力設(shè)定，實現(xiàn)機油壓力按需調(diào)節(jié)。

4　試驗研究

4.1發(fā)動機臺架試驗

圖2為發(fā)動機搭載變排量機油泵，在整機臺架試驗上所得的發(fā)動機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），負荷低于1.1 MPa時，機油壓力維持在0.18 MPa左右；在轉(zhuǎn)速高于2 200 r/min負荷大于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)動機工況下，為機油泵過渡區(qū)域。

圖2　不同工況下的主油道壓力（變排量）

圖3為斷開MAP閥線束，將機油泵作為定排量機油泵后，在整機臺架試驗所得的發(fā)動機不同工況下的主油道壓力。與變量機油泵測試結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)主油道油壓不再固定在兩個油壓值，而是隨著車輛工況變化而變化，最小壓力值為0.13 MPa，最大壓力值為0.32 MPa。結(jié)果說明該定排量機油泵能夠使發(fā)動機主油道油壓穩(wěn)定在0.18 MPa和0.32 MPa兩個壓力值，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機油泵性能臺架試驗

出口壓力設(shè)定180 kPa、320 kPa，發(fā)動機轉(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。分別對機油泵MAP控制閥線束接通（變排量）與斷開（定排量）兩種情況進行試驗。

本文選取320 kPa壓力下試驗數(shù)據(jù)進行分析（如表2所示）。

表2　試驗數(shù)據(jù)

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

圖4　流量對比

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

圖5　節(jié)省供油量

圖6為機油泵MAP控制閥線束接通與斷開兩種狀態(tài)下機油泵的機械功率對比圖。變量機油泵在泵轉(zhuǎn)速3 730 r/min時，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，變排量機油泵能夠降低功率消耗30%～80%。該變量齒輪機油泵的節(jié)能環(huán)保效果是顯而易見的。

圖6　機械功率對比

圖7　節(jié)省功率消耗

在實際設(shè)計中，除要保證供油量（流量）外，容積效率需作重點考慮，容積效率越高說明機油泵性能越穩(wěn)定［5］。

對于外嚙合齒輪泵，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實際為齒輪泵的實際流量。

本試驗中機油泵參數(shù)為：

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

經(jīng)計算得出該機油樣泵的容積效率，如圖8所示。

圖8為變量機油泵與定量機油泵容積效率對比圖。為減少發(fā)動機的功率消耗，要求機油泵的總效率達到最佳值，為此必須盡可能提高機油泵的容積效率［6］。但從圖8可以看出，變量齒輪機油泵存在高速時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、機械效率低等缺點。

圖8　容積效率圖

5　結(jié)論

1）該兩級變量齒輪泵，能根據(jù)發(fā)動機工況將主油道油壓控制在0.18 MPa和0.32 MPa；

2）變量機油泵相比定排量機油泵，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)動機工況精確地控制機油泵的流量，實現(xiàn)按需供油，有效地降低機油泵的驅(qū)動功，節(jié)省功率消耗30%～80%，從而實現(xiàn)發(fā)動機燃油耗的降低；

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

1童寶宏，桂長林，趙小勇，等.發(fā)動機潤滑系統(tǒng)的研究與進展［J］.車用發(fā)動機，2007（02）:5-8，17

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

4冉麗紅.變量機油泵的設(shè)計與試驗研究［J］.汽車實用技術(shù)，2010（01）:45-49

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6屈盛官，孫自樹.外嚙合直齒輪機油泵容積效率的研究［J］.車用發(fā)動機，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，主要研究方向為發(fā)動機冷卻潤滑技術(shù)。