謝代標(biāo)

（柳州五菱柳機(jī)動(dòng)力有限公司，廣西 柳州545005）

4A15汽油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵設(shè)計(jì)性能校核

謝代標(biāo)

（柳州五菱柳機(jī)動(dòng)力有限公司，廣西 柳州545005）

本文通過經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)4A15汽油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵在轉(zhuǎn)速2000 rpm和轉(zhuǎn)速6000 rpm工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)的供油量進(jìn)行了校核計(jì)算，經(jīng)驗(yàn)證計(jì)算分析得出，機(jī)油泵的設(shè)計(jì)供油量滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求。

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵；機(jī)油泵設(shè)計(jì)；性能校核

1 目的

通過經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算4A15汽油發(fā)動(dòng)機(jī)（見圖1）在典型工況點(diǎn)，轉(zhuǎn)速2 000 rpm和最高功率點(diǎn)轉(zhuǎn)速6 000 rpm時(shí)，對(duì)應(yīng)的潤滑系統(tǒng)所需機(jī)油流量，與機(jī)油泵設(shè)計(jì)供油量進(jìn)行對(duì)比后，驗(yàn)證4A15汽油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵性能設(shè)計(jì)的合理性。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖

2 發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)見表1.

表14 A15發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

3 計(jì)算分析

3.1 循環(huán)機(jī)油的流量

根據(jù)國內(nèi)外知名動(dòng)力總成設(shè)計(jì)公司的經(jīng)驗(yàn)推薦，通過發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油所攜帶走的散熱量來校核分析循環(huán)機(jī)油的流量可滿足達(dá)到要求。

由以下公式計(jì)算機(jī)油散熱量Φj：

其中，Φj為發(fā)動(dòng)機(jī)中每小時(shí)機(jī)油帶走的散熱量（kJ/h）；Φi為發(fā)動(dòng)機(jī)每小時(shí)通過燃料進(jìn)行燃燒而生成的熱量（kJ/h）；α0為百分比（機(jī)油的散熱量占比發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的熱量）。根據(jù)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，按α0=0.015～0.025取值。

其中，P為發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率（kW）；ηe為發(fā)動(dòng)機(jī)的有效效率，根據(jù)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，取ηe=0.25.綜合以上，計(jì)算規(guī)定工況下的機(jī)油散熱量：轉(zhuǎn)速為6 000 rpm（最大功率82 kW）時(shí)，

以此，計(jì)算出機(jī)油攜帶走的散熱量，從而求出汽油發(fā)動(dòng)機(jī)所需機(jī)油循環(huán)量：

其中：γ為機(jī)油比重，按γ=0.85 kg/L取值；cj為機(jī)油比熱，按cj=1.7～2.1 kJ/（kg·K）取值?！鱰為溫度升高差（機(jī)油完成一次循環(huán)通路），按△t=10～15℃取值[1]。

因機(jī)油的牌號(hào)不同，其比熱值也會(huì)不同，根據(jù)目前汽油發(fā)動(dòng)機(jī)常使用的機(jī)油5W-30（北方冬季）、10W-40（南方全年或北方夏季），其比熱都接近于1.9左右，那么比熱按1.9取值，作為最大的循環(huán)機(jī)油流量的計(jì)算，其溫度差按最小值10℃取值（見圖2）。

圖2 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油油路

綜合以上，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)工況下循環(huán)機(jī)油的流量：

事實(shí)上，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)所需要的循環(huán)機(jī)油的流量（qv）決定著機(jī)油泵的實(shí)際流量（qva），機(jī)油泵的實(shí)際流量在實(shí)際上要比機(jī)油循環(huán)流量要大，這有以下原因：

（1）機(jī)油泵總成一般集成有能夠調(diào)節(jié)機(jī)油壓力的節(jié)壓閥，用來確保機(jī)油壓力在一定允許的范圍內(nèi)，故機(jī)油通過集濾器進(jìn)入機(jī)油泵，通過轉(zhuǎn)子擠壓泵出的機(jī)油一部分通向主油道供用油所需，超出壓力范圍的其余機(jī)油，則通過節(jié)壓閥打開回流到油底殼內(nèi)[2]。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)附等零件和機(jī)油泵轉(zhuǎn)子在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生一定的磨損，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油泄漏量和零件相互之間的配合間隙會(huì)隨著磨損而漸漸增加，那么在這種情況下為了能保證有足夠的油壓，機(jī)油泵排量在設(shè)計(jì)時(shí)就需要留有一定的余量（見圖3）。

圖3 機(jī)油泵內(nèi)外轉(zhuǎn)子

（3）4A15發(fā)動(dòng)機(jī)將采用i-VVT等結(jié)構(gòu)帶來的機(jī)油消耗以及增加動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵需求一定機(jī)油量潤滑，需要留有一定的余量設(shè)計(jì)。

（4）4A15發(fā)動(dòng)機(jī)因匹配商用車，工況使用惡劣，今后做技術(shù)升級(jí)，進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)化設(shè)計(jì)，需要更大的機(jī)油流量來滿足。

所以有

其中K為儲(chǔ)備系數(shù)，一般選取K=1.5～2.0.

轉(zhuǎn)速為6 000 rpm（最大功率82 kW）時(shí)，

K=2.0 時(shí)，qva=2.0 × 1827.9=3655.7（L/h）

K=1.5 時(shí)，qva=1.5 × 1827.9=2741.8（L/h）

轉(zhuǎn)速2 000 rpm（最高功率26.5 kW）時(shí)，

K=2.0 時(shí)，qva=2.0 × 590.7=1181.4（L/h）

K=1.5 時(shí)，qva=1.5 × 590.7=886.1（L/h）

3.2 機(jī)油泵的供油量

機(jī)油泵的供油量為

其中：A為內(nèi)外轉(zhuǎn)子間形成最大面積（mm2）；z1為內(nèi)轉(zhuǎn)子齒數(shù)；b為內(nèi)轉(zhuǎn)子厚度（mm）；np為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速即為內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（rpm）；ηp為轉(zhuǎn)子供油效率，按 ηp=0.8 取值[3]。

4A15發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵內(nèi)轉(zhuǎn)子（見圖4）為十個(gè)凸齒，外轉(zhuǎn)子為十一個(gè)凹齒。油泵工作時(shí)，機(jī)油泵中的內(nèi)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)外轉(zhuǎn)子朝同一方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)?？梢园阉鼈兛闯墒且粚?duì)差了一個(gè)齒的內(nèi)嚙合齒輪的傳動(dòng)，以凸齒和凹齒個(gè)數(shù)比，其轉(zhuǎn)速比就為11∶10.轉(zhuǎn)子無論轉(zhuǎn)到任何一個(gè)角度，內(nèi)外轉(zhuǎn)子間必然會(huì)有一個(gè)觸點(diǎn)，從而分隔成了10個(gè)不同容積，不同形狀的空腔。根據(jù)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向，在從集濾器輸出到油泵的進(jìn)油道一側(cè)的空腔，因轉(zhuǎn)子不斷脫開嚙合，其內(nèi)腔容積逐漸變大，產(chǎn)生了一定的真空度，從而機(jī)油被吸入真空的空腔中。隨著轉(zhuǎn)子的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)油被帶到了出油道一側(cè)，這時(shí)隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入嚙合狀態(tài)，內(nèi)腔容積逐漸縮小，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力升高，從內(nèi)外齒之間擠出，形成的高壓機(jī)油洶涌輸入到了出油道。

圖4 內(nèi)外轉(zhuǎn)子工作狀態(tài)

通過以上了解，內(nèi)外轉(zhuǎn)子相互之間形成單個(gè)油腔的最大容積（面積），就在內(nèi)轉(zhuǎn)子的凸齒在外轉(zhuǎn)子兩個(gè)凹齒的中間時(shí)刻。

以內(nèi)轉(zhuǎn)子的凸齒的最大外徑切割內(nèi)、外轉(zhuǎn)子之間構(gòu)成面積，從而分別計(jì)算出內(nèi)轉(zhuǎn)子的凸齒在外轉(zhuǎn)子的兩個(gè)凹齒的中間時(shí)刻（見圖5、圖6），與內(nèi)外轉(zhuǎn)子形成單個(gè)油腔最大面積（截面積）。通過三維軟件CATIA做動(dòng)態(tài)分析得到數(shù)據(jù)。

圖5 油腔最大面積時(shí)，內(nèi)轉(zhuǎn)子凸齒外徑與內(nèi)轉(zhuǎn)子構(gòu)成的截面積

圖6 油腔最大面積時(shí)，內(nèi)轉(zhuǎn)子凸齒外徑與外轉(zhuǎn)子構(gòu)成的截面積

綜合以上分析，當(dāng)機(jī)油泵中的油腔最大面積時(shí)，內(nèi)轉(zhuǎn)子凸齒外徑與內(nèi)轉(zhuǎn)子構(gòu)成的截面積45.168 mm2，內(nèi)轉(zhuǎn)子凸齒外徑與外轉(zhuǎn)子構(gòu)成的截面積59.376 mm2.4A15汽油發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子厚度10.2 mm（見圖7），內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一致。

圖7 轉(zhuǎn)子厚度

因此，可以計(jì)算出機(jī)油泵的供油量：

轉(zhuǎn)速為6 000 rpm（最大功率82 kW）時(shí)，

qve=（45.168+59.376）×10×10.2×6 000× 60 × 0.8/106=3071.1（L/h）

轉(zhuǎn)速為2 000 rpm（最高功率26.5 kW）時(shí)，

qve=（45.168+59.376）×10×10.2×2 000× 60 × 0.8/106=1023.7（L/h）

3.3 分析

（1）在極限狀態(tài)下轉(zhuǎn)速6 000 rpm（最大功率點(diǎn)82 kW）時(shí)，機(jī)油泵的供油量2741.8<3071.1<3655.7，滿足要求；

（2）在極限狀態(tài)下轉(zhuǎn)速2 000 rpm（最高功率26.5 kW）時(shí)，機(jī)油泵的供油量886.1<1023.7<1181.4，滿足要求。

4 結(jié)論

通過以上計(jì)算得出，在轉(zhuǎn)速6 000 rpm（最大功率點(diǎn)82 kW）和轉(zhuǎn)速2 000 rpm（最高功率為26.5 kW）時(shí)，設(shè)計(jì)的機(jī)油泵供油量都滿足4A15汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求。

[1]周龍保．內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]日本自動(dòng)車技術(shù)會(huì)編．汽車工程手冊(cè)4，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)篇[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，2010.

[3]徐 兀.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)代設(shè)計(jì)[M]．北京：人民交通出版社，1995.

The Design Performance Check of 4A15 Engine Oil Pump

XIE Dai-biao
（Liuzhou Wuling Liuji Power Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545005，China）

In this paper，the flow rate of the 4A15 engine oil pump on the speed of 2000RPM and 6000RPM is calculated by empirical formula.Calculation and analysis verified that the design flow rate of the oil pump meet the performance requirements of the engine.

engine oil pump；the design of oil pump；performance check

U464

A

1672-545X（2017）10-0038-03

2017-07-30

謝代標(biāo)（1982-），男，廣西羅城人，工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)。