發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)機(jī)油泵性能的優(yōu)化

李偉豪

（肇慶學(xué)院，廣東 肇慶 526000）

0 前言

機(jī)油泵是潤(rùn)滑系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)性能的實(shí)現(xiàn)有著重要作用。該文對(duì)某款發(fā)動(dòng)機(jī)增加進(jìn)氣VVT，并探究其對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)油泵的性能優(yōu)化，保證活塞等零部件的潤(rùn)滑，確保機(jī)油泵供油量充足，進(jìn)而能有效避免拉缸現(xiàn)象的出現(xiàn)，并大幅度縮短機(jī)油泵產(chǎn)品所需的開(kāi)發(fā)周期，降低了產(chǎn)品成本，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

1 構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

循環(huán)油量能有效反應(yīng)機(jī)油泵的實(shí)際性能。潤(rùn)滑系統(tǒng)的實(shí)際狀況以及具體的結(jié)構(gòu)布置決定了循環(huán)油量的大小。在內(nèi)燃機(jī)中，可借助以下公式對(duì)機(jī)油泵循環(huán)油量進(jìn)行計(jì)算：

公式（1）中，Vc表示機(jī)油泵循環(huán)流量，L·h-1；γ表示機(jī)油密度，kg·L-1；c表示機(jī)油的比熱容，kj·（kg· ℃）-1； Δt表示機(jī)油進(jìn)口及出口溫度， ℃；Qo表示機(jī)油吸熱量，kj·h-1，如果機(jī)油泵沒(méi)有活塞冷卻噴嘴，Qo大約是燃料總熱量的1.5 %～2.0 %；如果機(jī)油泵有活塞冷卻噴嘴，則Qo大約為燃料總熱量的6.0 %，其燃料總熱量為：

公式（2）中，Ne表示內(nèi)燃機(jī)相應(yīng)的標(biāo)定功率，kW；ηe表示內(nèi)燃機(jī)實(shí)際有效率。事實(shí)上，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部潤(rùn)滑系統(tǒng)的實(shí)際狀況、布置結(jié)構(gòu)以及具有不同潤(rùn)滑需求的各類零部件決定了機(jī)油泵的實(shí)際供油量，不同零部件對(duì)潤(rùn)滑流量的實(shí)際需求之和即為機(jī)油泵相應(yīng)的總供油量。

2 構(gòu)建仿真計(jì)算模型

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

該文研究的原發(fā)動(dòng)機(jī)，為初始機(jī)型，且通常具備機(jī)械式挺柱，新發(fā)動(dòng)機(jī)基于固有結(jié)構(gòu)，增加了進(jìn)氣VVT裝置，有助于降低油耗。原發(fā)動(dòng)機(jī)和新發(fā)動(dòng)機(jī)采用相同的潤(rùn)滑方式，即油底殼所含的機(jī)油通過(guò)機(jī)油集濾器進(jìn)入機(jī)油泵，對(duì)之加壓，使機(jī)油經(jīng)由濾清器進(jìn)入主油道。主油道中的一部分機(jī)油對(duì)主軸承、活塞以及連桿軸承進(jìn)行潤(rùn)滑，另一部分機(jī)油對(duì)進(jìn)氣凸輪軸以及排氣凸輪軸進(jìn)行潤(rùn)滑。活塞冷卻方式均為連桿體側(cè)開(kāi)槽，借助連桿噴口噴出的機(jī)油實(shí)現(xiàn)活塞與氣缸壁間的潤(rùn)滑。連桿噴口如圖1所示。

圖1 連桿噴口示意圖

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)新發(fā)動(dòng)機(jī)的具體結(jié)構(gòu)和構(gòu)成潤(rùn)滑系統(tǒng)的主要零部件所呈現(xiàn)的壓損試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建仿真計(jì)算模型。原發(fā)動(dòng)機(jī)采用原機(jī)油泵進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，拉缸問(wèn)題并未發(fā)生，對(duì)其仿真計(jì)算模型進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)標(biāo)定，并將對(duì)應(yīng)油壓作為參考，在不同轉(zhuǎn)速下，考察連桿噴口實(shí)際噴出的機(jī)油流量，對(duì)新機(jī)油泵進(jìn)行性能優(yōu)化，若優(yōu)化后其連桿噴口噴出的實(shí)際機(jī)油流量能滿足原發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)指標(biāo)要求，即能有效對(duì)活塞、氣缸等零部件進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑。在仿真分析過(guò)程中，要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，確保其處于全負(fù)荷狀態(tài)。

3 仿真計(jì)算結(jié)果分析

3.1 原發(fā)動(dòng)機(jī)使用的原機(jī)油泵

原發(fā)動(dòng)機(jī)采用轉(zhuǎn)子式機(jī)油泵，具有6.886 mL/rev的轉(zhuǎn)排量，需滿足各類零部件的不同的潤(rùn)滑需求。該機(jī)型采用連桿噴口潤(rùn)滑方式，曲軸可轉(zhuǎn)動(dòng)，在一定角度下，連桿噴口處將有潤(rùn)滑油噴出。轉(zhuǎn)速一定，流量隨時(shí)間變化，呈現(xiàn)多個(gè)突起。原發(fā)動(dòng)機(jī)保持800 r·min-1的轉(zhuǎn)速時(shí)，曲軸旋轉(zhuǎn)一周，連桿噴口即對(duì)準(zhǔn)連桿軸承相應(yīng)的潤(rùn)滑油入口。

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型進(jìn)行標(biāo)定后，通過(guò)計(jì)算可獲取主油道相應(yīng)的油壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將該試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，在不同轉(zhuǎn)速下，考察連桿噴口噴出的實(shí)際機(jī)油量的仿真計(jì)算結(jié)果。對(duì)原發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算，其結(jié)果與相關(guān)油壓數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出5 %左右的偏差，這就表明其仿真計(jì)算模型具有良好的準(zhǔn)確性。連桿噴口流量隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加而變大，其流量結(jié)果與配置有活塞冷卻嘴的發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴流量結(jié)果相近，參考此結(jié)果對(duì)新機(jī)油泵性能進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 新發(fā)動(dòng)機(jī)使用的新機(jī)油泵

為確保新發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的各類零部件能夠通用，并大幅度降低產(chǎn)品成本，確保機(jī)油泵具有穩(wěn)定不變的安裝邊界，可改變轉(zhuǎn)子的實(shí)際尺寸厚度，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)油泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)。3種新機(jī)油泵的具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 新機(jī)油泵參數(shù)表

當(dāng)前，新發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是新機(jī)油泵3，對(duì)其進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，可知在低速狀態(tài)下，新機(jī)油泵3仍會(huì)出現(xiàn)程度相對(duì)輕微的拉缸問(wèn)題。對(duì)其進(jìn)行深入分析，可知新機(jī)油泵3仍難以有效滿足潤(rùn)滑系統(tǒng)提出的各項(xiàng)要求。在少數(shù)工況下，如果連桿噴口噴出的實(shí)際機(jī)油量較少，仍將造成活塞冷卻流量不足。

新發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)的連桿噴口實(shí)際流量處于中低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，略低于原參考指標(biāo)，主要體現(xiàn)在3 000 r·min-1，2 400 r·min-1，1 800 r·min-13個(gè)轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)。因此，針對(duì)上述轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)，對(duì)3種新機(jī)油泵各自連桿噴口噴出的實(shí)際機(jī)油流量進(jìn)行仿真結(jié)算，其結(jié)果為當(dāng)轉(zhuǎn)速為3 000 r·min-1時(shí)，原機(jī)油泵相應(yīng)的連接噴口流量（L·min-1）為0.877，新機(jī)油泵相應(yīng)的連接噴口流量（L·min-1）為 0.870 ；當(dāng)轉(zhuǎn)速為 2 400 r·min-1時(shí)，原機(jī)油泵相應(yīng)的連接噴口流量（L·min-1）為0.767，新機(jī)油泵相應(yīng)的連接噴口流量（L·min-1）為 0.753；當(dāng)轉(zhuǎn)速為 1 800 r·min-1時(shí)，原機(jī)油泵相應(yīng)的連接噴口流量（L·min-1）為0.613，新機(jī)油泵相應(yīng)的連接噴口流量（L·min-1）為0.594。綜上所述可知，轉(zhuǎn)速為1 800 r·min-1時(shí)，對(duì)連桿噴口流量具有較高的要求。轉(zhuǎn)速為1 800 r·min-1時(shí)，新機(jī)油泵2和新機(jī)油泵3難以達(dá)到原機(jī)油泵相應(yīng)的連桿噴口要求的流量值，僅新機(jī)油泵1能滿足上述要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

新機(jī)油泵1能有效滿足活塞冷卻的具體要求，對(duì)其進(jìn)行400 h左右的耐久試驗(yàn)，完成試驗(yàn)后，對(duì)新發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆解，觀察其缸套上是否出現(xiàn)拉傷。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知，新機(jī)油泵1具有相對(duì)較高的轉(zhuǎn)排量，采用新機(jī)油泵1能確保連桿噴口噴出充足的機(jī)油流量，避免出現(xiàn)活塞冷卻不足的問(wèn)題，進(jìn)而有效避免拉缸現(xiàn)象，能有效滿足各項(xiàng)潤(rùn)滑要求。

5 結(jié)語(yǔ)

借助Flowmaster仿真模擬，深入分析發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的潤(rùn)滑油路，獲取優(yōu)化機(jī)油泵性能所需的相關(guān)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)油泵具體的設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)其進(jìn)行耐久性試驗(yàn)。驗(yàn)證結(jié)果顯示，將原有機(jī)油泵固有的轉(zhuǎn)子厚度增加1.6 mm，連桿噴口噴出的實(shí)際機(jī)油流量能有效滿足相關(guān)流量指標(biāo)的具體要求，且能滿足潤(rùn)滑系統(tǒng)各項(xiàng)要求，能有效避免拉缸問(wèn)題。上述優(yōu)化方法為優(yōu)化潤(rùn)滑系統(tǒng)性能以及相關(guān)工程的應(yīng)用奠定了良好的理論基礎(chǔ)，對(duì)于縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本具有至關(guān)重要的意義。