某型柴油機潤滑系統仿真分析

張曉，蘇明亮，王娟，李明海

(1.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028； 2.朔黃鐵路發展有限責任公司，河北 肅寧 062350)*

某型柴油機潤滑系統仿真分析

張曉1，蘇明亮2，王娟1，李明海1

(1.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028； 2.朔黃鐵路發展有限責任公司，河北 肅寧 062350)*

為滿足某型柴油機潤滑系統穩定運行的油壓及流量等參數要求，以柴油機的三維實體模型為基礎，利用AMESim仿真軟件進行建模，通過對計算結果的深入分析，確定了適合此柴油機潤滑系統的機油泵油壓和流量等關鍵參數，最終選定一款出口流量為736.6 L/min，出口壓力為0.804 MPa的機油泵，這一款機油泵能夠滿足柴油機內各個零部件的潤滑需要.

柴油機潤滑系統;油壓;機油泵;仿真

0 引言

跟以往的內燃機相比，近年來對內燃機的性能及結構設計提出了更高的要求，對零部件的設計以及系統的工作原理[1]都要有一個更深的了解.現階段通過各種仿真軟件可以將整個發動機的潤滑系統建模并且對其進行仿真運算，從而得出我們想要的結果，并且根據這些結果對內燃機做出相應的改進.

本文通過計算機仿真技術對某型柴油機的整個機油潤滑系以及其中的每個零部件進行建模，畫出相對應的二維模型，然后在此模型中輸入已知的以及后來計算出的參數并設置好邊界條件，進行仿真運算并得出仿真結果；從而選出最適合這部發動機的機油泵.

1 柴油機潤滑系統設計

內燃機的潤滑系統主要由油底殼、機油泵、冷卻器、主油道、軸承以及活塞的部件構成，另外，還會有溫度表和機油壓力表等輔助部件等.其中潤滑油的流動路徑大致相同，可能會根據不同的外部結構或者外部條件等有所不同，某型柴油機具體的油路如圖1所示[2].

圖1 某型發動機機油流動路徑

存儲在油底殼中的機油被機油泵吸出來經過溢流閥和外部冷卻系統進入機體內，機體內有一條主油道貫穿整個機體組，然后從主油道上的橫向油管進入曲柄連桿機構和凸輪機構，并且對相應的軸承以及活塞組進行潤滑[3].潤滑油經過主油道流向曲軸，通過曲軸和連桿內的油道流向活塞，對活塞和氣缸壁進行潤滑，最后流回油底殼.

2 油膜承載能力分析

內燃機能夠穩定工作時一些重要零部件之間是不能直接接觸的，必須在兩個零部件的表面添加適量的潤滑油，使其能夠在相應的零部件表面形成一層薄薄的油膜，這樣就能避免零部件之間的直接接觸，從而達到對工作系統以及零部件的潤滑.

零部件之間的油楔和相對運動是能夠形成油膜必不可少的兩個條件.另外，機油泵所提供的機油量要足夠大才能滿足各零部件的潤滑.潤滑系統中零部件之間油膜的形成可以用下圖來表示，如圖2所示；當內燃機不工作時軸是不轉的，它會處于最下端的C點，并且是跟軸承接觸的；一旦內燃機開始運轉，各個軸也會跟著旋轉，軸的旋轉同時會帶動軸承間隙中的潤滑油一起轉動，由于軸承和軸頸之間間隙的作用，會導致潤滑油具有一定的壓力，這個力會作用在軸上，隨著發動機轉速的增加，潤滑油的油量也會相應的增加，由此產生的力也會增加，軸就會與軸承脫離并完全被油膜包圍；這樣就能將摩擦阻力最小化，減少了對零部件的摩擦損耗，從而達到潤滑的目的.

圖2 潤滑油膜示意圖

除此之外，潤滑油的選擇同樣對潤滑系統有著重要的影響，一般情況下潤滑油中都會含有抗氧化劑、防腐劑等添加劑，目的是為了大大提高潤滑油的綜合性能；通過試驗可測出潤滑油的低溫流動性、黏度等主要性能參數.機油的黏度會隨著溫度的升高而下降，導致機油變稀，流動性好；相反的，如果外部溫度降低，機油的黏度就會隨之升高，導致機油變稠.因此，我們要根據季節的不同選擇合適的潤滑油來保證整個柴油機的正常運行.

3 仿真計算分析

3.1 潤滑系統模型的建立

通過AMESim軟件對某整個內燃機的三維模型進行整體建模分析.仿真模型主要有機油泵、曲柄連桿機構、凸輪機構以及缸頭的油路組成[4].另外，還有溫度表和機油壓力表等輔助部件.表1為某型柴油機的主要數據參數，表2為受力軸承的結構參數，表3列出的是選擇的機油密度以及運動粘度.

表1 某型內燃機已知數據

表2 主要軸承參數

表3 潤滑油主要參數

3.2 仿真計算結果分析

油底殼中的機油是通過機油泵吸出并加壓，然后經過一系列的外部輔助系統冷卻過濾后進入主油道的，隨著機油流動、管徑變化產生的摩擦阻力等，主油道末端的壓力有所降低，尤其是缸蓋部分的油管比較細可能會導致油壓的降低.所以,為了能夠使內燃機正常運轉，就一定要確保油道內的潤滑油有足夠的壓力.要想滿足這一要求，可以根據下式[5]:

其中,r代表著曲軸半徑，r=137.5 mm；rmin為離中心最近點，值為0 mm.經過計算得出油道內的最低油壓應不小于0.058 MPa.

綜合考慮各種因素之后，最終確定機油溫度為85℃、在轉速為標定工況下對柴油機的潤滑系統進行仿真計算.仿真運算結束后，可以對結果進行分析，調用結果文件，并能生成各種性能圖進行分析.應用AMESim軟件仿真結果可以詳細分析各零部件內的油壓和流量.計算結果顯示：機油泵出口處的油壓力約為0.804 MPa，如圖3，經過熱交換器之后會有一個壓降，所以到達柴油機內主油道處的油壓為0.48 MPa；圖4所示為主油道入口壓力.

圖3 機油泵出口壓力

圖4 主油道進口處油壓

機油經過主油道之后因為摩擦的作用也會有壓力損耗；在主油道最遠端的壓力約為0.47 MPa左右，如圖5所示；搖臂的入口壓力為0.109 MPa，如圖6所示，壓力損失明顯[6].各連桿軸承進口壓力值略有差異，約為0.43 MPa左右；凸輪軸軸承進口壓力也是略有差異，大約在0.47 MPa左右.由于流動的沿程損失，后面的軸承進口油壓雖然略有下降，但經計算得出的各處油壓能夠滿足使用要求，潤滑系統可以保證整個內燃機的正常運轉.

圖5 主油道最末端油壓

圖6 搖臂入口壓力

除了機油泵的壓力之外，機油泵出口的流量也是一項衡量機油泵性能的參數，機油流經主油道，在主油道的末端連接到凸輪軸，機油通過凸輪軸上的支管對凸輪軸軸承以及燃油泵滾輪進行潤滑.經仿真計算得出機油泵的出口流量為736.6 L/min，見圖7.這一流量值能夠保證潤滑系統內有足夠的潤滑油，實現對整個內燃機體內各摩擦副的潤滑.

圖7 機油泵出口流量

4 結論

(1)本文根據柴油機的基本結構以及受力分析，應用AMEsim軟件對某型柴油機的潤滑系統進行了建模與仿真分析，根據仿真結果實現了對整個潤滑系統設計的最優化解決辦法;

(2)分析結果表明:出口流量為736.6 L/min，出口壓力為0.804 MPa的機油泵能夠滿足本柴油機各個零部件的潤滑需要.本款柴油機在保證性能的前提下同時能夠滿足各部件的潤滑要求而且還能降低發動機的功率損耗.

[1]李明海，徐小林．內燃機結構[M]．北京：中國水利水電出版社，2010：214- 224.

[2]劉峰.柴油機潤滑系統仿真及優化研究[D].大連：大連交通大學，2012：23- 24.

[3]張湘東．解開汽車行走之謎[六]——潤滑系統[J]．駕駛園，2007(8)：104- 106.

[4]劉天將．柴油機潤滑系統的仿真模擬與試驗研究[D]．南京：江蘇大學，2011：28- 50.

[5]曹旭．發動機熱管理仿真與試驗研究[D]．上海：上海交通大學，2008：19- 37.

[6]楊躍斌．國Ⅴ柴油機正向開發中潤滑系統的分析研究[D]．天津：天津大學，2012：35- 50.

Simulation Analysis of Diesel Engine Lubrication System

ZHANG Xiao1，SU Mingliang2,WANG Juan1，LI Minghai1

(1.School of Traffic and Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028，China； 2.Shuo Huang Railway Development Company with Limited Liability,Sunning 062350,China)

To satisfy the requirements of a certain type of diesel engine lubrication system and stable operation of oil pressure and flow parameters.AMESim simulation software is used to construct a three-dimensional entity model of diesel engine.Through in-depth analysis of the calculation results,the oil pressure and flow rate are determined,which provides a theoretical basis and design reference for oil pump selection.

diesel engine lubrication system;oil pressure;oil pump；simulation

1673- 9590(2017)05- 0042- 04

A

2016- 03- 09

張曉(1991-)，男，碩士研究生; 李明海(1962-)，男，教授，碩士，主要從事內燃機仿真與性能優化的研究

E-mail:dlminghai@vip.sina.com.