某柴油機潤滑系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)及試驗驗證

馮愛秀，陳偉（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

某柴油機潤滑系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)及試驗驗證

馮愛秀，陳偉
（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

為滿足某柴油機對潤滑系統(tǒng)的開發(fā)需求，對潤滑系統(tǒng)進行了一維流體穩(wěn)態(tài)模擬計算分析，從而確定潤滑系統(tǒng)零部件的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，使發(fā)動機各零部件之間有合理的流量和阻力分配。同時通過性能試驗驗證以及耐久可靠性試驗的考核，確定了該發(fā)動機的潤滑系統(tǒng)設(shè)計滿足整機要求。

潤滑系統(tǒng)機油泵一維分析試驗驗證

1 概述

潤滑系統(tǒng)是發(fā)動機的重要系統(tǒng)之一，它能保證發(fā)動機的良好潤滑，減少各運動副的摩擦和磨損，從而減少發(fā)動機的功率損失；同時潤滑系統(tǒng)可增強活塞和缸套間的密封性、消除軸承與其它零部件之間的沖擊載荷，潤滑系統(tǒng)還會帶走摩擦副產(chǎn)生的摩擦熱，可以在一定程度上防止發(fā)動機零件溫度過高。隨著CAE技術(shù)的發(fā)展，一維流體分析軟件Flowmaster得到了很好的應(yīng)用，它可以對流體系統(tǒng)快速建模，通過仿真計算和結(jié)果分析，大大提高流體系統(tǒng)的計算精度，縮短項目開發(fā)周期。本文中某款柴油發(fā)動機的開發(fā)，潤滑系統(tǒng)就運用了Flowmaster流體分析軟件，用以確定潤滑系統(tǒng)阻力分布和流量分配，后續(xù)再通過試驗來驗證系統(tǒng)的功能性和可靠性。

2 潤滑系統(tǒng)概述

該柴油機是對標(biāo)當(dāng)今世界上最先進的重型車用柴油機，與AVL公司聯(lián)合開發(fā)設(shè)計的全新發(fā)動機，此發(fā)動機技術(shù)先進性、質(zhì)量可靠性和燃油經(jīng)濟性等方面與國內(nèi)同類產(chǎn)品比較具有顯著優(yōu)勢。主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 柴油機主要技術(shù)參數(shù)

該柴油機潤滑系統(tǒng)采用了主油道油壓反饋方案,即主油道油壓直接反饋給機油泵處的調(diào)壓閥。這種結(jié)構(gòu)更易保證主油道壓力的穩(wěn)定性，同時調(diào)節(jié)多余的機油泄流回機油泵部件的低壓區(qū)，減少機油泵的功率消耗。此外為延長機油濾清器和機油的壽命，該柴油機配置了離心式機油濾清器。后經(jīng)多臺整車道路試驗證明，此款柴油機換油里程可高達10萬公里，大大降低了用戶的維修成本。此款柴油機的潤滑系統(tǒng)示意圖見圖1。

從圖1可以看出，除了機油泵、機油冷卻模塊，各摩擦副主要包括主軸承、連桿軸承、增壓器以及氣缸蓋系統(tǒng)中各配氣機構(gòu)的襯套，還包括齒輪系、空壓泵、燃油泵等需要潤滑的其它零部件。

圖1 潤滑系統(tǒng)示意圖

3 潤滑系統(tǒng)一維流動分析計算

潤滑系統(tǒng)設(shè)計首先需確定系統(tǒng)流量、系統(tǒng)油路管徑大小及機油冷卻器的散熱量等基本參數(shù)，同時對機油濾清器、活塞冷卻噴嘴等零部件的流量及阻力特性作初步預(yù)估，保證發(fā)動機在低速時能得到良好潤滑，在高速時機油泵及摩擦副消耗的能量要低。通過多款機型的對標(biāo)數(shù)據(jù)分析，結(jié)合經(jīng)驗公式，機油泵流量設(shè)定為170 L/min，機油泵吸油管流速限定在2.5m/s以下，機油泵后各高壓區(qū)管路流速限定在5m/s以下。

主軸承處機油的需求量參數(shù)根據(jù)EXCITE計算結(jié)果導(dǎo)入到Flowmaster模型中。潤滑油為15W40，在壓力為400 kPa，溫度為120℃的條件下，活塞冷卻噴嘴流量為7.2 L/min，限壓閥開啟壓力120 kPa，全開壓力為160 kPa，其詳細的輸入特性曲線見圖2。機油冷卻器作為潤滑系統(tǒng)中的重要零部件，其流量和阻力特性見圖3。潤滑系統(tǒng)涉及到的零部件和管路眾多，其它輸入在此不一一贅述。

圖2 活塞冷卻噴嘴流量和壓力曲線

圖3 機油冷卻器流量和壓力曲線

結(jié)合整機概念設(shè)計方案，運用Flowmaster軟件建立了潤滑系統(tǒng)模型。模型建好后，分別模擬計算了機油溫度為120℃軸承間隙為85%、機油溫度為100℃軸承間隙為50%、機油溫度為100℃軸承間隙為15%時,三種情況下的穩(wěn)態(tài)計算，各主要節(jié)點處的計算結(jié)果見表2、表3。

從上述結(jié)果來看，各溫度和不同軸承間隙情況下，流經(jīng)主軸承的機油和活塞冷卻噴嘴的機油量占比均較大，其它摩擦副機油需求較少；同時機油泵中的調(diào)節(jié)閥基本是在中高轉(zhuǎn)速開啟；在相同溫度下，隨著軸承間隙的變小，各節(jié)點機油流量變小，而機油壓力變大；在機油溫度為120℃、軸承間隙為85%的情況下，缸蓋最遠端的壓力在600 r/min怠速時機油壓力遠大于設(shè)計限值50 kPa，表明機油泵能力足夠。

表2 壓力分布

表3 流量分布

4 試驗驗證

試驗驗證是發(fā)動機開發(fā)過程中必不可少的環(huán)節(jié)，在此發(fā)動機的開發(fā)中潤滑系統(tǒng)同樣做了大量的性能試驗和可靠性試驗。

以下試驗所用發(fā)動機的主軸承和連桿軸承間隙均為最大值狀態(tài)（除耐久、可靠性試驗外），發(fā)動機軸承間隙數(shù)值見表4。試驗用樣機上布置多個機油壓力測點：機油泵出口、機油冷卻器前、機油冷卻器后、增壓器進油口、缸蓋（制動軸-發(fā)動機最遠端）等測點；在進主油道前的油路中布置機油流量計，以獲得進入主油道的機油量。同時在油底殼和主油道對機油溫度作監(jiān)測。

表4 試驗用發(fā)動機軸承間隙

4.1 穩(wěn)態(tài)工況下機油壓力及流量分布試驗

按外特性運行發(fā)動機，發(fā)動機冷卻液溫度控制在105℃，油底殼機油溫度在標(biāo)定點為120℃，穩(wěn)態(tài)工況下各測點機油壓力和機油泵流量，試驗結(jié)果見圖4。

圖4 機油壓力和流量隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化曲線

從試驗結(jié)果來看，隨著轉(zhuǎn)速的升高，機油泵流量和各測點壓力逐步變大，在調(diào)壓閥開啟前各測點壓力與轉(zhuǎn)速基本呈線性關(guān)系。當(dāng)轉(zhuǎn)速在1 600 r/min左右時調(diào)壓閥開啟，主油道通過反饋油道把壓力傳遞給機油泵，多余的機油通過調(diào)壓閥泄流到機油泵低壓區(qū)，以保證各處壓力在合理范圍內(nèi)。從圖4中也可以看出，缸蓋處在800 r/min時油道壓力為189 kPa，遠大于50 kPa的限值要求。

4.2 熱怠速試驗

發(fā)動機在標(biāo)定工況運行至少15min，油底殼機油溫度穩(wěn)定在121℃時，然后在5 s內(nèi)使發(fā)動機從標(biāo)定轉(zhuǎn)速1 900 r/min降到怠速750 r/min，測量主油道和缸蓋處的機油壓力，見表5。

表5 熱怠速試驗結(jié)果

試驗結(jié)果表明，發(fā)動機急減速后，怠速狀況下主油道和缸蓋兩處機油壓力遠大于最低限值要求，說明機油泵的能力滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

4.3 機油含氣量試驗

機油含氣量試驗主要是測量發(fā)動機在最高機油溫度、不同轉(zhuǎn)速、不同機油容量時的機油含氣量，用以評估油底殼油量是否合理。試驗時發(fā)動機水平放置，出水溫度控制在105℃，機油溫度在120℃左右，試驗采用FEV氣體儀實時記錄機油含氣量值。圖5為油底殼機油量41 L時機油含氣量與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系。從圖中可以看出，機油含氣量隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變大而增加，且整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，機油含氣量均未超過25%的限值。圖6為不同油底殼油量情況下，發(fā)動機在標(biāo)定工況下的試驗結(jié)果。從圖中可以看出，油量低于17 L后，機油含氣量急速增大，這表明此時機油泵已經(jīng)有吸空現(xiàn)象發(fā)生。在17～45 L機油容量下，機油含氣量均小于25%的限值，并處于合理范圍內(nèi)。從上述兩個試驗結(jié)果來看，油底殼機油量名義值確定為37 L是合理的。

圖5 機油含氣量與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系

4.4 發(fā)動機運行時的機油液面檢查試驗

發(fā)動機運行后，潤滑系統(tǒng)各油路均充滿機油，且有部分機油未及時回流到油底殼，為確保油底殼內(nèi)的油量滿足發(fā)動機的使用要求，需作發(fā)動機運行時的機油液面檢查試驗。試驗前標(biāo)定好靜態(tài)時不同機油量情況下油底殼油面高度與機體底面的距離關(guān)系，并減小發(fā)動機運行后曲軸箱壓力對油底殼內(nèi)油面的影響。

圖6機油量與機油含氣量的特性曲線

圖7 為試驗結(jié)果，可以看出發(fā)動機運行時油底殼中機油量減

少了8 L左右。在發(fā)動機運行過程中，從800～1 900 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，油底殼機油量基本保持不變，在最大扭矩轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)受曲軸箱壓力的影響，機油量略有下降。

圖7 油底殼油量與發(fā)動機轉(zhuǎn)速曲線

4.5 整機傾斜試驗

本試驗的目的是驗證潤滑性能和曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)在前后縱傾和左右側(cè)傾時是否符合要求，并確定發(fā)動機傾斜的極限角度。本試驗在發(fā)動機傾斜試驗臺上進行，在不同的油底殼油量下，通過試驗臺架不斷改變發(fā)動機的傾斜角度，直到機油含氣量、機油壓力、扭矩、噪聲等參數(shù)出現(xiàn)異常，即停止試驗。發(fā)動機水平放置時的運行參數(shù)：機油含氣量2%，機油壓力505 kPa，曲軸箱壓力-1 kPa。

本試驗對MAX（油尺上刻線油量）、MIN（油尺下刻線油量）、MIN-5%、MAX+10%四種不同油底殼機油量作整機的傾斜試驗，試驗結(jié)果表明，4種油量下，35°的下坡和左右傾情況下均可安全使用；但當(dāng)油量為MIN-5%時，且下坡度超過20°時，發(fā)動機運行25 s后機油壓力開始下降，見圖8。同時在MIN油量時，下坡度超過25°，發(fā)動機運行30 s后機油壓力開始出現(xiàn)下降。

4.6 耐久、可靠性試驗

此發(fā)動機完成了上萬小時的耐久可靠性試驗，其中包括冷熱沖擊、全速全負荷、交變負荷、負荷循環(huán)等耐久試驗，試驗后解析發(fā)動機及數(shù)據(jù)分析表明，試驗前后機油壓力基本無損失，各摩擦副磨損值均在限值內(nèi)，未出現(xiàn)異常磨損現(xiàn)象，且系統(tǒng)零部件也未出現(xiàn)滲漏油、損壞等失效現(xiàn)象，系統(tǒng)零部件均順利通過了各項發(fā)動機考核。

5 結(jié)論

（1）通過一維Flowmaster流體計算分析，確定發(fā)動機潤滑系統(tǒng)各零部件及管路的主要參數(shù)。

（2）通過多種性能試驗及耐久可靠性考核，驗證了此發(fā)動機潤滑系統(tǒng)的設(shè)計能保證發(fā)動機可靠而長久的工作。

Design and Verification of Lubrication System fora DieselEngine

Feng Aixiu,Chen Wei
（ShanghaiDiesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai200438,China）

In order tomeet the development requirements for lubrication system of some certain diesel engines,aone-dimensional fluid steady-state simulation analysishasbeen conducted on lubrication system to determine the key technical parameters of lubrication system components,achieving reasonable distributions on flow and friction between parts of the engine.Meanwhile,through performance tests on durability and reliability,the design of engine lubrication system has been confirmed to meet the requirementsof theoverallunit.

lubrication system,oilpump,one dimention analysis,testverification

圖8 M IN-5%油量下傾斜試驗結(jié)果

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.02.004

來稿日期：2016-02-28

馮愛秀（1980-），女，工程師，主要研究方向為發(fā)動機潤滑系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)。