某汽油機用可變排量機油泵空化研究＊

胡云萍 唐娟 石秀勇 劉文婷

（1.聊城大學，聊城 252000；2.同濟大學，上海 201804）

1 前言

隨著發動機燃油經濟性和碳排放改善要求的提高，可變排量機油泵作為減少附件能量損耗的一種有效手段而得到推廣和應用[1]。研究表明，應用可變排量機油泵的發動機比應用傳統機油泵的發動機可節省0.5%～3.0%的燃油消耗[2]，但可變排量機油泵在工作過程中可能會產生空化?？栈陌l生不僅會造成機油泵效率下降、噪聲振動加劇，還會導致泵體損傷及縮短泵的使用壽命等問題，因此，分析影響機油泵空化的因素及影響規律具有重要意義。由于機油泵結構的密封性，難以對其空化現象進行攝影觀察，因此，目前多采用仿真分析的方法進行研究，如D Del Campo等人[3]使用FLUENT軟件對外齒輪泵進行了仿真分析，并加入空化模型對空化發生的位置進行了預測；張群峰等人[4]使用STAR-CD軟件對航空發動機用葉片式機油泵進行了模擬，并導入空化模型得到了空化氣體體積分數的分布云圖；黃新良等人[5]基于Pumplinx對某變量齒輪式機油泵的流量特性、扭矩特性和空化特性進行了仿真分析。上述研究雖然對機油泵相關問題進行了有效分析，但未專門針對可變排量機油泵空化問題進行研究，為此，本文基于Pumplinx建立了可變排量機油泵CFD仿真模型，并對空化現象的發生規律和影響因素進行了研究，為可變排量機油泵的設計、空化現象的改善、使用壽命的提高提供理論依據。

2 機油泵CFD仿真模型

2.1 幾何模型

所研究的某葉片式可變排量機油泵幾何參數如表1所列。

表1 葉片式可變排量機油泵幾何參數

機油泵中泄壓閥開啟壓力較高，正常工況下泄壓閥不會開啟，在模擬過程中假設泄壓閥處于關閉狀態，對其進行簡化處理，僅保留其前段通道。

機油泵流體域采用NX8.0軟件提取，并將入口腔、出口腔、反饋油道腔等部分劃分開來，同時對葉片頂部形狀進行簡化處理，假設其形狀與調節環內壁重合。模型采用笛卡爾網格，模型網格總數為398 788個，節點共663 781個。圖1為機油泵網格模型。

2.2 空化計算模型

考慮模型的適應性、收斂性和穩定性，采用Singhal等人提出的全空化模型[6]。該模型基于流體力學中最基本的變密度的標準粘性流動方程和傳統的湍流模型（k-ε方程），認為混合流體密度ρ是關于氣體（包括不凝結氣體和油蒸氣）質量含量f的方程，而f可以通過求解質量和動量守恒方程的傳輸方程得到，ρ與f關系式為：

式中，fg為不凝結氣體質量分數；fv為油蒸氣質量分數；ρv、ρg和ρl分別為油蒸氣、不凝結氣體和液體的密度；Re、Rc分別為氣泡的產生速度和消失速度；Ce、Cc分別為蒸發系數和凝結系數，分別取0.02和0.01。

2.3 工質參數

該機油泵用機油牌號為SAE 5W/30，設置機油溫度為120℃。

圖2為不同機油壓力下機油中溶解氣體的體積分數，圖3為FEV公司實測的機油中總氣體含量（溶解氣體和自由氣體）隨發動機轉速的變化曲線[7]。根據圖2和圖3可求得曲軸箱壓力條件下的溶解氣體體積分數及各轉速下的自由氣體體積分數。機油溫度為120℃時，取空氣密度為0.898 kg/m3、機油密度為794.0 kg/m3，計算得到溶解氣體質量分數為10.2%，不同轉速下自由氣體質量分數見表2。

圖2 機油中溶解氣體體積分數隨機油壓力的變化

圖3 機油中總氣體含量隨轉速的變化

表2 不同發動機轉速下機油中自由氣體質量分數

2.4 邊界條件

2.4.1 機油泵出、入口壓力

機油泵入口壓力采用曲軸箱壓力（86.0 kPa）。以廠家提供的各轉速下發動機主油道壓力為基礎，計算得到的機油泵出口壓力見表3。

表3 不同發動機轉速下機油泵出口壓力

2.4.2 反饋油道入口壓力

基于主油道壓力和試驗測得的反饋油道與主油道壓降，計算得到的反饋油道入口壓力見表4。

表4 不同發動機轉速下反饋油道入口壓力

2.5 模型參數設定

流動模型中收斂因子取0.1，速度壓力耦合采用Simple方法[8]；湍流模型采用標準k-ε模型，收斂因子取0.1；空化模型分別采用定常和平衡態模型；旋轉運動模型中調節環轉動慣量為1.12×10-4kg·m2，扭矩系數為250.0 N·m/rad，預緊力矩為14.7 N·m，調節環角位移范圍為0°～1.08°。

2.6 初始條件

流體域內初始壓力與機油泵入口壓力相同，初始速度為零?？栈Ｐ椭谐跏細怏w質量分數與機油泵入口處機油氣體質量分數相同，機油蒸氣初始質量分數為零。

3 仿真結果與試驗驗證

空化計算模型分為定常氣體質量分數模型（簡稱定常模型）和平衡態氣體質量模型（簡稱平衡態模型）兩種。為選擇最佳模型對空化問題進行分析，分別基于兩模型進行了機油泵出口流量仿真，并根據發動機工況性能試驗要求對機油泵進行了臺架性能試驗。機油泵出口流量試驗和仿真結果對比見圖4。

圖4 機油泵出口流量仿真與試驗結果對比

由圖4可看出，在低速段，仿真結果與試驗結果吻合較好；在高速段，仿真結果略高于試驗結果。主要原因為：CFD模型中沒有考慮機油泵運動部件的彈性及變形，部件均假設為剛體，對流量計算產生了一定影響；模型中僅設置了葉片頂隙機油的泄露，對泵腔內機油泄漏情況難以精確模擬，所用樣件為雕刻件，精度較低，這也會造成泵腔內機油泄漏量偏大。另外，發動機轉速為6 000 r/min時，因模型的簡化導致模擬的空化現象比實際情況嚴重，模擬的出口流量下降，而實測的出口流量基本與轉速為5 000 r/min時的流量相同。盡管仿真結果存在一定誤差，但仍能較好地描述實際情況的變化趨勢。

由圖4還可看出，兩種模型得出的流量差不超過2.5 L/min，平衡態模型計算的流量低于定常模型，流量差異隨轉速的升高而增大。主要原因是：平衡態模型計入了溶解氣體，與定常模型相比，其計算的葉片腔總氣體體積分數大、流量小。葉片腔總氣體體積分數（簡稱空泡體積分數）為液體中的空泡體積（包括不凝結氣體和油蒸氣）占總流體體積的百分比。

考慮平衡態模型計入了溶解氣體的影響，更接近真實工況，故基于平衡態模型對空化問題進行分析。

4 空化發生規律分析

采用空泡體積分數描述泵腔內某處空化的嚴重程度，某區域內空泡體積分數越大，即表明該處空化現象越嚴重。

4.1 空化發生位置分析

以發動機轉速為5 000 r/min工況為例分析空化發生位置。圖5為機油泵空泡體積分數和機油泵壓力分布云圖。

由圖5可看出，空化發生的主要位置集中在機油泵葉片腔入口側附近，且集中在各葉片腔下游。對比機油泵壓力圖（圖5b）可知，空化區域與低壓區域的分布位置基本一致，說明空泡的分布受壓力場影響較大。

圖5 發動機轉速為5 000 r/min時空泡體積分數和機油泵壓力分布云圖

4.2 空化程度隨轉速變化分析

圖6為不同發動機轉速下流體域內空泡體積分數分布情況。當發動機轉速為4 000 r/min時，空化尚不明顯，空泡體積分數最高僅約為50.0%左右，氣泡主要分布在入口側；隨轉速升高，空化現象加??；當發動機轉速為6 000 r/min時，有大片區域的空泡體積分數接近100.0%，氣泡集中范圍擴大，出、入口過渡區域也有大量氣體集中，這是由于空泡體積過大且進入過渡區域后未完全潰滅造成的。

圖6 不同發動機轉速下空泡體積分數分布云圖

結合空化發生位置分析可知，空化的主要成因是高轉速下機油泵入口吸油不充分，機油未能及時吸入，導致葉片腔內產生低壓區，引發空泡富集。

5 影響空化的因素分析

根據空泡形成機理，影響空泡形成及空泡體積變化的主要因素包括工質參數和邊界條件，如機油含氣量、溫度和粘度，機油泵入口壓力及入口幾何結構等。本文以發動機轉速為5 000 r/min時的工況為例進行分析。

5.1 機油含氣量影響

圖7為機油含氣量gf分別為0.014%、0.020%和0.025%時的機油泵出口流量、空泡體積分數模擬結果，空泡體積分數分布云圖如圖8所示。

圖7 機油含氣量對機油泵出口流量和空泡體積分數影響

圖8 不同機油含氣量下空泡體積分數分布云圖

由圖7可看出，隨機油含氣量增加，機油泵出口流量明顯下降，機油含氣量從0.014%增大至0.025%時，出口流量下降了15.3%。而空泡體積分數隨機油含氣量的增加明顯增大，空泡體積分數與流量之間存在反向關系。由圖8可見，空泡體積分數的分布未隨機油含氣量的增大而發生顯著變化，說明機油含氣量對空泡體積分數分布影響較小。

由上述分析可知，機油含氣量與機油泵出口流量的變化趨勢相同，與空泡體積分數的變化趨勢相反，空泡體積分數在葉片腔內的分布情況受機油含氣量的影響較小。

5.2 機油溫度影響

圖9為機油溫度分別為80℃、100℃和120℃工況下的機油泵出口流量和空泡體積分數。由圖9可看出，油溫從80℃升到120℃時，機油泵出口流量僅下降了約3.1%，空泡體積分數僅增大了約4.3%。分析認為，空泡的主要成分為不凝結氣體，油溫主要影響機油蒸氣的形成，對不凝結氣體體積分數變化的影響較小，進而對空泡體積分數的影響也較小，即油溫對空泡體積分數的分布影響可忽略。

圖9 機油溫度對機油泵出口流量和空泡體積分數的影響

5.3 機油粘度影響

圖10為機油型號分別為0W/20、5W/30和5W/40時的機油泵出口流量和空泡體積分數。由圖10可看出，當機油型號由0W/20變為5W/40時，其粘度增大了約57.0%，但機油泵出口流量僅下降了0.7%，空泡體積分數僅增大了0.4%，說明機油粘度帶來的表面張力變化相對于壓力場對空泡體積分數的影響可以忽略。同時，機油粘度對空泡體積分數分布的影響也可忽略。

圖10 機油粘度對機油泵出口流量和空泡體積分數的影響

5.4 機油泵入口壓力影響

分別取機油泵入口壓力為86.0 kPa、100.0 kPa和120.0 kPa進行模擬，結果如圖11和圖12所示。

圖11 機油泵入口壓力對出口流量和空泡體積分數的影響

圖12 不同機油泵入口壓力下空泡體積分數分布云圖

由圖11、圖12可看出，當機油泵入口壓力從86.0 kPa升高至120.0 kPa時，機油泵出口流量增大了約17.1%，空泡體積分數降低了約43.0%。由此可知，提高機油泵入口壓力對降低空化程度有顯著效果。機油泵入口壓力升至120.0 kPa后，過渡區域的空化現象基本消失，入口側的空化區域面積大幅減小，整體上空化程度得到大幅緩解。

6 結束語

為改善某汽油機用葉片式可變排量機油泵空化現象，利用Pumplinx軟件建立了機油泵的CFD模型，對泵腔內的空化現象進行了仿真分析及試驗驗證，結果表明，空化主要發生在機油泵泵腔內入口側，空化程度隨轉速增大而加重，且空泡的主要成分為不凝結氣體；機油含氣量、入口壓力和入口幾何結構對泵內空化程度影響較大；工質參數對泵內空化影響相對較??；減小機油含氣量、增大入口壓力可有效減輕泵內空化程度。

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