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(fā)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(jìn)行可控調(diào)節(jié)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(yīng)試驗項目，對其試驗臺架方案進(jìn)行研究分析。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)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(fā)動機機油泵作為傳動燃油發(fā)動機潤滑系統(tǒng)的核心部件，在發(fā)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(fā)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?？勺兣帕坑捅米鳛橐环N可以根據(jù)發(fā)動機壓力實際需要調(diào)節(jié)泵供油量和供油壓力的機油泵，最早應(yīng)用于工程機械、自動變速箱潤滑和液壓驅(qū)動等方面^[1]，隨著發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展和提高發(fā)動機燃油經(jīng)濟性的需要，可變排量技術(shù)逐漸應(yīng)用到發(fā)動機機油泵領(lǐng)域，該技術(shù)的應(yīng)用有利于提高發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性。

1 發(fā)動機油泵的技術(shù)發(fā)展研究

1.1 發(fā)動機油泵的分類

發(fā)動機機油泵根據(jù)其結(jié)構(gòu)可以分為齒輪泵、葉片泵和轉(zhuǎn)子泵。根據(jù)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(shù)的發(fā)展

發(fā)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(shè)計較大的排量，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的升高，機油泵的排量線性增加，遠(yuǎn)大于發(fā)動機本身的需求，這時候就需要在泵上設(shè)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(fā)動機的需求與機油泵的輸出進(jìn)行匹配，從而就產(chǎn)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(diào)節(jié)機構(gòu)，實現(xiàn)了單級和二級壓力調(diào)節(jié)，單級變排量油泵的節(jié)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(jié)省1.5%-2%的油耗。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，全程可變排量機油泵技術(shù)逐步開始應(yīng)用于發(fā)動機技術(shù)，其可以節(jié)省3%的發(fā)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(zhuǎn)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(shù)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(shù)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(diào)節(jié)方式油泵，其工作原理如圖1所示，ECM根據(jù)發(fā)動機的實際工況確定發(fā)動機此時壓力或者潤滑油量需求，通過PWM（Pulse Width Modulate）信號調(diào)節(jié)電磁閥的開度大小，從而可以調(diào)節(jié)給到偏心環(huán)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(huán)所受的壓力發(fā)生變化，產(chǎn)生移動壓縮或者放松彈簧從而達(dá)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(xiàn)油泵泵油壓力的精確控制，使其工作特性可以和發(fā)動機的實際需求接近重合，從而節(jié)省了功率消耗，其工作特性曲線如圖2所示。由于其工作負(fù)荷的降低，其噪音水平也大大降低，有利于發(fā)動機整體噪音水平的控制，也增加了使用壽命。和傳統(tǒng)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(tǒng)，需要在發(fā)動機設(shè)計時進(jìn)行匹配和標(biāo)定，同時其制造成本和技術(shù)難度相較于傳統(tǒng)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(nèi)容及臺架主要參數(shù)確定

全程可變排量機油泵主要測試項目有：吸油特性、轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)壓力特性、壓力調(diào)節(jié)遲滯特性、壓力脈動特性等項目。

臺架主要參數(shù)如下：轉(zhuǎn)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(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

驅(qū)動系統(tǒng)的原理圖如圖2所示，驅(qū)動系統(tǒng)采用變頻電機系統(tǒng)和高速傳動軸，配合扭矩傳感器和扭矩限制保護(hù)器的結(jié)構(gòu)形式。驅(qū)動系統(tǒng)要求實現(xiàn)最高轉(zhuǎn)速8000rpm，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的PID閉環(huán)控制，模擬發(fā)動機的實際工況。驅(qū)動電機通過變頻器對電機進(jìn)行控制，在驅(qū)動軸上串聯(lián)高精度的扭矩傳感器，并在扭矩傳感器前串聯(lián)機械的扭矩限制保護(hù)器，以保護(hù)扭矩傳感器的安全工作。

3.3 液壓系統(tǒng)設(shè)計

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

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

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(xiàn)對發(fā)動機主油道反饋壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)機油泵排量的全程可控調(diào)節(jié)。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(xiàn)，但常規(guī)持續(xù)加載電流會造成電磁閥發(fā)熱大功耗大，通過PWM的控制方式控制電路產(chǎn)生一定頻率的PWM信號，在不改變頻率的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)輸出占空比，通過放大器加載到電磁閥線圈上，從而模擬發(fā)動機的控制方式實現(xiàn)試驗過程中電磁閥的比例調(diào)節(jié)。

3.5 控制系統(tǒng)研究

控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用基于NI PXI系統(tǒng)進(jìn)行搭建，通過PXI的控制板卡對臺架的驅(qū)動系統(tǒng)、液壓控制閥、PWM模塊、溫度控制、安全報警監(jiān)控等進(jìn)行控制，對轉(zhuǎn)速、扭矩、壓力、流量、溫度等傳感器的參數(shù)進(jìn)行采集處理，軟件基于NI?labview進(jìn)行開發(fā)，控制架構(gòu)如圖3所示。

4 結(jié)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(jié)合其特性確定了該類型機油泵的試驗項目，并設(shè)計了試驗臺架的框架，針對各關(guān)鍵系統(tǒng)分別進(jìn)行分析研究，為全程可變排機油泵的研發(fā)和驗證提供了參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 南江，劉曉東，倪計民.發(fā)動機可變排量機油泵技術(shù)研究最新進(jìn)展[C].中國內(nèi)燃機學(xué)會第八屆學(xué)術(shù)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(shù)進(jìn)展與產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀[J].上海汽車.2016，6：51-55.

[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.2012，2：9-15.