全程可变排量机油泵特性分析及试验研究

魏毅波 朱文峰

摘 要：汽车发动机全程可变排量机油泵是一种通过比例电磁阀对油泵排量进行可控调节的机油泵。文章着重介绍了叶片式全程可变排量机油泵的工作原理和特性，针对其特性制定相应试验项目，对其试验台架方案进行研究分析。

关键词：全程可变排量;比例电磁阀;试验台架

中图分类号：U467  文献标识码：B  文章编号：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

发动机机油泵作为传动燃油发动机润滑系统的核心部件，在发动机上起到润滑、冷却以及为部分控制元件提供动力的作用，长期以来发动机机油泵采用定排量的工作方式，其能耗大工作效率较低。可变排量油泵作为一种可以根据发动机压力实际需要调节泵供油量和供油压力的机油泵，最早应用于工程机械、自动变速箱润滑和液压驱动等方面^[1]，随着发动机技术的发展和提高发动机燃油经济性的需要，可变排量技术逐渐应用到发动机机油泵领域，该技术的应用有利于提高发动机的燃油经济性。

1 发动机油泵的技术发展研究

1.1 发动机油泵的分类

发动机机油泵根据其结构可以分为齿轮泵、叶片泵和转子泵。根据其工作特性可以分为定排量油泵、单级变排量机油泵、两级变排量机油泵以及全程可变排量机油泵。本文主要研究对象为叶片式全程可变排量机油泵。

1.2 变排量油泵技术的发展

发动机机油泵最早采用固定排量方式，为了保证在低速时的供油，机油泵需要设计较大的排量，随着发动机转速的升高，机油泵的排量线性增加，远大于发动机本身的需求，这时候就需要在泵上设置溢流阀卸掉一部分流量，这部分能量白白浪费掉^[2]。为了减少机油泵的能耗，就需要想办法将发动机的需求与机油泵的输出进行匹配，从而就产生了变排量油泵的概念。

最初的变排量油泵通过在油泵上增加反馈油路和机械调节机构，實现了单级和二级压力调节，单级变排量油泵的节油效果不明显，二级变排量油泵相对于定排量油泵来说可以节省1.5%-2%的油耗。随着技术的进一步发展，全程可变排量机油泵技术逐步开始应用于发动机技术，其可以节省3%的发动机燃油消耗^[3]。

2 全程可变排量机油泵的工作特性分析

2.1 全程可变排量机油泵的工作原理

以叶片式油泵为例，其排量的计算公式如下：

式中：q为机油泵排量，mL/r;e为定子与转子的偏心距，mm;w为叶片宽度，mm;t为叶片厚度，mm;N为叶片数量;R为定子半径，mm。

对于一款确定的机油泵来说，w，t，N，R为固定数值，如果改变偏心距e，就可以改变油泵排量的大小。全程可变排量机油泵属于主动排量调节方式油泵，其工作原理如图1所示，ECM根据发动机的实际工况确定发动机此时压力或者润滑油量需求，通过PWM（Pulse Width Modulate）信号调节电磁阀的开度大小，从而可以调节给到偏心环的压力P，随着来自比例电磁阀的反馈压力P的变化，偏心环所受的压力发生变化，产生移动压缩或者放松弹簧从而达到反馈压力和弹簧力的平衡，从而起到改变油泵偏心距和油泵排量的作用。

2.2 全程可变排量机油泵的工作特性

全程可变排量机油泵通过PWM信号控制比例电磁阀的开度实现油泵泵油压力的精确控制，使其工作特性可以和发动机的实际需求接近重合，从而节省了功率消耗，其工作特性曲线如图2所示。由于其工作负荷的降低，其噪音水平也大大降低，有利于发动机整体噪音水平的控制，也增加了使用寿命。和传统的机械式油泵比较，全程可变排量机油泵增加了一套比例电磁阀控制系统，需要在发动机设计时进行匹配和标定，同时其制造成本和技术难度相较于传统机械式油泵有了较大提高。

3 全程可变排量油泵试验台架研究

3.1 试验内容及台架主要参数确定

全程可变排量机油泵主要测试项目有：吸油特性、转速特性、压力特性、高低温工作特性、全工况特性、电磁阀工作特性、调节压力特性、压力调节迟滞特性、压力脉动特性等项目。

台架主要参数如下：转速范围：0-8000rpm，扭矩范围0- 10Nm，压力0-3bar，流量：0-100L/min，温度范围-40℃-130℃。

3.2 驱动系统设计

驱动系统的原理图如图2所示，驱动系统采用变频电机系统和高速传动轴，配合扭矩传感器和扭矩限制保护器的结构形式。驱动系统要求实现最高转速8000rpm，可以实现稳定的PID闭环控制，模拟发动机的实际工况。驱动电机通过变频器对电机进行控制，在驱动轴上串联高精度的扭矩传感器，并在扭矩传感器前串联机械的扭矩限制保护器，以保护扭矩传感器的安全工作。

3.3 液压系统设计

为了能最大限度的模拟机油泵在发动机上的工作状态，液压油路系统主要由油箱、循环管路、控制阀、加热循环系统及流量压力等传感器组成。

全程可变排量机油泵在发动机上通过电磁阀控制发动机主油道上的反馈压力进行机油泵排量的控制，台架通过液压油路系统模拟出润滑系统的机滤流阻和发动机主油道流阻两个主要的系统流阻，同时又为了能满足油泵在不同排量时的固定压力调节，液压油路的压力控制就需要开环和闭环控制两种方式，因此液压油路中采用直动式比例伺服调节阀进行液压调节。

3.4 电磁阀PWM控制方式研究

全程可变排量机油泵是通过一个比例电磁阀实现对发动机主油道反馈压力进行调节，从而实现机油泵排量的全程可控调节。比例电磁阀的控制可以通过改变加载在电磁阀上的电流实现，但常规持续加载电流会造成电磁阀发热大功耗大，通过PWM的控制方式控制电路产生一定频率的PWM信号，在不改变频率的基础上调节输出占空比，通过放大器加载到电磁阀线圈上，从而模拟发动机的控制方式实现试验过程中电磁阀的比例调节。

3.5 控制系统研究

控制和数据采集系统采用基于NI PXI系统进行搭建，通过PXI的控制板卡对台架的驱动系统、液压控制阀、PWM模块、温度控制、安全报警监控等进行控制，对转速、扭矩、压力、流量、温度等传感器的参数进行采集处理，软件基于NI labview进行开发，控制架构如图3所示。

4 结论

通过对全程可变排量机油泵的工作原理及工作特性分析，结合其特性确定了该类型机油泵的试验项目，并设计了试验台架的框架，针对各关键系统分别进行分析研究，为全程可变排机油泵的研发和验证提供了参考依据。

参考文献

[1] 南江，刘晓东，倪计民.发动机可变排量机油泵技术研究最新进展[C].中国内燃机学会第八届学术年会论文集.2010：622-624.

[2] 李锵，南江，倪计民等.叶片式可变排量机油泵技术进展与产业现状[J].上海汽车.2016，6：51-55.

[3] 肖周志，鄧国峰.内燃机节能减排中的变排量技术[J].内燃机与配件.2012，2：9-15.