于德政，袁海馬，張治國

（華晨汽車工程研究院動力總成設(shè)計處，遼寧 沈陽 110114）

引言

現(xiàn)代汽車發(fā)動機是一個由300 多個零部件組成的復(fù)雜精密配合系統(tǒng)，各零部件之間的正常配合運轉(zhuǎn)，直接關(guān)系到發(fā)動機的穩(wěn)定性、耐久性，以及發(fā)動機性能能否達到設(shè)計指標(biāo)，進而影響到整車的動力性、經(jīng)濟性、穩(wěn)定耐久性。減少配合件間不必要的摩擦損失，實現(xiàn)各子系統(tǒng)零部件的精準(zhǔn)配合，需要可靠而穩(wěn)定的機油潤滑系統(tǒng)的支持。

發(fā)動機潤滑系統(tǒng)不僅可以在零部件運動表面形成油膜，減少摩擦阻力，降低零部件的磨損；同時機油在潤滑系統(tǒng)內(nèi)不斷循環(huán)流動，保持摩擦表面清潔，帶走磨屑和其他異物，還可以冷卻運動表面。因此潤滑系統(tǒng)的合理開發(fā)是保證發(fā)動機性能的基礎(chǔ)。

所以發(fā)動機設(shè)計過程中，需要對潤滑系統(tǒng)進行獨立試驗驗證，以保證發(fā)動機設(shè)計性能。本文將針對某型1.5 升增壓直噴發(fā)動機機潤滑系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計進行介紹。

1 問題描述

該款1.5 升增壓直噴發(fā)動機在首輪潤滑系統(tǒng)功能性試驗中在800rpm～1000rpm 時，位于潤滑系統(tǒng)末端的真空泵油道壓力低于其功能限值要求（不小于0.6bar），導(dǎo)致真空泵無法正常工作。因此判定該潤滑試驗不合格，潤滑系統(tǒng)設(shè)計不合理。

通過對首輪潤滑試驗中各機油壓力點數(shù)據(jù)的分析，以及對比機油濾清器、機油冷卻器等部分零部件的機油壓力損失試驗數(shù)據(jù)，判斷該發(fā)動機潤滑系統(tǒng)末端機油壓力不足，并導(dǎo)致真空泵無法正常工作的主要原因有兩點，分別是：

（1）機油泵設(shè)計不合理，機油泵出流量壓力偏小。

（2）發(fā)動機潤滑系統(tǒng)部分位置油道結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，對機油造成截流，致使機油壓力損失較大。

分析試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，機油濾清器與機油冷卻器之間連接的缸體油道的機油壓力損失較大，發(fā)動機在4500rpm 至600rpm 之間時，機油濾清器與機油冷卻器之間的機油壓力差約為0.8bar。

2 優(yōu)化設(shè)計方案

為提高發(fā)動機潤滑系統(tǒng)末端機油壓力，以達到真空泵工作機油壓力最低限值，針對上述總結(jié)分析的兩點主要原因，通過以下兩方案對潤滑系統(tǒng)進行優(yōu)化：

（1）優(yōu)化機油泵結(jié)構(gòu)參數(shù)，增加機油泵泵油量，直接提高潤滑系統(tǒng)末端機油壓力，以滿足真空泵機油壓力限值要求。

（2）優(yōu)化機油濾清器與機油冷卻器之間的缸體油道結(jié)構(gòu)，減小機油壓力損失，間接提高真空泵油道壓力。

具體方案是，增大油道直徑，由φ12 擴徑到φ13；同時更改缸體機油濾清器底座進油口油路結(jié)構(gòu)，如下圖：

圖1 更改前更改后對比圖

3 優(yōu)化設(shè)計方案

3.1 模擬計算結(jié)果

基于該1.5 升增壓直噴發(fā)動機幾何結(jié)構(gòu)，通過GT-Power建立潤滑系統(tǒng)模型，如下圖：

圖2

模型中各結(jié)構(gòu)參數(shù)均依據(jù)原機首輪潤滑系統(tǒng)試驗實際參數(shù)輸入，各流量件機油壓力損失輸入?yún)?shù)不變，機油溫度設(shè)定為90℃，模型參數(shù)僅根據(jù)優(yōu)化方案對機油泵和缸體油道參數(shù)進行修改，并分別計算發(fā)動機主油道機油壓力。

方案一：

將機油泵流量分別提高5%和10%，通過潤滑系統(tǒng)模型計算發(fā)動機主油道機油壓力，結(jié)果如下：

表1

方案二：

維持原有機油泵流量參數(shù)不變，依據(jù)優(yōu)化方案二的缸體油路結(jié)構(gòu)，參照油路尺寸更改潤滑系統(tǒng)模型對應(yīng)參數(shù)，模型更改如下圖：

圖3 更改前

圖4 更改后

再次計算發(fā)動機主油道機油壓力，結(jié)果如下：

表2

通過兩組方案模擬計算結(jié)果可以證明，方案一及方案二均能有效提高主油道油壓，進而保證真空泵工作油壓，且兩方案對潤滑系統(tǒng)的優(yōu)化效果基本相當(dāng)。但為確保優(yōu)化方案及模擬計算的準(zhǔn)確性，以及選擇更合適的優(yōu)化方案對該發(fā)動機潤滑系統(tǒng)進行修改優(yōu)化，需對兩方案再次進行試驗驗證。

3.2 試驗驗證

由于機油泵樣件制作周期的影響，決定首先對方案二進行潤滑系統(tǒng)試驗驗證。若試驗發(fā)現(xiàn)發(fā)動機主油道機油壓力偏低現(xiàn)象無明顯改善，則制作機油泵樣件，對方案一進行試驗驗證。

依據(jù)優(yōu)化方案二，更改發(fā)動機缸體油道結(jié)構(gòu)，加工準(zhǔn)備缸體樣件，更換首輪潤滑系統(tǒng)功能試驗發(fā)動機缸體，其他零部件不做更換，以便減小其他零部件對試驗結(jié)果的影響。

本次驗證試驗試驗條件及工況與首輪試驗內(nèi)容一致，共分2 部分進行試驗驗證，試驗程序如下：

表3

圖5 出水溫度90℃，機油壓力圖

圖6 出水溫度100℃，機油壓力圖

此次驗證試驗主要對發(fā)動機主油道機油壓力、真空泵油道機油壓力、機油濾清器后機油壓力和機油冷卻器前機油壓力進行監(jiān)測，以驗證優(yōu)化方案二的實際效果，試驗數(shù)據(jù)如上圖。

試驗數(shù)據(jù)顯示，無論出水溫度是90℃還是100℃，主油道及真空泵機油壓力均有提高，真空泵機油壓力滿足其功能最低限值，且機油濾清器與機油冷卻器之間的機油壓力差降低至0.4bar。

4 結(jié)論

依據(jù)試驗驗證結(jié)果，發(fā)動機潤滑系統(tǒng)優(yōu)化采用修改周期短且更改成本更低的方案二。通過對模擬計算數(shù)據(jù)以及試驗數(shù)據(jù)的分析，證明優(yōu)化方案二能夠有效降低缸體油道機油壓力損失，提高主油道及真空泵機油壓力，保證真空泵工作機油最低限值。確認(rèn)造成原機真空泵油壓不足的主要原因是機油濾清器與機油冷卻器之間的缸體油道機油壓力損失過大。為減小油道對機油壓力的影響，應(yīng)盡量增大油路直徑，減少油道變徑數(shù)量，并盡量保證油道大徑處與小徑處連接光滑，減小油道直徑突變。