全程可變排量機油泵特性分析及試驗研究

魏毅波 朱文峰

摘 要：汽車發動機全程可變排量機油泵是一種通過比例電磁閥對油泵排量進行可控調節的機油泵。文章著重介紹了葉片式全程可變排量機油泵的工作原理和特性，針對其特性制定相應試驗項目，對其試驗臺架方案進行研究分析。

關鍵詞：全程可變排量;比例電磁閥;試驗臺架

中圖分類號：U467 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）10-172-03

Research on Performance Characteristic and Test Stand?of Full?VariableDisplacement Engine Oil Pump

Wei Yibo，?Zhu Wenfeng

（?Faculty of Mechanical and Energy Engineering， Tongji university，?Shanghai?200092?）

Abstract：?Full?variable displacement engine oil pump is a kind of oil pump which can be controlled by proportional solenoid valve. This paper mainly introduces the working principle and characteristics of the full?variable displacement oil pump. develop test items，research and analysis the test stand?scheme.

Keywords： Full?variable displacement;?Proportional solenoid valve;?Test stand

CLC NO.：?U467 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）10-172-03

前言

發動機機油泵作為傳動燃油發動機潤滑系統的核心部件，在發動機上起到潤滑、冷卻以及為部分控制元件提供動力的作用，長期以來發動機機油泵采用定排量的工作方式，其能耗大工作效率較低。可變排量油泵作為一種可以根據發動機壓力實際需要調節泵供油量和供油壓力的機油泵，最早應用于工程機械、自動變速箱潤滑和液壓驅動等方面^[1]，隨著發動機技術的發展和提高發動機燃油經濟性的需要，可變排量技術逐漸應用到發動機機油泵領域，該技術的應用有利于提高發動機的燃油經濟性。

1 發動機油泵的技術發展研究

1.1 發動機油泵的分類

發動機機油泵根據其結構可以分為齒輪泵、葉片泵和轉子泵。根據其工作特性可以分為定排量油泵、單級變排量機油泵、兩級變排量機油泵以及全程可變排量機油泵。本文主要研究對象為葉片式全程可變排量機油泵。

1.2 變排量油泵技術的發展

發動機機油泵最早采用固定排量方式，為了保證在低速時的供油，機油泵需要設計較大的排量，隨著發動機轉速的升高，機油泵的排量線性增加，遠大于發動機本身的需求，這時候就需要在泵上設置溢流閥卸掉一部分流量，這部分能量白白浪費掉^[2]。為了減少機油泵的能耗，就需要想辦法將發動機的需求與機油泵的輸出進行匹配，從而就產生了變排量油泵的概念。

最初的變排量油泵通過在油泵上增加反饋油路和機械調節機構，實現了單級和二級壓力調節，單級變排量油泵的節油效果不明顯，二級變排量油泵相對于定排量油泵來說可以節省1.5%-2%的油耗。隨著技術的進一步發展，全程可變排量機油泵技術逐步開始應用于發動機技術，其可以節省3%的發動機燃油消耗^[3]。

2 全程可變排量機油泵的工作特性分析

2.1 全程可變排量機油泵的工作原理

以葉片式油泵為例，其排量的計算公式如下：

式中：q為機油泵排量，mL/r;e為定子與轉子的偏心距，mm;w為葉片寬度，mm;t為葉片厚度，mm;N為葉片數量;R為定子半徑，mm。

對于一款確定的機油泵來說，w，t，N，R為固定數值，如果改變偏心距e，就可以改變油泵排量的大小。全程可變排量機油泵屬于主動排量調節方式油泵，其工作原理如圖1所示，ECM根據發動機的實際工況確定發動機此時壓力或者潤滑油量需求，通過PWM（Pulse Width Modulate）信號調節電磁閥的開度大小，從而可以調節給到偏心環的壓力P，隨著來自比例電磁閥的反饋壓力P的變化，偏心環所受的壓力發生變化，產生移動壓縮或者放松彈簧從而達到反饋壓力和彈簧力的平衡，從而起到改變油泵偏心距和油泵排量的作用。

2.2?全程可變排量機油泵的工作特性

全程可變排量機油泵通過PWM信號控制比例電磁閥的開度實現油泵泵油壓力的精確控制，使其工作特性可以和發動機的實際需求接近重合，從而節省了功率消耗，其工作特性曲線如圖2所示。由于其工作負荷的降低，其噪音水平也大大降低，有利于發動機整體噪音水平的控制，也增加了使用壽命。和傳統的機械式油泵比較，全程可變排量機油泵增加了一套比例電磁閥控制系統，需要在發動機設計時進行匹配和標定，同時其制造成本和技術難度相較于傳統機械式油泵有了較大提高。

3 全程可變排量油泵試驗臺架研究

3.1 試驗內容及臺架主要參數確定

全程可變排量機油泵主要測試項目有：吸油特性、轉速特性、壓力特性、高低溫工作特性、全工況特性、電磁閥工作特性、調節壓力特性、壓力調節遲滯特性、壓力脈動特性等項目。

臺架主要參數如下：轉速范圍：0-8000rpm，扭矩范圍0- 10Nm，壓力0-3bar，流量：0-100L/min，溫度范圍-40℃-130℃。

3.2 驅動系統設計

驅動系統的原理圖如圖2所示，驅動系統采用變頻電機系統和高速傳動軸，配合扭矩傳感器和扭矩限制保護器的結構形式。驅動系統要求實現最高轉速8000rpm，可以實現穩定的PID閉環控制，模擬發動機的實際工況。驅動電機通過變頻器對電機進行控制，在驅動軸上串聯高精度的扭矩傳感器，并在扭矩傳感器前串聯機械的扭矩限制保護器，以保護扭矩傳感器的安全工作。

3.3 液壓系統設計

為了能最大限度的模擬機油泵在發動機上的工作狀態，液壓油路系統主要由油箱、循環管路、控制閥、加熱循環系統及流量壓力等傳感器組成。

全程可變排量機油泵在發動機上通過電磁閥控制發動機主油道上的反饋壓力進行機油泵排量的控制，臺架通過液壓油路系統模擬出潤滑系統的機濾流阻和發動機主油道流阻兩個主要的系統流阻，同時又為了能滿足油泵在不同排量時的固定壓力調節，液壓油路的壓力控制就需要開環和閉環控制兩種方式，因此液壓油路中采用直動式比例伺服調節閥進行液壓調節。

3.4 電磁閥PWM控制方式研究

全程可變排量機油泵是通過一個比例電磁閥實現對發動機主油道反饋壓力進行調節，從而實現機油泵排量的全程可控調節。比例電磁閥的控制可以通過改變加載在電磁閥上的電流實現，但常規持續加載電流會造成電磁閥發熱大功耗大，通過PWM的控制方式控制電路產生一定頻率的PWM信號，在不改變頻率的基礎上調節輸出占空比，通過放大器加載到電磁閥線圈上，從而模擬發動機的控制方式實現試驗過程中電磁閥的比例調節。

3.5 控制系統研究

控制和數據采集系統采用基于NI PXI系統進行搭建，通過PXI的控制板卡對臺架的驅動系統、液壓控制閥、PWM模塊、溫度控制、安全報警監控等進行控制，對轉速、扭矩、壓力、流量、溫度等傳感器的參數進行采集處理，軟件基于NI?labview進行開發，控制架構如圖3所示。

4 結論

通過對全程可變排量機油泵的工作原理及工作特性分析，結合其特性確定了該類型機油泵的試驗項目，并設計了試驗臺架的框架，針對各關鍵系統分別進行分析研究，為全程可變排機油泵的研發和驗證提供了參考依據。

參考文獻

[1] 南江，劉曉東，倪計民.發動機可變排量機油泵技術研究最新進展[C].中國內燃機學會第八屆學術年會論文集.2010：622-624.

[2] 李鏘，南江，倪計民等.葉片式可變排量機油泵技術進展與產業現狀[J].上海汽車.2016，6：51-55.

[3] 肖周志，鄧國峰.內燃機節能減排中的變排量技術[J].內燃機與配件.2012，2：9-15.