◆文/范明強(qiáng)

可調(diào)式機(jī)油泵及其節(jié)油潛力(一)

◆文/范明強(qiáng)

汽車發(fā)動機(jī)在批量生產(chǎn)中，通常應(yīng)用由普通旁通閥調(diào)節(jié)機(jī)油壓力的機(jī)油泵，但是在生產(chǎn)成本增加不多的情況下，應(yīng)用體積流量可調(diào)節(jié)的機(jī)油泵最多可節(jié)油3%。這種可調(diào)式機(jī)油泵在轎車發(fā)動機(jī)上已獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，并已逐步推廣應(yīng)用到商用車發(fā)動機(jī)上。本文簡要介紹轎車和商用車應(yīng)用的新型可調(diào)式機(jī)油泵的基本工作原理，以便使汽車維修行業(yè)人員能從中了解這些新型可調(diào)式機(jī)油泵的使用及其維修方法。

一、機(jī)油泵的基本要求

汽車機(jī)油泵供油量的設(shè)計取決于發(fā)動機(jī)對潤滑油量和壓力的需求，而通常具有重要意義的是在140℃機(jī)油溫度下的熱機(jī)怠速運轉(zhuǎn)。此時，為了安全運轉(zhuǎn)所需的機(jī)油供應(yīng)，必須確保最低的機(jī)油壓力大約為0.1MPa，并隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，機(jī)油壓力必須相應(yīng)提高，以便克服曲軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使機(jī)油順暢地流動，特別是需要由機(jī)油壓力所決定的發(fā)動機(jī)機(jī)油流量帶走曲軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的軸承摩擦熱量。

典型的發(fā)動機(jī)機(jī)型對機(jī)油壓力的要求，一般在怠速運轉(zhuǎn)時為0.1MPa，并隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高線性地升高到6000r/min時的0.45MPa。

機(jī)油泵的泵油量隨其轉(zhuǎn)速按比例增加。然而與此相反，發(fā)動機(jī)的機(jī)油流量則取決于幾乎與轉(zhuǎn)速無關(guān)的發(fā)動機(jī)中的流動阻力，并與機(jī)油壓力成正比，而且還與運轉(zhuǎn)溫度有關(guān)，因為機(jī)油黏度和軸承間隙都與溫度有關(guān)。

在發(fā)動機(jī)的許多運行區(qū)域內(nèi)，機(jī)油泵的泵油量與發(fā)動機(jī)需求的機(jī)油流量之間存在著較大的差異，特別是在運行溫度較低的運行工況下。因此，按需要設(shè)計的可調(diào)節(jié)式機(jī)油泵就能比通常批量生產(chǎn)的旁通閥調(diào)節(jié)的機(jī)油泵具有更好的潤滑和散熱效果，同時又具有相當(dāng)可觀的節(jié)油潛力。

壓力和體積流量可調(diào)節(jié)的機(jī)油泵被統(tǒng)稱為“可調(diào)式機(jī)油泵”。就傳統(tǒng)的機(jī)油泵而言，其體積流量和壓力取決于轉(zhuǎn)速。壓力可調(diào)式機(jī)油泵僅通過一個調(diào)壓閥來限制其最大壓力，它是將多余的體積流量通過一個旁通道直接排入油底殼來實現(xiàn)的；而體積流量可調(diào)式機(jī)油泵，則是按照需求來產(chǎn)生壓力和體積流量的，從而將為此所必需的傳動功率降低到最低程度。

體積流量可調(diào)式機(jī)油泵可按其調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)方式和調(diào)節(jié)策略來區(qū)分。目前，可調(diào)式機(jī)油泵主要采用外齒輪泵、葉片泵和擺片滑閥式泵等結(jié)構(gòu)型式。本文分別介紹轎車用的可調(diào)擺片滑閥式機(jī)油泵和商用車用的雙聯(lián)外齒輪可調(diào)式機(jī)油泵。

二、機(jī)油泵的節(jié)油潛力

1.旁通閥式機(jī)油泵的機(jī)油流量和壓力

圖1示出了典型發(fā)動機(jī)機(jī)型的機(jī)油流量特性，代表了傳統(tǒng)旁通閥調(diào)節(jié)式機(jī)油泵的機(jī)油供應(yīng)狀況。從熱機(jī)怠速運轉(zhuǎn)工況(怠速轉(zhuǎn)速600r/ min，機(jī)油溫度140℃，機(jī)油壓力0.1MPa)起，隨著轉(zhuǎn)速的升高，機(jī)油泵的泵油量增加，機(jī)油壓力先成比例地提高。在機(jī)油溫度為140℃情況下，到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速升高至2700r/min機(jī)油泵的泵油量增加到54L/min時就達(dá)到旁通閥的調(diào)節(jié)壓力0.45MPa。此時，當(dāng)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高時，發(fā)動機(jī)機(jī)油流量因受到機(jī)油壓力的限制而保持在54L/min恒定不變，由于旁通閥一直打開著，機(jī)油泵的流量不可能再隨著轉(zhuǎn)速而進(jìn)一步增加。由于發(fā)動機(jī)機(jī)油流量與溫度有著密切的關(guān)系，在機(jī)油壓力被限制在0.45MPa的情況下，90℃時的發(fā)動機(jī)機(jī)油流量降低到38.5L/min，而30℃時則降低到18L/min，同時調(diào)節(jié)起始點也分別移至較低的轉(zhuǎn)速。隨著機(jī)油溫度的降低，怠速運轉(zhuǎn)時的機(jī)油壓力也會相應(yīng)升高。

發(fā)動機(jī)機(jī)油流量特性線與機(jī)油泵的泵油量特性線之間的垂直間距，分別代表通過旁通閥泄出的剩余供油量。例如，在30℃機(jī)油溫度下4000r/min轉(zhuǎn)速時為62L/min。

2.可調(diào)節(jié)式機(jī)油泵的節(jié)油潛力

應(yīng)用可調(diào)節(jié)式機(jī)油泵將機(jī)油壓力恒定調(diào)節(jié)在0.45MPa，并按照圖1所示的旁通閥調(diào)節(jié)式機(jī)油泵的泵油量要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)發(fā)動機(jī)所需要的機(jī)油流量。然而，可調(diào)式機(jī)油泵可利用的節(jié)油潛力還遠(yuǎn)比此要大，如果再增加按轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)機(jī)油壓力的功能，將機(jī)油泵的泵油壓力調(diào)節(jié)到發(fā)動機(jī)所需要的最低機(jī)油壓力，機(jī)油流量還將進(jìn)一步減少。為此，圖2示出了采用最低壓力調(diào)節(jié)的可調(diào)式機(jī)油泵，在怠速時的0.1MPa機(jī)油壓力和6000r/min時的0.45MPa機(jī)油壓力之間，在上述所考察的3種機(jī)油溫度下的可調(diào)式機(jī)油泵與發(fā)動機(jī)相同的機(jī)油流量。與無泵油量調(diào)節(jié)的機(jī)油泵供油特性線不同，可調(diào)式機(jī)油泵在最低壓力調(diào)節(jié)狀態(tài)下，在寬廣的運行范圍內(nèi)具有相對較大的機(jī)油流量調(diào)節(jié)率。例如，在90℃和1900r/min時的機(jī)油流量調(diào)節(jié)率達(dá)到60%。

對與燃油消耗有重大關(guān)系的可調(diào)式機(jī)油泵驅(qū)動功率具有決定性意義的是其液壓功率，它是由泵油量及其機(jī)油壓力計算出來的。為此，圖3表示與旁通閥調(diào)節(jié)式機(jī)油泵相比，恒壓調(diào)節(jié)的可調(diào)式機(jī)油泵已呈現(xiàn)出一定的節(jié)省液壓功率的優(yōu)勢，只有當(dāng)應(yīng)用最低壓力調(diào)節(jié)替代恒壓調(diào)節(jié)時，可調(diào)式機(jī)油節(jié)省液壓功率的潛力才能完全充分地發(fā)揮出來。從發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速6000r/min時0.45MPa機(jī)油壓力下具有相同的液壓功率起，隨著轉(zhuǎn)速的降低，最低壓力調(diào)節(jié)式機(jī)油泵的機(jī)油壓力線性地降低，導(dǎo)致其機(jī)油流量成比例地減小。例如，在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2700r/min時與6000r/min時相比，發(fā)動機(jī)只需要一半的機(jī)油壓力降低到0.225 MPa以及一半的機(jī)油流量(圖2)，因而在2700r/min時最低壓力調(diào)節(jié)方式的液壓功率與恒壓調(diào)節(jié)方式相比，非?？捎^地減少了75%。

由于最低壓力調(diào)節(jié)方式具有這些顯著的優(yōu)點，因此，還能夠在發(fā)動機(jī)較低的運行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)降低機(jī)油泵的額定傳動功率，并在通常的燃油消耗試驗中顯示出相應(yīng)的節(jié)油效果。

3.可調(diào)節(jié)式機(jī)油泵的設(shè)計可行性

(1)恒定機(jī)油壓力的調(diào)節(jié)

眾所周知，恒壓調(diào)節(jié)式機(jī)油泵尚未作為內(nèi)燃機(jī)的機(jī)油供應(yīng)方式，其原因是由于與通常的旁通閥調(diào)節(jié)式機(jī)油泵相比，在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)其節(jié)省的傳動功率有限(圖3)。

此外，恒壓調(diào)節(jié)應(yīng)盡可能不隨著調(diào)節(jié)量而增加,因調(diào)節(jié)彈簧力相應(yīng)增大而使機(jī)油壓力升高，否則至少會部分地喪失因泵油量減少而獲得的節(jié)省傳動功率的優(yōu)勢。因此，必須采用剛度系數(shù)較小而對結(jié)構(gòu)空間不利的較長的調(diào)節(jié)彈簧，或者依靠增大調(diào)節(jié)彈簧的調(diào)節(jié)行程來增加彈簧力而獲得液壓補償作用。

(2)根據(jù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)機(jī)油壓力

可調(diào)式機(jī)油泵根據(jù)發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)所需要的機(jī)油供應(yīng)量進(jìn)行最低機(jī)油壓力調(diào)節(jié)，由于消耗的液壓功率最少(圖3)，因而能為機(jī)油泵減少傳動功率提供較好的前提條件。

然而，在可調(diào)式機(jī)油泵上實現(xiàn)具有節(jié)油優(yōu)勢的最低機(jī)油壓力調(diào)節(jié)方式必須花費一定的成本。為此可利用例如電控調(diào)節(jié)器件，但這些器件的成本費用與其所能獲得的節(jié)油效果之比必須處于可接受的水平。在這方面一個較好的折中方案，例如可采用壓力分級調(diào)節(jié)的方式來實現(xiàn)，它在原理上是一種兩級恒壓調(diào)節(jié)。

在圖3基礎(chǔ)上，圖4示出了在0.45MPa和0.25MPa之間轉(zhuǎn)換的兩級壓力調(diào)節(jié)的液壓功率，圖中選擇在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2950r/min時進(jìn)行調(diào)節(jié)壓力的轉(zhuǎn)換。與簡單的0.45MPa恒壓調(diào)節(jié)方式相比，這種兩級壓力調(diào)節(jié)方式在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)能顯著地降低液壓傳動功率。

(3)可調(diào)式機(jī)油泵的結(jié)構(gòu)型式

顯著降低液壓傳動功率的優(yōu)勢只有采用相應(yīng)結(jié)構(gòu)型式的可調(diào)式機(jī)油泵使其液壓功率也在效率最佳的情況下轉(zhuǎn)換才能達(dá)到，而高的機(jī)油泵效率是通過低的摩擦損失和流動損失以及可調(diào)式機(jī)油泵較少的內(nèi)部泄漏來獲得的。

眾所周知，有可能用于汽車發(fā)動機(jī)的可調(diào)式機(jī)油泵有葉片泵、內(nèi)齒輪泵和外齒輪泵，它們在調(diào)節(jié)方式、結(jié)構(gòu)空間要求和制造成本等方面是不同的，而特別是在泵油量調(diào)節(jié)時具有良好的機(jī)油泵效率，以及可接受的制造成本，對于批量生產(chǎn)應(yīng)用而言是具有決定性意義的。

三、可調(diào)式機(jī)油泵的結(jié)構(gòu)和試驗

1.可調(diào)式機(jī)油泵的結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)方式

泵油齒輪可軸向移動的外齒輪式機(jī)油泵，因具有較小的摩擦半徑而為高效率提供了良好的前提條件。此外這種機(jī)油泵的性能之所以突出，還因為其內(nèi)部流動損失隨著泵油量的增大而減小，而在可調(diào)節(jié)內(nèi)齒輪式機(jī)油泵中的情況就并非如此，同時與可調(diào)節(jié)葉片式機(jī)油泵相比，外齒輪式機(jī)油泵的制造成本也較低。因此，批量生產(chǎn)的可調(diào)式機(jī)油泵選擇了齒輪可軸向移動的外齒輪泵原理。

在應(yīng)用按轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方法時，優(yōu)先采用電控2/3路閥來進(jìn)行壓力分級調(diào)節(jié)，因為采用這種簡單的調(diào)節(jié)原理已經(jīng)能在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)明顯地降低液壓功率(圖4)。

圖5示出了采用設(shè)置在汽缸體曲軸箱中的電控調(diào)節(jié)單元的可調(diào)式機(jī)油泵的結(jié)構(gòu)示意圖。由泵油齒輪供應(yīng)的壓力機(jī)油先在發(fā)動機(jī)機(jī)油濾清器后分出一部分用于機(jī)油泵的調(diào)節(jié)，這樣一方面可用彈簧力來補償機(jī)油濾清器的壓力損失，另一方面可為調(diào)節(jié)部件供應(yīng)經(jīng)濾清過的清潔機(jī)油。

泵油齒輪A和B可在軸向改變嚙合重疊度(圖5中示出的嚙合重疊度為65%)是由泵油壓力克服回位彈簧力而實現(xiàn)的。容納泵油齒輪B軸向移動的腔室右側(cè)完全由泵油壓力推壓著，而其左側(cè)作用著回位彈簧力和充滿彈簧室的調(diào)節(jié)壓力。這種調(diào)節(jié)壓力是由調(diào)節(jié)單元中的一個兩級調(diào)節(jié)活塞準(zhǔn)備好的，該調(diào)節(jié)活塞可按需要使調(diào)節(jié)壓力在泵油壓力和完全泄壓狀態(tài)之間變化。

在調(diào)節(jié)單元不通電(0V)時，泵油壓力僅僅作用在兩級調(diào)節(jié)活塞的環(huán)形表面上，調(diào)節(jié)活塞在調(diào)節(jié)彈簧力的作用下向左移動，將調(diào)節(jié)壓力室與泵油壓力側(cè)接通，調(diào)節(jié)壓力增加而使泵油齒輪B右移增大嚙合重疊度，從而使得泵油壓力達(dá)到較高的壓力值。

當(dāng)調(diào)節(jié)單元通電(12V)時，其中的電磁閥打開，泵油壓力就作用在其兩級調(diào)節(jié)活塞的左端軸銷上，調(diào)節(jié)活塞克服調(diào)節(jié)彈簧力向右移動，將調(diào)節(jié)壓力室與泄壓油道側(cè)接通，調(diào)節(jié)壓力降低而使泵油齒輪B在泵油壓力作用下克服彈簧力左移減小嚙合重疊度，從而使得泵油壓力被調(diào)節(jié)到較低的壓力值。

如圖5所示，將電控調(diào)節(jié)單元布置在發(fā)動機(jī)汽缸體曲軸箱上是特別有利的，因為這樣一方面可以避免電子控制器件在發(fā)動機(jī)曲軸箱中被機(jī)油濺濕，另一方面可使得可調(diào)式機(jī)油泵結(jié)構(gòu)更為緊湊。

為了證實可調(diào)式機(jī)油泵采用按轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)機(jī)油壓力可節(jié)省傳動功率的優(yōu)越性，制造了一種機(jī)油壓力分級調(diào)節(jié)的可調(diào)式外齒輪機(jī)油泵，其泵油量設(shè)計得大致符合圖1所示的典型發(fā)動機(jī)機(jī)型的要求，并預(yù)先確定了傳動比。

這種可調(diào)式機(jī)油泵樣泵具有以下設(shè)計參數(shù)：

結(jié)構(gòu)型式：泵油齒輪可軸向移動的可調(diào)式外齒輪機(jī)油泵；

理論泵油量：機(jī)油泵每轉(zhuǎn)26.3cm3；

調(diào)節(jié)方式：電液式兩級壓力調(diào)節(jié)——機(jī)油壓力0.27(12V)；0.47(0V)；

傳動比：機(jī)油泵轉(zhuǎn)速/發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速=0.75。

(未完待續(xù))