張蕾

摘 要：本文介紹某增壓汽油機潤滑系統(tǒng)的開發(fā)與驗證流程，首先基于概念設(shè)計階段的潤滑系統(tǒng)管路幾何模型建立潤滑系統(tǒng)一維分析模型，進(jìn)行運算確定潤滑系統(tǒng)機油泵性能，然后進(jìn)行機油泵選型并通過CFD分析驗證機油泵性能是否滿足設(shè)計需求，并通過機油泵單體性能試驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果的對比驗證分析精度，最后通過潤滑系統(tǒng)試驗驗證系統(tǒng)是否滿足工作要求。

1 背景介紹

潤滑系統(tǒng)的主要作用是在發(fā)動機工作時，將足量、足壓、適當(dāng)溫度的清潔潤滑油輸送到摩擦表面上，以減小摩擦阻力、降低功率消耗，實現(xiàn)發(fā)動機工作可靠及耐久的目的。若潤滑系統(tǒng)中主油道壓力達(dá)不到設(shè)計值時，會造成發(fā)動機潤滑不良，影響發(fā)動機的正常工作，甚至?xí)斐砂l(fā)動機嚴(yán)重?fù)p害，使發(fā)動機提前報廢[1-3]。所以發(fā)動機潤滑系統(tǒng)的設(shè)計也就尤為重要。

本文利用一維與三維聯(lián)合仿真分析方法對某增壓車型潤滑系統(tǒng)進(jìn)行建模，確定系統(tǒng)機油泵性能需求，然后依據(jù)機油泵幾何模型對機油泵進(jìn)行CFD分析，驗證機油泵性能是否符合設(shè)計要求，最后在發(fā)動機臺架上進(jìn)行潤滑系統(tǒng)試驗，驗證潤滑系統(tǒng)油壓是否滿足設(shè)計要求[4-5]。

2 機油泵的性能校核

為確定準(zhǔn)確的機油泵性能需求，根據(jù)該機型概念設(shè)計階段的潤滑系統(tǒng)管路幾何模型搭建系統(tǒng)一維分析模型，潤滑系統(tǒng)仿真流程如圖1所示，首先根據(jù)幾何模型確定管路尺寸，然后搭建潤滑系統(tǒng)模型，將各邊界條件輸入到潤滑系統(tǒng)模型中，進(jìn)行潤滑系統(tǒng)1D分析，根據(jù)系統(tǒng)壓力分布情況確定該系統(tǒng)機油泵性能需求。該機型潤滑系統(tǒng)部件包括：曲軸軸承、連桿軸承、凸輪軸軸承、活塞冷卻噴嘴、增壓器、機油泵、機油濾清器、機油冷卻器、鏈條張緊器、鏈條潤滑噴嘴、真空泵潤滑噴嘴、可變正時系統(tǒng)、油路控制閥及單向閥等?；跐櫥到y(tǒng)管路模型搭建潤滑系統(tǒng)一維分析模型，分析模型的搭建依據(jù)專業(yè)流體分析軟件Flowmaster，該軟件是一款面向工程的流體系統(tǒng)仿真軟件，廣泛應(yīng)用于設(shè)計和分析復(fù)雜的流動、傳熱等問題，主要用于壓力、溫度、流量和傳熱量參數(shù)預(yù)測。

該機型潤滑油類型為5W-30型機油，該機油黏溫特性如圖2所示，油冷器流阻特性如圖3所示，基于各邊界建立潤滑系統(tǒng)分析模型，如圖4所示，模型對系統(tǒng)各主要部件進(jìn)行標(biāo)注。

計算工況為熱怠速工況，保證系統(tǒng)主油道油壓大于100kPa時的機油泵性能為9.3L/min，即機油泵校核性能為13.3mL/rev。將該流量輸入到計算模型中，運算模型得到系統(tǒng)壓力分布情況，此時泵后油壓為1.35bar，主油道油壓為1.08bar，主油道油壓滿足壓力需求。

3 機油泵CFD分析

確定機油泵性能之后進(jìn)行機油泵選型，選用結(jié)構(gòu)緊湊、吸油真空度高、NVH性能好的轉(zhuǎn)子式機油泵。利用Pumplinx軟件對機油泵進(jìn)行CFD分析，該軟件具備專業(yè)的泵閥模板，可快速完成計算模型及邊界條件設(shè)置。模板針對不同類型的泵閥CFD 模擬將對應(yīng)的流程和規(guī)范內(nèi)置到PumpLinx 軟件中，使CFD模擬的設(shè)置簡單化，保證了計算的準(zhǔn)確性和可靠性。對該機油泵幾何模型進(jìn)行處理并進(jìn)行流體網(wǎng)格的劃分，如圖5為該機油泵幾何模型，依據(jù)幾何模型進(jìn)行機油泵流體域抽取，并在Pumplinx軟件中進(jìn)行機油泵分析模型建模，具體模型如圖6所示，圖中講機油泵分為三個區(qū)域。設(shè)置機油泵進(jìn)出口邊界，進(jìn)行CFD分析，得到機油泵流體分析結(jié)果，如圖7為機油泵表面壓力分布圖。圖8為監(jiān)測出口每一轉(zhuǎn)平均體積流量，根據(jù)穩(wěn)定結(jié)果可知，該型機油泵每轉(zhuǎn)平均體積流量最終穩(wěn)定在14mL/rev，滿足機油泵校核性能，可使?jié)櫥到y(tǒng)主油道油壓滿足設(shè)計目標(biāo)。

制作機油泵快件之后進(jìn)行機油泵單體性能試驗，試驗數(shù)據(jù)為了驗證機油泵單體性能，在原機油泵分析模型的基礎(chǔ)上利用閥模塊進(jìn)行機油泵限壓閥的建模，其中彈簧剛度為8400N/m，閥體質(zhì)量為0.03kg。計算轉(zhuǎn)速為2000rpm，增加限壓閥后的計算結(jié)果，從中可以看出限壓閥開啟后，油液由高壓區(qū)泄露至低壓區(qū)。

為計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比，根據(jù)對比可知，在限壓閥未開啟時，仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)符合較好，因模型未考慮端面間隙，所以后面兩個點仿真結(jié)果略高于試驗數(shù)據(jù)。當(dāng)限壓閥開啟之后，仿真結(jié)果低于試驗數(shù)據(jù)，偏差略大，通過分析知，因為該機油泵在試驗過程中存在彈簧偏磨問題，增加閥門下行阻力，造成試驗數(shù)據(jù)偏高。

4 潤滑系統(tǒng)試驗驗證

確定潤滑系統(tǒng)機油泵性能及系統(tǒng)布置，完成發(fā)動機潤滑系統(tǒng)設(shè)計，制作機油泵快件，進(jìn)行發(fā)動機穩(wěn)態(tài)機油壓力分布試驗，驗證系統(tǒng)設(shè)計能否滿足要求。試驗設(shè)備主要包括電渦流測功機、燃油恒溫、水恒溫、機油恒溫、油耗儀和防爆軸流通風(fēng)機等，進(jìn)行發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速下的潤滑系統(tǒng)試驗，檢測主油道壓力分布情況。

控制發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，使發(fā)動機轉(zhuǎn)速由怠速升至額定轉(zhuǎn)速，共監(jiān)測11個點的壓力值，具體數(shù)值如表2所示，如圖12為主油道油壓隨轉(zhuǎn)速變化的情況，其中怠速點主油道油壓為1.2bar，油壓滿足設(shè)計要求，說明機油泵選型符合要求，潤滑系統(tǒng)設(shè)計合理。

5 小結(jié)

為設(shè)計合理的潤滑系統(tǒng)，本文進(jìn)行一維與三維的聯(lián)合仿真，確定機油泵性能需求并驗證選型機油泵能否滿足設(shè)計要求，確定機油泵幾何結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)管路模型，最后進(jìn)行潤滑系統(tǒng)試驗以驗證系統(tǒng)的有效性。

本文主要結(jié)論如下：

1）首先通過潤滑系統(tǒng)一維分析進(jìn)行機油泵性能校核，確定機油泵的能為13.3mL/rev；

2）利用機油泵CFD分析確定機油泵每轉(zhuǎn)平均體積流量為14mL/rev，滿足系統(tǒng)要求；

3）根據(jù)機油泵單體性能試驗數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果對比可知，兩者符合較好，說明仿真具有較高的精度；

4）最后進(jìn)行潤滑系統(tǒng)試驗，監(jiān)測結(jié)果可知怠速工況下主油道油壓為1.2bar，說明機油泵選型符合要求；

5）通過仿真分析手段可以快速的確定系統(tǒng)需求，為產(chǎn)品開發(fā)提供有效手段，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

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