两级变量齿轮机油泵的试验研究

王文杰　马　玺　胡广进　袁军亮　贺　礼　张士伟（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

两级变量齿轮机油泵的试验研究

王文杰1，2马玺1，2胡广进1，2袁军亮1，2贺礼1，2张士伟1，2
（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

介绍了MAP阀控制的两级变量齿轮机油泵的工作原理，对国外某变量齿轮机油泵及定量泵进行了试验研究，并对试验结果进行了分析与对比。结果表明：变量机油泵相比定排量机油泵，能节省循环供油量30%～60%；MAP阀控制的变排量齿轮泵可以根据发动机工况精确地控制机油泵的流量，实现按需供油，有效地降低机油泵的驱动功，能节省功率消耗30%～80%，从而实现发动机燃油耗的降低；变量齿轮机油泵存在高速时吸油能力大幅度降低，容积效率较差等缺点。

变量齿轮泵MAP阀节能减排试验

引言

随着国际排放法规的日益严格，汽车节能已经成为发动机和汽车行业的头等重要任务［1］。传统定排量机油泵以发动机热怠速时的机油需求量为设计依据，由于机油泵供油流量随转速变化几乎呈线性增加，高速时输出油量过多，需采用机油泄压阀旁通掉多余的机油，不仅浪费机油量，且浪费了一部分机油泵耗功，而且损失了驱动这部分机油所需的功［2］。

要减少机油泵的功率消耗，需要使机油泵的供油量与发动机的实际机油需求量进行匹配。变量机油泵比通常批量生产的旁通阀调节的机油泵具有更好的润滑和散热效果，同时又具有相当可观的节油潜力。

1　变量齿轮机油泵发展现状

研究变量齿轮机油泵的代表性公司包括SHW（德国）、PIERBURG（德国），它通过改变齿轮的啮合长度来实现排量可变，其中电控可变排量齿轮泵在大众、宝马、标致等知名汽车品牌上都已有批量应用［3］。而MAP控制使内燃机润滑系统更加智能化，它将使以机油为介质的零部件如VVT、活塞冷却喷嘴、链条张紧器等发挥最佳功能，是未来进行高效发动机开发的必然选择。

目前我国可变排量机油泵技术已经起步，国内多家自主品牌在其发动机主导机型上已全部开始了可变排量机油泵的应用开发。变排量齿轮机油泵分为两级压力变量、多级压力变量和无级压力变量。多级压力和无级压力变量泵结构相对复杂，花费的成本较高，而两级压力变量泵的成本费用与其所能获得的节油效果相比处于可接受的水平，是众多企业进行高效发动机开发的最多选择。本文选取国外某两级压力变量齿轮机油泵为对象，对其压力分级调节、节油效果进行了试验研究。

2　试验对象选取

本实验选取的机油泵具有以下设计参数：

结构型式：齿轮轴向移动的外啮合齿轮式机油泵。

调节方式：通过一台两级电动液压调节单元（MAP阀）实现的压力分级调节，调节的两级压力为0.18 MPa和0.32 MPa。

驱动传动比：z1/z2=0.83（z1为机油泵链轮齿数，z2为曲轴链轮齿数）。

机油泵搭载在1 395 mL的增压直喷汽油机上，本试验发动机相关参数见表1。

表1　发动机相关参数

3　MAP阀控制两级变量机油泵工作原理

图1为两级变量外啮合齿轮泵的内部结构图，其被动齿轮可轴向移动。根据发动机负荷、转速、机油温度和其他工作参数，发动机控制单元调节机油泵压力。通过被动齿轮轴向位置的变化，可以控制机油的输出流量和压力。

图1　机油泵内部结构图

汽车发动机对机油泵理想的要求是：在低转速下，机油泵满足最低供油量；而在高转速时，保证最小油压［4］。MAP控制阀负责向机油泵的调节活塞提供油压。在发动机低转速范围内，连接在供电电源的MAP控制阀通过ECU接地，这将使机油泵切换至低压力设定。在发动机高转速范围或者发动机高负荷（全负荷—加速）时，MAP控制阀通过ECU不接地断开，这将使机油泵切换至高油泵压力设定，实现机油压力按需调节。

4　试验研究

4.1发动机台架试验

图2为发动机搭载变排量机油泵，在整机台架试验上所得的发动机在不同工况下的主油道压力MAP图。由图2可知，在转速低于3 500 r/min（低转速范围），负荷低于1.1 MPa时，机油压力维持在0.18 MPa左右；在转速高于2 200 r/min负荷大于1.1 MPa和4 000 r/min以上的工况，主油道压力维持在0.30～0.32 MPa；其余发动机工况下，为机油泵过渡区域。

图2　不同工况下的主油道压力（变排量）

图3为断开MAP阀线束，将机油泵作为定排量机油泵后，在整机台架试验所得的发动机不同工况下的主油道压力。与变量机油泵测试结果对比发现主油道油压不再固定在两个油压值，而是随着车辆工况变化而变化，最小压力值为0.13 MPa，最大压力值为0.32 MPa。结果说明该定排量机油泵能够使发动机主油道油压稳定在0.18 MPa和0.32 MPa两个压力值，满足其设定压力。

图3　不同工况下的主油道压力（定排量）

4.2机油泵性能台架试验

出口压力设定180 kPa、320 kPa，发动机转速选取540 r/min、1 000 r/min、1 450 r/min、2 070 r/min、2 900 r/min、3 730 r/min、4 140 r/min、4 560 r/min、4 970 r/min、5 470 r/min，油温设定85℃做转速试验。分别对机油泵MAP控制阀线束接通（变排量）与断开（定排量）两种情况进行试验。

本文选取320 kPa压力下试验数据进行分析（如表2所示）。

表2　试验数据

从图4可以看出断开MAP控制阀线束后，机油泵成为一个定量机油泵，流量随转速的升高呈线性增长，符合定量机油泵流量随转速的变化关系曲线；将MAP阀线束接通，从怠速开始，随着转速的增加，机油泵流量与转速呈正比增大，当转速超过约2 200 r/min时，由于MAP阀控制，机油泵开始按需供油，大大减少了供油流量。如变量机油泵在泵转速3 730 r/min时，可减少循环供油Q≈42.8-23.7= 19.1 L/min。

图4　流量对比

从图5可以看出，MAP阀根据发动机工况精确地控制机油泵供油量，转速越高，节省的供油量越多，相比定排量机油泵，节省机油供油量30%～60%。

图5　节省供油量

图6为机油泵MAP控制阀线束接通与断开两种状态下机油泵的机械功率对比图。变量机油泵在泵转速3 730 r/min时，减小功率消耗P≈0.35-0.17= 0.18 kW；从图7看出可以看出随着转速越高，节省的功率消耗越大，变排量机油泵能够降低功率消耗30%～80%。该变量齿轮机油泵的节能环保效果是显而易见的。

图6　机械功率对比

图7　节省功率消耗

在实际设计中，除要保证供油量（流量）外，容积效率需作重点考虑，容积效率越高说明机油泵性能越稳定［5］。

对于外啮合齿轮泵，理论流量的近似公式为：

式（1）中，m——齿轮模数，mm；

z——齿轮齿数；

b——齿轮宽度，mm；

n——齿轮转速，r/min。

齿轮泵的容积效率为：

式（2）中，η为齿轮泵的容积效率，Q实际为齿轮泵的实际流量。

本试验中机油泵参数为：

齿数z=10，齿轮宽度b=26 mm，齿轮模数m= 3 mm。

经计算得出该机油样泵的容积效率，如图8所示。

图8为变量机油泵与定量机油泵容积效率对比图。为减少发动机的功率消耗，要求机油泵的总效率达到最佳值，为此必须尽可能提高机油泵的容积效率［6］。但从图8可以看出，变量齿轮机油泵存在高速时齿轮泵因离心力的作用，吸油能力大幅度降低，容积效率较差、机械效率低等缺点。

图8　容积效率图

5　结论

1）该两级变量齿轮泵，能根据发动机工况将主油道油压控制在0.18 MPa和0.32 MPa；

2）变量机油泵相比定排量机油泵，能节省循环供油量30%～60%；

3）MAP电磁阀控制的变排量齿轮泵可以根据发动机工况精确地控制机油泵的流量，实现按需供油，有效地降低机油泵的驱动功，节省功率消耗30%～80%，从而实现发动机燃油耗的降低；

4）变排量齿轮泵在高转速时吸油能力大幅度降低，高速容积效率较差。

1童宝宏，桂长林，赵小勇，等.发动机润滑系统的研究与进展［J］.车用发动机，2007（02）:5-8，17

2钱人一.利用调节式机油泵节省燃油（上）［J］.汽车与配件，2008（31）：38-39

3肖周志，邓国峰.内燃机节能减排中的变排量技术［J］.内燃机与配件，2012（06）：9-13

4冉丽红.变量机油泵的设计与试验研究［J］.汽车实用技术，2010（01）:45-49

5马富银，黄新良，吴伟蔚，等.齿轮机油泵性能测试试验方案设计［J］.噪声与振动控制，2012（03）：212-216

6屈盛官，孙自树.外啮合直齿轮机油泵容积效率的研究［J］.车用发动机，2001，13（4）：18-21

The Experimental Study on the Variable Gear Oil Pump

Wang Wenjie1，2，Ma Xi1，2，Hu Guangjin1，2，Yuan Junliang1，2，He Li1，2，Zhang Shiwei1，2
1-Technique Center of Great Wall Motor Company Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2-Research Center of Auto Technology Engineering of Hebei Provence

How the two-stage variable gear oil pump controlled by MAP valve works was described in this article.One foreign variable oil pump was experimented and studied，the test results compared to the quantitative gear pump are analyzed.The results illustrate that:variable oil pump compared to quantitative oil pump，could save oil by about 30%～60%；The variable gear pump controlled by MAP valve can accurately control oil pump flow according to engine operating conditions，it is based on the requirement flow of the engine，can effectively reduce the oil pump drive power by about 30%to 80%，thereby achieving reduction in fuel consumption of engine.The shortcoming of variable gear oil pump was a significant reduction of oil-absorbing capability under the high engine speed，and poor volumetric efficiency.

Variable gear pump，MAP valve，Energy conservation and emission reduction，Test

TK427

A

2095-8234（2015）04-0032-04

2015-04-07）

王文杰（1987－），女，大专，主要研究方向为发动机冷却润滑技术。