电子机油泵在发动机上的应用研究_刘东京.pdf

内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n电子机油泵在发动机上的应用研究刘东京1,陈历焘1,颜景操1,宁 乐2,刘千千1(1.比亚迪汽车有限公司,陕西 西安 7 1 0 1 1 9;2.西安航天动力研究所,陕西 西安 7 1 0 1 0 0)摘 要:本文介绍了电子机油泵的结构原理。通过摩擦功和燃油消耗量试验对比,结果表明采用电子机油泵以后,整机摩擦功和油耗都显著降低,对提高发动机的热效率有明显的作用。采用电子机油泵后,在2 0 0 0 r p m&2 b a r收益为0.7 g/kWh,万有特性工况下有2-1 5 g/kWh的油耗收益。本文也指出目前电子机油泵的存在的问题,并对今后的研发方向提出了一些看法。关键词:电子机油泵;摩擦功;热效率 中图分类号:U 4 6 4.1 3 7+.1 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 5-0 0 9 1-0 3R e s e a r c ho nE l e c t r o n i cO i lP u m p sA p p l i c a t i o no nE n g i n e sL i uD o n g-j i n g1,C h e nL i-t a o1,Y a nJ i n g-c a o1,N i n gL e2,L i uQ i a n-q i a n1(1.B y da u t oc o.L T D,S h a a n x iX ia n7 1 0 1 1 9;2.X i a nA e r o s p a c eP r o p u l s i o nI n s t i t u t eS h a n x iX ia n7 1 0 1 0 0)A b s t r a c t:T h i sp a p e rp r e s e n t s t h ep r i n c i p l es t r u c t u r eo f e l e c t r o n i co i l p u m p s(E O P).T h e t e s t r e s u l t so f f r i c-t i o nw o r ka n df u e l c o n s u m p t i o na r e s i g n i f i c a n t l yr e d u c e da f t e r t h eu s a g eo fE O P.I t a l s oh a s a no b v i o u s e f f e c t o ni m p r o v i n ge n g i n eb r a k i n gt h e r m a le f f i c i e n c y.A f t e rt h eu s a g eo fE O P,0.7 g/kWhw a so b t a i n e da t2 0 0 0 r p m&2 b a r,2-1 5 g/kWhw e r eo b t a i n e do nt h ew h o l ee n g i n em a p s.T h i sp a p e ra l s op o i n t so u t t h ee x i s t i n gp r o b l e m so fE O P,a n db r i n g ss o m e i d e a so nt h e f u t u r er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t.K e yw o r d s:E l e c t r o n i co i l p u m p s(E O P);F r i c t i o nw o r k;B r a k i n gt h e r m a l e f f i c i e n c y作者简介:刘东京(1 9 8 8),男,河南商丘人,学士学位,主要从事发动机润滑及增压技术研究。0 引言近年随着多变的地缘政治以及局部地区冲突的影响,国际油价一直居高不下。国家油耗法规的日益严苛,迫使整个汽车行业把降低发动机燃油耗和提高热效率作为首要的目标。为了达到这一目标,需要从汽油机能量分配的角度,即摩擦、泵气、传热、燃烧和排气这几个途径来提升热效率1。新技术以及新材料的的应用,使现代发动机燃烧技术很难有大的突破,因此很多主机厂都在尝试通过降低摩擦功来降低燃油消耗。发动机摩擦功主要来源于发动机内部运动件、正时系统以及附件等系统,在附件系统中电子水泵和电子压缩机技术已大规模应用,而机油泵目前还大都是机械式,由曲轴直接或间接驱动,直接导致发动机输出功减少。本文通过采用电子机油泵代替传统的二级可变排量机油泵研究对发动摩擦功和油耗的影响,为发动机降低摩擦提高热效率提供理论依据。1 电子机油泵原理1.1 电子机油泵组成结构图1 电子机油泵的组成电子机油泵由以下三部分组成:机油泵总成、电动机总成、控制器总成。机油泵与电机同轴直连,由电机直接驱动,两者装配成一个整体,结构原理如图1所示。机油泵主要分为外啮合泵和内啮合泵。外啮合泵主要有齿轮泵和月牙形泵。齿轮式机油泵具有结构简单紧凑、体积小、价格便宜、自吸力强、压力脉冲波动小等优点,应用较广泛,如图2所示。图2 外啮合齿轮式机油泵图3 内啮合转子式机油泵内啮合泵应用较广为转子式机油泵。转子式机油泵有内外转子组成,其内转子安装在机油泵传动轴上,外转子安装在泵体内,并与内转子啮合转动。转子式机油泵具19DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.05.0152 0 2 3年第5期有流量平稳、自吸能力强、结构紧凑等优点,所以使用转子泵更能满足电动机油泵的使用需求,如图3所示。无刷直流机的关键部分是电机本体、转子位置传感器和控制器,和有刷直流电机相比,它使用电子换相器代替碳刷和机械式换向器。没有碳刷,工作过程中就不会产生火花。没有机械式换向器,可以做成全封闭式结构,防止机油进入电机内部,将使电机可靠性和使用寿命极大提高,以上优点正适用于机油泵对驱动电机的要求。在电动机油泵工作时,转子位置传感器和电机本体要浸没在机油中,其工作环境温度高,导致位置传感器失效概率高,不能保证机油泵长期稳定工作,所以采用无传感器无刷直流电机作为驱动电机1。控制器顾名思义就是控制电机转速的,有两种安装方式:一体式和分体式。一体式结构控制器与电机做成一体,分体式结构控制器与电机做成分开布置,本文研究用的是分体式,如图1所示。1.2 电子机油泵的工作原理电子机油泵工作原理如图4所示,控制器通过C AN(C o n t r o l l e r A r e a N e t w o r k)与 发 动 机E C U(E l e c t r o n i cC o n t r o lU n i t)通信,从E C U实时接收温度,转矩,速度和机油压力、温度等信号,基于这些信号,按照预先标定存储的MA P,选择效率高的电机运行点,向电机发送PWM(脉宽调制)信号,从而控制电机转速,PWM占空比变化与发动机转速变化直接相关。电机驱动机油泵工作,向发动机主油道供油,推动机油循环2。图4 电子机油泵工作原理图1.3 电子机油泵的节能原理传统机油泵与发动机曲轴直接或间接连接,机油泵流量与发动机转速成正比关系。传统机油泵为满足发动机低转速对机油压力的需求,往往设计的排量都较大;当发动机上升到一定速度时,机油泵的供油量将远远超过发动机润滑系统的需求量,这也是传统机油泵存在功率损失的原因,其能耗随着发动机转速的增加而增加。图5 不同机油泵节油对比电子机油泵采用直流电动机驱动,取代传统的直接或间接的由曲轴驱动,使机油泵不再消耗发动机的有效功率,同时,根据发动机不同工况对润滑油的需求,可以随时有效地控制电动机的转速,从而调节机油泵输出润滑油的流量和压力3。节能效果如图5所示(连续可变曲线)。2 电子油泵试验分析为验证电子机油泵的实际节油效果,将电子机油泵装在某主机公司自研的一款发动机上与原二级可变排量机油泵做对比试验。2.1 试验条件1)试验样机:某主机厂1.5 L自主研发的一款自吸汽油发动机,该润滑系统包含链条涨紧器、VV T、冷却喷嘴、液压挺柱等部件。2)测功机类型:电力测功机台。3)试验工况:发动机转速范围1 0 0 0 r p m-6 0 0 0 r p m,按2 5 0 r p m递增;BME P从1 b a r-1 5 b a r,按1 b a r递增。4)仅通过控制开/关二级变量泵的初级调压开关,作为此次对比试验的唯一变量。以某主机厂1.5 L发动机为测试对象,在该发动机上完成二级可变排量机油泵和电子机油泵的油耗对比试验。2.2 摩擦功试验对某主机厂1.5 L自主研发的汽油机进行摩擦功分解测试,确认在油水温度为9 0下传统机械机油泵摩擦功,确认更换为电子机油泵后,可得到的摩擦功收益。2.2.1 试验方法控制发动机机油、冷却水温度,测量整机机械损失功率,完成测试后拆除机油泵,换用电子机油泵给发动机供油,控制相同的油、水温度,测量拆除机油泵后的机械损失功率,根据二次试验结果处理分析得出机油泵消耗摩擦功,并绘制为曲线。2.2.2 试验结果试验结果见图6,某主机厂1.5 L发动机使用二级可变机油泵,试验过程机油泵低压状态下摩擦功较稳定,高压状态下摩擦功偏高,使用电子机油泵,最佳油耗点功率可提高0.1 8 k W,额定点可提高1.2 8 k W。图6 电子机油泵摩擦功节省29内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n2.3 整机油耗试验2.3.1 试验方法1、特征油耗点试验:在电力测功机台架测量使用机械机油泵的 发 动 机 特 征 点 油 耗,重 点 关 注 最 佳 热 效 率 点(B T E点),测量完成后更换电子机油泵,控制试验边界(包含机油、冷却液温度,进排气及燃油温度压力),对比更换前后的燃油消耗率。2、万有特性试验:在电力测功机台架测量使用机械机油泵的发动机进行万有特性试验,重点关注边界条件,测量完成后更换电子机油泵,控制试验边界(包含机油、冷却液温度,进排气及燃油温度压力),对比更换前后的燃油消耗率,并绘制对比图。2.3.2 试验结果特征油耗点分析:通过图7分析使用电子机油泵后部分特征油耗点油耗率收益,在2 0 0 0 r p m&2 b a r油耗点低压模式收益为0.7 g/k W h,其他油耗点收益在2-5.1 g/k W h。图7 特征点油耗收益万有特性分析:通过图8,可对比大部分工况下,使用电子机油泵有2-1 5 g/k W h的油耗收益。图8 万有特性油耗收益3 总结由前文可知,使用电子机油泵可以得到以下收益:1.降低摩擦功,减少零部件的数量。由于电子机油泵与发动机没有连接,动力来源为电动机,因此可以明显降低发动机的摩擦功。使用电子机油泵,最佳油耗点功率可提高0.1 8 k W,额定点可提高1.2 8 k W。同时机油泵由电机直接驱动,节省了机油泵链轮和链条。2.油耗减少,热效率提高。使用电子机油泵后部分特征油耗点收益在2 0 0 0 r p m&2 b a r油耗点低压模式收益为0.7 g/k W h,其他油耗点收益在2-5.1 g/k W h。万有特性模式下,使用电子机油泵有2-1 5 g/k W h的油耗收益。3.外特性功率功率提高。使用电子机油泵后外特性功率点可提升约2.6 k W,扭矩提升2.5-4 Nm。同时由于电子机油泵是新事物,其自身还存在以下问题:1)成本较大。由于电子机油泵主要动力源来源于自身电动机,同时需要增加控制器,相较于二级可变排量机油泵,成本会翻倍。相较于传统固定排量机油泵,成本增加的更多。2)标定任务量多。电机的转速控制是通过发动机的转速、温度、负荷以及机油温度和压力共同作用,因此为达到精确的控制需要对做大量的标定匹配工作。3)可靠性差。目前的所用的电子机油泵样件中,累计工作运行时间未超过2 5小时,主要问题点在于控制器的可靠性。电子机油泵本身消耗功率太大,而现在乘用车常用电源为1 2