某汽油機機油含氣量高問題分析與優化

陽焱屏 吳慶先 章成 于士博 李云虹

摘 要：某汽油機進行傾斜試驗開發時，由于水平及傾斜狀態機油含氣量高，使得特定條件下傾斜角度小于設計目標。利用Pro-E模擬水平及傾斜狀態油底殼機油液面分布，從機油含氣量的產生機理入手，分析高液位含氣量高的主要原因為平衡軸及鏈條攪油，傾斜時低液位含氣量高的原因為機油泵吸油口與機油液面的距離與平衡軸攪油相互影響;并在此基礎上對油底殼和機油泵進行優化設計及試驗驗證，試驗結果表明設計優化后各個液位平衡軸攪油減少，機油含氣量均有不同程度改善，傾斜角度滿足設計目標。

關鍵詞：汽油機;傾斜試驗;機油含氣量;Pro-E;機油液面分布

中圖分類號：U464.171 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）21-100-04

Abstract： When a gasoline engine is developed in tilt test， because of the high gas content in the horizontal and inclined state， the tilt angle of the gasoline engine is smaller than the design target. According to Pro-E simulation analysis of the oil level distribution of the horizontal and inclined oil sump and the formation mechanism of oil gas content， the main reason for the high oil gas content is the balance shaft and chain oil mixing in the high oil level， the another reason for the high gas content in the low oil level is that the distance between the oil suction port of the oil pump and the oil level of the machine is small. On this basis， the oil sump and the oil pump were optimized and tested. The test results showed that after the optimization of the design， the balance shaft churns less oil at different oil levels， the oil content was improved in different degrees and the tilt Angle met the design goal.

Keywords： Gasoline engine; Tilt test; Oil gas content; Pro-E; Oil level distribution

CLC NO.： U464.171 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）21-100-04

前言

當汽車在拐彎、加/減速或在傾斜路面行駛時，發動機內的機油液面會在離心力、慣性及重力的作用下，相對發動機油底殼平面發生一定角度的傾斜。發動機傾斜試驗是為了評測發動機在傾斜狀態下，潤滑系統和曲軸箱通風系統能否工作正常。傾斜試驗的評價指標主要有曲軸箱通風管是否竄油、機油壓力低限值，機油壓力波動以及機油含氣量，機油含氣量是影響發動機潤滑性能的直接因素，進而影響發動機摩擦功、振動及噪聲等性能[1-4]。

本文研究的發動機進行傾斜試驗開發時，水平狀態機油含氣量超出限值15%;且傾斜過程中曲軸箱通風管未發生竄油，機油壓力波動及低限值均合格，但機油含氣量超出限值25%，導致多個方向傾斜角度小于設計目標25°。本文通過Pro-E軟件模擬發動機水平狀態以及傾斜狀態油底殼機油液面分布，分析機油含氣量高的原因后，對油底殼、機油泵吸油口進行優化設計，通過搭建簡易傾斜臺架進行傾斜試驗，對比分析設計優化后含氣量改善情況以及傾斜角度是否達到設計目標。

1 含氣量高原因分析及對策

為分析機油含氣量高的具體原因，本文利用Pro-E對發動機水平及傾斜狀態油底殼機油液位分布進行3D仿真，從機油含氣量的產生機理入手，重點分析了機油含氣量高的原因，在此基礎上對油底殼和機油泵進行優化設計。

1.1 水平狀態下高液位含氣量高原因分析

圖1為原機傾斜試驗開發時水平狀態機油含氣量分布，當機油液位≥3.8L時，機油含氣量高于限值15%。結合Pro-E仿真3D液面分析，圖2為機油液位4.95L靜置時液面分布，圖3、圖4、圖5分別為機油液位4.95L、4L及3.7L額定轉速運行時液面分布。

結果顯示，機油液位4L時油底殼機油淹沒平衡軸軸承孔1/4，平衡塊浸沒在機油液面下，平衡塊攪動機油產生的氣泡從軸承孔逸出后被機油泵吸入;機油液位3.7L機油液面基本脫離平衡軸軸承孔，平衡塊浸沒深度及機油攪動情況較4L時改善，且機油攪動產生的氣泡從軸承孔逸出到曲軸箱，機油泵吸入氣泡減少，機油含氣量下降，與試驗結果相吻合。

綜上分析，水平狀態3.8L以上液位機油含氣量高的原因是平衡塊攪油嚴重，產生大量氣泡未及時消散，通過軸承孔處間隙逸出被機油泵吸入。

1.2 傾斜狀態下含氣量高原因分析

發動機傾斜試驗時當機油含氣量超出限值25%，則終止試驗，傾斜角度設計目標為25°。圖6為發動機向進氣、排氣、正時及飛輪方向傾斜各個液位傾斜角度結果;其中4.5L及4.95L液位正時側傾斜角度分別為21°、13°，3.3L液位進氣側傾斜角度僅17°，均小于設計目標。

結合發動機整機布置特點，平衡軸沿曲軸方向偏向于正時側，機油泵鏈條驅動機構亦在正時側。4.5L及4.95L液位發動機從水平狀態向正時側傾斜時，平衡塊及鏈條攪油加劇，導致含氣量迅速升高至25%，傾斜角度小于設計目標。3.3L液位向進氣側傾斜含氣量高原因則需進一步分析。

3.3L液位水平狀態、進氣側傾斜終止（17°）、排氣側傾斜終止（27°）的液面分布如圖7、圖8、圖9所示。3.3L液位水平狀態吸油口與液面距離36.5mm，平衡軸不攪油，含氣量處于較低水平（12%，見圖1）;進氣側傾斜終止（17°）與排氣側傾斜終止（27°），吸油口與液面距離相近，前者為27.4mm;后者為28.1mm，平衡塊仍有小部份浸沒在機油中，攪油情況相差無幾。

發動機從水平向進排氣側傾斜，平衡軸攪油從無到有，吸油口與機油液面的距離減少，是傾斜狀態下含氣量升高的原因。進氣側傾斜角度比排氣側更小是因為發動機向進氣側傾斜時，由于油底殼形狀不規則，吸油口與液面的距離減小更快，機油含氣量快速升高至25%。總的來說，3.3L液位含氣量高是吸油口離液面距離減小與平衡塊攪油的綜合作用，平衡塊攪油產生的氣泡逐漸向機油液面消散，越接近液面氣泡密度越高，被機油泵大量吸入。

通過上文分析，降低含氣量最簡單的辦法就是將油底殼加深，最大程度減少平衡軸及鏈條攪油。受限于整車布置空間，將該發動機油底殼在垂直方向向下延伸6mm，綜合考慮各個方向機油泵吸油口與機油液面的距離對油底殼進行修模，同時將機油泵吸油口沿油底殼垂直方向向下延伸8mm，經此設計優化后，同等液位下設變后方案既減少了平衡軸攪油，同時增加了吸油口與液面的距離。設計優化后含氣量改善實際效果如何需進一步進行試驗驗證與分析。

2 機油含氣量設備及限值

原發動機傾斜試驗開發時，機油含氣量設備為X射線含氣量儀，檢測機油所含游離氣體[5]。機油含氣量限值水平狀態為15%，傾斜狀態為25%。

設計優化后發動機傾斜狀態通過簡易傾斜臺架實現，水平及傾斜狀態含氣量測試設備均為為FEV含氣量分析儀，如圖10所示。簡易傾斜臺架可固定發動機在某一傾斜角度，角度步長3°。FEV機油含氣量分析儀通過降低分離腔內的壓力至近真空，從而達到機油與氣體（游離氣與溶解氣）的分離，測量結果為游離氣及溶解氣的總和[6]。圖11為原發動機利用兩種含氣量分析儀測試結果，X射線含氣量分析儀所測機油含氣量較FEV含氣量分析儀所測含氣量少8.6%～9.9%，符合Henry Dalton's定律[7-8]。因此，后文中設計優化前后含氣量分析均為FEV含氣量儀測試結果，水平含氣量限值為25%，傾斜含氣量限值為35%。

3 設計優化前后含氣量分析

3.1 發動機水平狀態含氣量分析

圖12為發動機額定工況水平狀態設計優化前后含氣量分布。設計優化后3.8L及以上液位機油含氣量大大改善，其中4.95L液位含氣量最大為24.8%，滿足限值要求。原因是油底殼加深后，與原機相比同等機油加注量，平衡軸與機油液面垂直方向距離加長，平衡軸攪油情況改善。

另一方面，額定轉速小負荷和全負荷機油含氣量，在主油道機油溫度及壓力相同前提下，結果差異很小，說明發動機熱負荷及曲軸箱漏氣量的差異對含氣量結果影響很小。這也是傾斜時含氣量測量可以通過簡易傾斜臺架進行測試的前提。

3.2 發動機傾斜狀態含氣量分析

3.2.1 3.3L液位向進氣側傾斜

圖13為3.3L液位進氣側傾斜時，設計優化前后含氣量對比。優化前機油含氣量達到限值35%時，傾斜試驗終止，傾斜角度僅17°。設計優化后，傾斜角度15°以上含氣量改善明顯，傾斜至30°時，機油含氣量26.1%，遠小于35%。

圖14、圖15分別為設計優化前后3.3L進氣側傾斜30°時油底殼液面分布。優化前吸油口與機油液面的距離為10.2mm，平衡塊還有一部分浸沒在機油中;優化后吸油口與機油液面的距離為7.9mm，平衡軸的平衡塊完全脫離機油液面。盡管設計優化后吸油口到液面的距離減小了2.3mm，但平衡塊攪油產生的氣泡減少，機油泵吸入氣泡大大減少，機油含氣量因而降低。

3.2.2 4.5L及4.95L液位向正時側傾斜

圖16、圖17為4.5L及4.95L液位正時側傾斜設計優化前/后含氣量對比。設計優化后不僅發動機水平狀態含氣量改善，且隨著傾斜角度增加，含氣量增加趨勢變緩，傾斜角度24°～27°間含氣量達到限值35%，滿足傾斜角度≥25°要求。而優化后4.5L液位機油含氣量改善較4.95L液位更明顯，傾斜角度可達30°以上。

結合設計優化前后液位分布進一步分析機油含氣量改善原因。圖18、圖19分別為設計優化前后4.95L液位向正時側傾斜26°時液面分布。由圖可知，原機吸油口與機油液面距離為56.2mm，但存在平衡軸+機油泵鏈條雙重攪油，尤其是平衡軸攪油距離機油泵吸油口近，相對于鏈條攪油產生的氣泡更容易被機油泵吸入。設計優化后吸油口與液面距離減小至33.4mm，雖然機油泵鏈條仍存在攪油，但平衡軸已脫離機油液位，不存在攪油，機油含氣量反而降低。

4 結論

1）發動機油底殼及機油泵吸油口優化后，機油含氣量改善，傾斜角度達到設計目標;

2）發動機配有平衡軸情況下，油底殼設計時，機油液面模擬分析不僅需保證吸油口不吸空;油底殼液位應盡可能減少平衡軸及鏈條攪油;

3）油底殼設計受整車布置空間限制，無法避免平衡軸攪油時，需綜合考慮平衡軸及鏈條攪油發氣泡量，使吸油口到液面的距離盡可能大。

參考文獻

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