魏彪，許仲秋，劉光明，佘笑梅

(湖南機油泵股份有限公司， 湖南衡東 421400)

0 引言

隨著我國重型商用車第三階段燃料消耗量限值規(guī)定“2020年在2015年基礎(chǔ)上燃料消耗量限值加嚴約15%”[1]，商用車面臨嚴峻的油耗和排放法規(guī)升級壓力，節(jié)能減排已成為行業(yè)發(fā)展的重點。根據(jù)國外試驗結(jié)果，商用車應(yīng)用可變排量機油泵可以實現(xiàn)油耗降低0.3%～0.5%，并且有進一步降低油耗的潛力[2]，對于長期處于高速的商用車，采用變排量機油泵最多能降低3%的燃油消耗[3]。

商用車采用變排量泵技術(shù)順應(yīng)節(jié)能減排宗旨，未來取代傳統(tǒng)定量泵已成為國內(nèi)外共識。美國Paccar公司最新一代采用變排量機油泵的MX11L和MX13L商用車發(fā)動機已實現(xiàn)量產(chǎn)并取得了很好的節(jié)能效果[4]。預計最遲到2022年，國外主流商用車均會推出采用變排量機油泵的量產(chǎn)車型。國內(nèi)各大主機廠也正積極開展相關(guān)研發(fā)工作。

1 商用車變排量泵的技術(shù)難點

相比于乘用車，商用車發(fā)動機具有低轉(zhuǎn)速范圍、大排量、高可靠性、大負載、強震動等特征，因此商用車變排量泵的開發(fā)存在以下技術(shù)難點：

(1)系統(tǒng)的變量匹配

商用車工況復雜，負載變化大，車型多，排量跨度從3～15 L不等，一、二級變排量控制策略單一，只試用于長期在中高轉(zhuǎn)速運行的情況，調(diào)節(jié)能力有限，對于普通定量泵而言并無明顯節(jié)能優(yōu)勢。且商用車發(fā)動機正常工作轉(zhuǎn)速范圍一般在600～1 800 r/min，轉(zhuǎn)速變化范圍窄，對于變排量控制精度要求更高。因此，需調(diào)整潤滑系統(tǒng)控制策略，匹配不同工況流量需求，實時精準按需供油，才能有效達到節(jié)能效果。

(2)變量機構(gòu)的高可靠性

根據(jù)商用車工況、負載、壽命等特殊性，要保證變量機構(gòu)長期在復雜工況下穩(wěn)定運行，一是提升各運動副在極限情況的強度及抗卡滯能力;二是優(yōu)化總成結(jié)構(gòu)設(shè)計，使零件承載均勻，避免應(yīng)力集中;三是重要運動副采用低摩擦技術(shù)，減少異常磨損并降低摩擦功耗。

2 商用車變排量機油泵技術(shù)發(fā)展路徑

2.1 連續(xù)可變排量控制

圖1為連續(xù)可變排量機油泵控制結(jié)構(gòu)圖，ECU對各傳感器反饋信號進行數(shù)據(jù)處理并結(jié)合一系列控制算法，利用控制器輸出能夠達到目標壓力的占空比給24 V比例電磁閥，從而控制充入機油泵反饋油腔的壓力大小，改變內(nèi)部變量機構(gòu)行程進而改變排量。

圖1 可變排量機油泵控制結(jié)構(gòu)圖

由于加工、制造、裝配、磨損等綜合原因，實際油壓表現(xiàn)與目標壓力有細微偏差，因此需要采用開環(huán)預控結(jié)合實際壓力反饋信息的閉環(huán)PI控制以保證系統(tǒng)時刻達到目標壓力值，實現(xiàn)全可變排量控制。

2.2 滑動式葉片泵結(jié)構(gòu)

變排量泵多為葉片泵，其他類型如齒輪式及轉(zhuǎn)子式變排量泵在結(jié)構(gòu)可靠性、節(jié)能潛力、成本等方面存在不足，很少采用。圖2所示的滑動式與擺動式為葉片泵兩種常見結(jié)構(gòu)，滑動式葉片泵滑塊通過沿偏心方向移動改變偏心，擺動式葉片泵滑塊通過繞旋轉(zhuǎn)銷的轉(zhuǎn)動改變偏心。表1列出了兩種結(jié)構(gòu)形式特點。

圖2 葉片泵的典型結(jié)構(gòu)

表1 滑動式與擺動式葉片泵對比

通過對比可知，滑動式葉片泵更適合商用車工況需求。在滑塊可移動最大位移方面略有不足，但相差不大，且目前24 V比例電磁閥的控制精度已能夠彌補滑塊移動距離短的問題。

2.3 燒結(jié)硬化粉末冶金滑塊

葉片泵滑塊內(nèi)孔與葉片圓弧面之間長期重載高速接觸摩擦，對于強度及耐磨性有較高要求。燒結(jié)硬化粉末冶金材料淬透性高，加速冷卻時形成的馬氏體體積分數(shù)大于80%，可生產(chǎn)硬度高耐磨性好的粉末冶金件，適用于商用車滑塊。表2為鐵碳銅合金與燒結(jié)硬化合金機械性能，由表2可知，燒結(jié)硬化合金比常用的鐵碳銅合金在機械性能、密度方面，均有明顯提升。

表2 鐵碳銅合金與燒結(jié)硬化合金機械性能

2.4 葉片圓弧面DLC涂層

DLC涂層技術(shù)目前在活塞銷、挺桿、活塞環(huán)上應(yīng)用較多，具有較高的硬度和自潤滑能力，主要目的是為了減少摩擦，增強耐磨。該涂層采用物理氣象沉積+等離子增強化學氣象沉積工藝,厚度可控制在2～4 μm，能夠承受350～400 ℃高溫，與基體的黏附力超過25 N，使葉片與滑塊內(nèi)孔接觸的圓弧面硬度提高到2 000 HV，滿足可靠性需求。對比aCH與taC兩種DLC涂層材料的葉片圓弧面與鐵基體的摩擦因數(shù)變化曲線(圖3)，Rz=2 μm且在潤滑條件(SAE 0W30 Oil)下,摩擦因數(shù)明顯下降，在滑移速度2.6 m/s時，摩擦因數(shù)由未加涂層的0.104下降至0.07，耐磨損特性明顯增強。

圖3 增加DLC涂層的摩擦因數(shù)變化(Rz=2 μm)

3 商用車變排量機油泵可靠性試驗

在油泵轉(zhuǎn)速5 200 r/min和泵出口壓力1 MPa的超速過載條件下，不考慮變量及安全閥開啟，對采用以上方案的某變排量泵進行500 h耐久試驗分析。由表3可知，葉片未采用涂層處理且應(yīng)用普通鐵碳銅合金的滑塊，經(jīng)過耐久試驗，葉片圓弧面出現(xiàn)明顯磨損凹痕，滑塊內(nèi)孔表明呈波紋狀變形;而新方案的葉片及滑塊內(nèi)孔，表面光亮，未見明顯磨損痕跡。如圖4所示，通過三坐標儀對試驗前后滑塊內(nèi)孔3個截面進行掃描分析，其最大磨損量不超過0.013 mm。采用新方案的變排量機油泵在可靠性方面取得較大改善。

表3 兩種方案耐久試驗后的磨損情況對比

圖4 耐久試驗后的滑塊內(nèi)孔磨損量檢測

4 結(jié)論

(1)商用車采用連續(xù)可變排量機油泵控制方式能夠根據(jù)實際工況和環(huán)境進行預判，但需要與發(fā)動機運行工況、潤滑系統(tǒng)零部件需求等進行匹配，關(guān)鍵點在于確定發(fā)動機精確的潤滑流量需求。因此最終節(jié)能效果需通過搭載發(fā)動機進行標定測試后綜合評定。尤其在系統(tǒng)控制穩(wěn)定性、魯棒性、系統(tǒng)故障診斷方面還需要不斷完善。

(2)耐久試驗結(jié)果表明，采用燒結(jié)硬化粉末冶金滑塊及葉片圓弧面DLC涂層后，變排量機油泵抗磨損能力得到提升，適用于商用車工況要求。后續(xù)將進行電磁閥與油泵組合，并在變轉(zhuǎn)速工況下驗證電磁閥調(diào)節(jié)的可靠性與穩(wěn)定性。