沈 勇，2 楊 輝，2 任健康 羅欣喆

(1.上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心,上海 201804； 2.上海市汽車動(dòng)力總成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201804)

0 前言

隨著國(guó)際油價(jià)的不斷攀升和排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，到2020年中國(guó)要求車輛百公里燃油耗降至5 L，而歐盟要求百公里燃油耗降至4 L，因此降低燃油耗已經(jīng)成為整個(gè)汽車行業(yè)的重要發(fā)展目標(biāo)。對(duì)于汽油機(jī)而言，降低燃油耗的措施主要包括燃燒優(yōu)化及改進(jìn)、摩擦功降低和發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理技術(shù)。其中摩擦功主要來(lái)源于曲軸、活塞、連桿、凸輪軸、機(jī)油泵、氣門、正時(shí)鏈條和皮帶等，因此為了降低摩擦功，在保證機(jī)油壓力需求的前提下降低機(jī)油泵的輸出壓力是一項(xiàng)重要措施。

目前市場(chǎng)上主要的機(jī)油泵類型有：定排量機(jī)油泵、一級(jí)可變排量機(jī)油泵、兩級(jí)可變排量機(jī)油泵，以及連續(xù)可變排量機(jī)油泵等。不同類型機(jī)油泵機(jī)油壓力隨轉(zhuǎn)速變化如圖1所示，定排量機(jī)油泵供油壓力隨轉(zhuǎn)速變化幾乎呈線性增加[1]，在高速段機(jī)油壓力遠(yuǎn)高于需求值，一級(jí)可變排量機(jī)油泵雖然在高速段進(jìn)行油壓調(diào)節(jié)，但在低速段仍有部分浪費(fèi)，而兩級(jí)可變排量機(jī)油泵很好地兼顧了高速段和低速段的油壓，連續(xù)可變機(jī)油泵雖然更具優(yōu)勢(shì)，但是目前很難得到發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的連續(xù)油壓需求曲線，因此未被普遍應(yīng)用。

1 可變排量機(jī)油泵介紹

1.1 可變排量機(jī)油泵原理及特點(diǎn)

可變排量機(jī)油泵類型主要有3種，分別為可變排量轉(zhuǎn)子泵、可變排量外齒輪泵和可變排量葉片泵。下面以可變排量葉片泵為例進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.1.1 可變排量葉片泵工作原理

可變排量葉片泵主要可分為滑動(dòng)變量式葉片泵和擺動(dòng)變量式葉片泵，兩種類型葉片泵的變量原理大致相同[2]。如圖2所示，通過(guò)外調(diào)節(jié)環(huán)的滑動(dòng)或者擺動(dòng)，改變其與轉(zhuǎn)子的偏心距，進(jìn)而改變?nèi)~片泵的排量。

當(dāng)反饋機(jī)油壓力達(dá)到變量設(shè)定值時(shí)，彈簧被壓縮，外調(diào)節(jié)環(huán)滑動(dòng)或者擺動(dòng)，使葉片的內(nèi)圈和外圈之間的偏心距減小，葉片與內(nèi)外圈之間形成的壓油腔在機(jī)油泵運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中變化量也相應(yīng)減小，這樣就使機(jī)油泵的泵油流量減小，當(dāng)反饋機(jī)油壓力降低時(shí)，彈簧逐漸回位從而使調(diào)節(jié)環(huán)復(fù)位。

1.1.2 可變排量葉片泵的優(yōu)缺點(diǎn)

可變排量葉片泵有著諸多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些不足。其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)緊湊，適用范圍廣，相同尺寸的葉片式泵排量大，同時(shí)由于機(jī)油壓力和流量降低，減少了機(jī)油泵泵送次數(shù)，因此可以減少傳動(dòng)噪聲，延長(zhǎng)機(jī)油使用壽命，減少機(jī)油濾清器及冷卻器的成本。

由于對(duì)機(jī)油清潔度要求較高，與轉(zhuǎn)子泵和外齒輪泵相比零部件較多，制造精度要求高，葉片易磨損，同時(shí)相對(duì)于定排量機(jī)油泵，可變排量葉片泵成本大約要高出50%～75%，并伴有有一定的壓力脈動(dòng)和響應(yīng)遲滯情況。

1.2 可變排量機(jī)油泵國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

最早關(guān)于機(jī)油泵的研究見(jiàn)于1922年George A Round的論文中,該文章從機(jī)油泵的定義到機(jī)油泵的功能要求等都作了闡述。機(jī)油泵的智能化對(duì)于改善發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑有著非常重要的意義，從而可變排量機(jī)油泵使機(jī)油泵的智能化控制成為可能。

在國(guó)內(nèi)，神龍汽車有限公司是最早一批應(yīng)用可變排量機(jī)油泵技術(shù)的汽車企業(yè)，其三大主力機(jī)型全部采用可變排量機(jī)油泵。2015年，通用和大眾中國(guó)工廠對(duì)可變排量機(jī)油泵的應(yīng)用率超過(guò)60%。上汽、一汽、長(zhǎng)安、奇瑞、長(zhǎng)城等國(guó)內(nèi)自主品牌汽車在各自研發(fā)的主力發(fā)動(dòng)機(jī)上基本上已全部開(kāi)始采用可變排量機(jī)油泵。

2004年，BMW公司在直列6缸發(fā)動(dòng)機(jī)中使用了一款擺動(dòng)式可變排量葉片泵，使得機(jī)油泵的機(jī)械驅(qū)動(dòng)功率與傳統(tǒng)的機(jī)油泵相比減小2 kW。2007年，通用公司在GENIV 的V8 發(fā)動(dòng)機(jī)上也使用了一款可變排量葉片泵，這種可變排量葉片泵最高可節(jié)省50%的機(jī)油泵功耗，同時(shí)還能顯著降低油泵的工作噪聲。2009年，Audi公司在其V6 發(fā)動(dòng)機(jī)上采用了一款兩級(jí)壓力調(diào)節(jié)可變排量葉片泵。2010年，Mercedes-Benz公司也在新一代V6 和V8發(fā)動(dòng)機(jī)中采用了可變排量葉片泵，可以在不同的供油壓力下按照兩種不同的工作特性曲線工作。2011年，德國(guó)Pierburg公司推出了可實(shí)現(xiàn)電子連續(xù)調(diào)節(jié)的變量葉片泵。這種機(jī)油泵能夠在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍內(nèi)提供連續(xù)可變的油壓，實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑油量的自動(dòng)匹配，提高3%的燃油經(jīng)濟(jì)性。

2 某款款發(fā)動(dòng)機(jī)兩級(jí)可變排量機(jī)動(dòng)泵的結(jié)構(gòu)和控制原理

一級(jí)可變排量機(jī)油泵的主要節(jié)能區(qū)域是在發(fā)動(dòng)機(jī)中高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，而在中低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)則無(wú)節(jié)能效果。與一級(jí)可變排量泵相比，兩級(jí)變排量機(jī)油泵在中低轉(zhuǎn)速也可以節(jié)能。為了研究?jī)杉?jí)可變排量機(jī)油泵相對(duì)于一級(jí)可變排量泵的節(jié)能效果，以上汽集團(tuán)乘用車某款發(fā)動(dòng)機(jī)的兩級(jí)可變排量機(jī)油泵為例進(jìn)行研究。

上汽集團(tuán)乘用車某款發(fā)動(dòng)機(jī)上采用葉片式兩級(jí)可變排量機(jī)油泵，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由泵體、調(diào)節(jié)彈簧、反饋油道1和2、轉(zhuǎn)子、定子及葉片等組成。

某款發(fā)動(dòng)機(jī)兩級(jí)可變排量機(jī)油泵控制原理如圖3和圖4所示。在低轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力隨轉(zhuǎn)速的升高逐步上升，反饋油道1和2 均處于通油狀態(tài)，反饋的油壓不足以推動(dòng)滑塊移動(dòng)，以最大排量工作。發(fā)動(dòng)機(jī)壓力達(dá)到一定數(shù)值，可以推動(dòng)滑塊，油泵排量減小，系統(tǒng)壓力基本上維持平穩(wěn)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高至3 500 r/min時(shí)，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性，系統(tǒng)需要更多的機(jī)油，此時(shí)電磁閥將反饋油道2關(guān)閉，滑塊恢復(fù)到一定位置，排量增加，系統(tǒng)油壓升高，如圖4所示的C點(diǎn)到D點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，系統(tǒng)油壓升高，當(dāng)壓力足夠推動(dòng)滑塊，油泵排量減小，系統(tǒng)壓力趨于平穩(wěn)。

圖3 可變排量機(jī)油控制原理示意圖

圖4 機(jī)油泵高低壓模式切換示意圖

從控制原理中可以得知，該變排量機(jī)油泵在轉(zhuǎn)速3 500 r/min以下采用的是低壓模式，轉(zhuǎn)速大于等于3 500 r/min時(shí)采用的是高壓模式。當(dāng)然，為了防止頻繁切換，轉(zhuǎn)速上升和下降可以設(shè)置轉(zhuǎn)速切換間隔，即轉(zhuǎn)速上升至3 500 r/min時(shí)從低壓模式切換至高壓模式，而轉(zhuǎn)速下降至3 300 r/min時(shí)才從高壓模式切換至低壓模式，這些屬于機(jī)油泵控制策略，不再詳細(xì)展開(kāi)。

3 某款發(fā)動(dòng)機(jī)兩級(jí)可變排量機(jī)油泵試驗(yàn)分析

如圖4所示，兩級(jí)可變排量機(jī)油泵相對(duì)于一級(jí)可變排量泵的主要節(jié)能效果集中在中低速區(qū)域(1 000～3 500 r/min)的典型工況，在中低速時(shí)通過(guò)進(jìn)一步調(diào)節(jié)可變排量機(jī)油泵的排量達(dá)到適時(shí)控制潤(rùn)滑能力，從而進(jìn)一步減少發(fā)動(dòng)機(jī)功率消耗來(lái)達(dá)到節(jié)能目的，節(jié)能區(qū)域?yàn)锽點(diǎn)、C點(diǎn)和D點(diǎn)所包圍的面積。

為了更好地研究該兩級(jí)可變排量機(jī)油泵相對(duì)于一級(jí)可變排量機(jī)油泵的節(jié)能效果，利用兩級(jí)可變排量機(jī)油泵控制是否在中低速段進(jìn)行高低壓切換來(lái)模擬一級(jí)可變排量機(jī)油泵和兩級(jí)可變排量機(jī)油泵，分別通過(guò)摩擦功試驗(yàn)和整機(jī)燃油耗試驗(yàn)得到節(jié)約的機(jī)油油耗情況。

試驗(yàn)用測(cè)功機(jī)型號(hào)為INDY S22-2/0525-1 BS-1，轉(zhuǎn)速精度±1 r/min，扭矩精度小于0.5 N·m，試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)機(jī)油溫控設(shè)備控制主油道機(jī)油溫度為90 ℃±0.5 ℃，冷卻液通過(guò)水溫控制設(shè)備控制出水溫度為90 ℃±2 ℃，試驗(yàn)過(guò)程中控制機(jī)油液位為上刻線，機(jī)油型號(hào)為0W20。

3.1 摩擦功試驗(yàn)

為了保證摩擦功試驗(yàn)更好的開(kāi)展及數(shù)據(jù)的精確性，準(zhǔn)備工作包括：試驗(yàn)前連接燃燒分析儀測(cè)量泵氣損失；去除節(jié)氣門體，保持全開(kāi)狀態(tài)；堵塞曲軸箱部分負(fù)荷管路，將全負(fù)荷管路接通大氣；增壓器廢氣放氣閥使用機(jī)械方式保持全開(kāi)；去除催化包及消聲器，使用直管代替；機(jī)油泵、水泵都處于正常工作。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)? 000 ～6 000 r/min，間隔每500 r/min布置1個(gè)測(cè)量點(diǎn)，分別控制機(jī)油泵在低壓模式和高壓模式條件下，進(jìn)行倒拖測(cè)量缸體主油道機(jī)油壓力、倒拖扭矩(Md)和泵氣損失(PMEP)等，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5和圖6所示。

從圖5可知，在轉(zhuǎn)速1 000～3 500 r/min時(shí)，缸體主油道壓力兩級(jí)可變排量機(jī)油泵遠(yuǎn)低于一級(jí)可變排量機(jī)油泵。當(dāng)轉(zhuǎn)速高于3 500 r/min時(shí)，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性，兩級(jí)可變排量機(jī)油泵強(qiáng)制采用高壓模式，油壓與一級(jí)可變排量機(jī)油泵相等。相對(duì)于一級(jí)可變排量機(jī)油泵，該發(fā)動(dòng)機(jī)的兩級(jí)可變排量機(jī)油泵的有效收益在1 000～3 500 r/min的轉(zhuǎn)速區(qū)間，收益為圖5中B點(diǎn)、C點(diǎn)和D點(diǎn)包圍的面積。因此，在轉(zhuǎn)速1 000～3 500 r/min范圍內(nèi)分析兩級(jí)可變排量機(jī)油泵相對(duì)一級(jí)可變排量機(jī)油泵的收益情況。

圖5 缸體主油道壓力隨轉(zhuǎn)速變化曲線

圖6 整機(jī)倒拖扭矩隨轉(zhuǎn)速變化曲線

發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)倒拖平均有效壓力(MMEP)計(jì)算公式如下

(1)

式中，MMEP為刷拖平均有效壓力(MPa)，Md為倒拖扭矩(N·m)，Vd為發(fā)動(dòng)機(jī)排量(L)，nc為發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)循環(huán)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，對(duì)于四行程的發(fā)動(dòng)機(jī)，nc=2。

倒拖摩擦功(FMEP)計(jì)算公式如下

FMEP=MMEP-PMEP

(2)

因此，轉(zhuǎn)速在1 000～3 500 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)兩級(jí)可變排量機(jī)油泵相比一級(jí)可變排量機(jī)油泵的摩擦有效壓力差值如下：

ΔFMEP=FMEP2-FMEP1

(3)

式中，ΔFMEP為各轉(zhuǎn)速下節(jié)約的摩擦功，F(xiàn)MEP2為兩級(jí)可變排量機(jī)油泵的倒拖摩擦功，F(xiàn)MEP，為定排量機(jī)油泵的倒拖摩擦功。

進(jìn)而得到各轉(zhuǎn)速下節(jié)約的摩擦功(ΔFMEP)和節(jié)約摩擦功的占比(RFMEP)以及轉(zhuǎn)速在1 000～3 500 r/min范圍各參數(shù)的平均值，具體數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1。

表1 摩擦功的相關(guān)參數(shù)

從表1中得知，轉(zhuǎn)速在1 000～3 500 r/min時(shí)兩級(jí)可變排量機(jī)油泵相對(duì)于一級(jí)可變排量機(jī)油泵節(jié)約的平均摩擦功是0. 003 9 MPa。根據(jù)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)研究，內(nèi)燃機(jī)摩擦功每減少10%，大約能節(jié)約1.5%的燃油。因此，兩級(jí)可變排量機(jī)油泵相對(duì)于一級(jí)可變排量機(jī)油泵摩擦功減少8.4%，大約能節(jié)約1.26%的燃油。

3.2 整機(jī)油耗試驗(yàn)

圖7 試驗(yàn)特征工況點(diǎn)分布

為了更加直觀地得到兩級(jí)可變排量機(jī)油泵相對(duì)于一級(jí)可變排量機(jī)油泵的燃油節(jié)約率，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上模擬新歐洲形式循環(huán)(NEDC)工況。在NEDC工況區(qū)域選取16個(gè)特征工況點(diǎn)，詳見(jiàn)圖7所示。通過(guò)機(jī)油壓力的高低壓控制，直接測(cè)量燃油消耗率。

在上述工況中兩級(jí)可變排量機(jī)油泵和一級(jí)可變排量機(jī)油泵的有效燃油消耗率(BSFC)如圖8所示。通過(guò)取平均值得到在NEDC工況中兩級(jí)可變排量機(jī)油泵的平均有效燃油消耗率比一級(jí)可變排量機(jī)油泵下降1.38%，如圖9所示。

圖8 兩種可變排量機(jī)油泵的有效燃油消耗率

圖9 兩種可變排量機(jī)油泵的平均有效燃油消耗率對(duì)比

4 結(jié)論

兩級(jí)變排量機(jī)油泵相對(duì)于一級(jí)變量機(jī)油泵更加節(jié)能，用摩擦功試驗(yàn)和整機(jī)油耗試驗(yàn)兩種試驗(yàn)方法得到油耗節(jié)約分別為1.26%和1.38%。

為了繼續(xù)提高發(fā)動(dòng)機(jī)收益，一方面需要加大對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力需求的研究，另一方面需要將發(fā)動(dòng)機(jī)從兩級(jí)壓力控制模式向MAP圖譜控制模式轉(zhuǎn)變，即連續(xù)可變排量機(jī)油泵，從而進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。