內(nèi)燃機(jī)快速升溫?fù)跤桶宓拈_(kāi)發(fā)

摘要：本文主要是介紹一款新的內(nèi)燃機(jī)快速升溫?fù)跤桶宓拈_(kāi)發(fā)，相比目前市場(chǎng)上正在使用的內(nèi)燃機(jī)擋油板，此快速升溫?fù)跤桶寰哂袃?nèi)燃機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)油的快速升溫，進(jìn)而降低內(nèi)燃機(jī)各個(gè)運(yùn)動(dòng)副的摩擦損失，降低整機(jī)的燃油消耗，通過(guò)整車(chē)NEDC 或者WLTP循環(huán)測(cè)試，可以降低CO2排放2%左右。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī);擋油板;快速升溫;節(jié)能

中圖分類(lèi)號(hào)：TK435 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）09-0011-03

0 ?引言

隨著2019年中國(guó)開(kāi)始實(shí)施的雙積分制，傳統(tǒng)燃油車(chē)平均油耗滿(mǎn)足目標(biāo)值：2020年5升/100km，以后每年會(huì)逐步降低。發(fā)展節(jié)能與新能源汽車(chē)已成為有效緩解中國(guó)能源和環(huán)境壓力、推動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。其中內(nèi)燃機(jī)仍然有潛力可以挖掘，做到關(guān)鍵零部件的技術(shù)創(chuàng)新，依然可以降低油耗，助力建設(shè)節(jié)能環(huán)保可持續(xù)發(fā)展的城市生態(tài)。本文主要介紹下內(nèi)燃機(jī)曲軸箱里的擋油板通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)機(jī)油的快速升溫，達(dá)到降油耗的目的。

1 ?概述

此內(nèi)燃機(jī)快速升溫?fù)跤桶鍙?018年10月開(kāi)始立項(xiàng)開(kāi)發(fā)，采用正向全新設(shè)計(jì)，高度集成擋油板的各個(gè)組件，滿(mǎn)足客戶(hù)各種功能指標(biāo)的要求。歷經(jīng)對(duì)市場(chǎng)上已有擋油板對(duì)標(biāo)分析，獨(dú)特的方案設(shè)計(jì)，產(chǎn)品三維模型構(gòu)建，二維圖紙的定稿，軟硬模階段的零部件級(jí)別，整車(chē)的產(chǎn)品生產(chǎn)驗(yàn)證，最終很好的滿(mǎn)足了客戶(hù)要求。

試驗(yàn)研究表明內(nèi)燃機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)，由于內(nèi)燃機(jī)機(jī)身冷，溫度低，機(jī)油粘度比較大，燃油不易燃燒，內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部的摩擦損耗比較大，燃油消耗比較大。通過(guò)內(nèi)燃機(jī)NEDC循環(huán)試驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)內(nèi)燃機(jī)冷啟動(dòng)的溫度升高30℃時(shí)，在ECE1階段CO2排放能降低29%，整個(gè)NEDC循環(huán)內(nèi)CO2排放能降低13%。內(nèi)燃機(jī)NEDC循環(huán)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖1所示。

從圖1試驗(yàn)數(shù)據(jù)上看，增加內(nèi)燃機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)機(jī)油的溫度，能明顯降低整個(gè)NEDC循環(huán)的CO2排放，即達(dá)到降油耗的目的。怎樣使冷啟動(dòng)時(shí)機(jī)油能快速升溫呢？方法有很多種，比如增加電子水泵，先進(jìn)的潤(rùn)滑系統(tǒng)，優(yōu)化的熱管理系統(tǒng)，我們從投入成本和CO2排放降低的產(chǎn)出對(duì)比，發(fā)現(xiàn)上述措施的性?xún)r(jià)比并不是很高。我們需要一種投入成本比較低，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，CO2排放又能顯著降低的方案。結(jié)合我們?cè)趦?nèi)燃機(jī)熱管理方面多年的技術(shù)沉淀和研究，我們提出了顛覆性的解決方案，與傳統(tǒng)的擋油板設(shè)計(jì)不同，傳統(tǒng)的擋油板和吸油管是分開(kāi)布置在曲軸和油底殼之間的空腔內(nèi)，擋油板防止油底殼里機(jī)油飛濺，吸油管從油底殼里輸送機(jī)油到機(jī)油泵。擋油板和吸油管在輸送機(jī)油的通道上是沒(méi)有聯(lián)系的。顛覆性設(shè)計(jì)方案在于想辦法把擋油板和吸油管在輸送機(jī)油的通道上有聯(lián)系。下面重點(diǎn)介紹內(nèi)燃機(jī)快速升溫?zé)嵊桶宓脑O(shè)計(jì)。

2 ?內(nèi)燃機(jī)快速升溫?fù)跤桶宓脑O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

下面介紹下內(nèi)燃機(jī)快速升溫?fù)跤桶甯鱾€(gè)組件的詳細(xì)設(shè)計(jì)以及主要性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。快速升溫?fù)跤桶宓慕Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

快速升溫?fù)跤桶逯饕阅苤笜?biāo)：

機(jī)油泵常用流量為25L/min，最大流量為60L/min。

機(jī)油泵穩(wěn)態(tài)下，正常工作壓力為5bar以?xún)?nèi)，瞬時(shí)可以達(dá)到7bar，到了7bar以后，內(nèi)部旁通閥會(huì)打開(kāi)。

機(jī)油型號(hào)為0W-20。

內(nèi)燃機(jī)主油道回油的最大流量：當(dāng)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速為6000rpm時(shí)，90℃時(shí)主油道最大回油量為7L/min，140℃時(shí)主油道最大回油量為8.5L/min。

雙金屬片耐久測(cè)試至少6萬(wàn)次，耐久測(cè)試完成后，雙金屬片的開(kāi)閉功能正常。

模態(tài)要求：一階模態(tài)大于250Hz。

內(nèi)燃機(jī)油底殼里一般有4-6升機(jī)油，內(nèi)燃機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)，機(jī)油會(huì)經(jīng)過(guò)吸油管后進(jìn)入機(jī)油泵，然后進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)，最后機(jī)油會(huì)從主油道流回?fù)跤桶搴陀偷讱ぁＵ麄€(gè)機(jī)油循環(huán)路徑比較長(zhǎng)，內(nèi)燃機(jī)暖機(jī)時(shí)間比較長(zhǎng)，通常要10分鐘左右。在內(nèi)燃機(jī)暖機(jī)過(guò)程中，燃油消耗比較高。如果暖機(jī)時(shí)間可以縮短，內(nèi)燃機(jī)的燃油消耗可以明顯降低，目前市場(chǎng)上的內(nèi)燃機(jī)絕大部分采用的是油底殼里的機(jī)油全部參與內(nèi)燃機(jī)的暖機(jī)過(guò)程。本內(nèi)燃機(jī)快速升溫?fù)跤桶宓脑O(shè)計(jì)采用的是雙金屬片把機(jī)油的循環(huán)路徑分成兩個(gè)獨(dú)立的部分，即當(dāng)機(jī)油溫度低于某個(gè)目標(biāo)值，比如75℃時(shí)，從擋油板回來(lái)的熱油經(jīng)過(guò)關(guān)閉的雙金屬片形成的通道，溫度比較高的機(jī)油由于距離吸油口比較近，并且機(jī)油粘度相對(duì)低，此時(shí)的機(jī)油很容易被機(jī)油泵吸走，這樣循環(huán)往復(fù)，整個(gè)參與內(nèi)燃機(jī)暖機(jī)過(guò)程的機(jī)油只有1.5升左右，主油道機(jī)油溫度達(dá)到80℃的時(shí)間會(huì)比全部機(jī)油參與暖機(jī)的時(shí)間提前30秒左右。當(dāng)機(jī)油溫度大于75℃時(shí)，雙金屬片會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，從擋油板回來(lái)的熱油會(huì)直接經(jīng)過(guò)打開(kāi)的雙金屬片流回油底殼，這樣熱的機(jī)油和油底殼里冷的機(jī)油混合，然后被機(jī)油泵吸走。這樣內(nèi)燃機(jī)暖機(jī)的時(shí)間會(huì)提前，整個(gè)冷啟動(dòng)階段的燃油消耗會(huì)降低。本內(nèi)燃機(jī)快速升溫?fù)跤桶宓脑O(shè)計(jì)獨(dú)特之處在于把擋油板和吸油管用獨(dú)立通道連接起來(lái)，在擋油板上可以設(shè)置一個(gè)或者幾個(gè)雙金屬片，當(dāng)機(jī)油溫度沒(méi)有達(dá)到雙金屬片的開(kāi)啟閥值時(shí)，從擋油板流回的熱油只能流入獨(dú)立的回油通道，機(jī)油流到吸油口處，很容易被機(jī)油泵再次吸入，參與暖機(jī)過(guò)程。當(dāng)機(jī)油溫度高于雙金屬片的開(kāi)啟閾值時(shí)，擋油板上的雙金屬片會(huì)開(kāi)啟，從擋油板上流回的機(jī)油會(huì)從開(kāi)啟的雙金屬片窗口處直接流到油底殼。

雙金屬片一端采用自攻螺釘固定在壓板上，另外一端是自由狀態(tài)。如圖3所示。

雙金屬片材料是鐵鎳合金材料，其中一層金屬片是活性層，對(duì)溫度比較敏感，另外一層金屬片是惰性層，在-40℃到200℃范圍內(nèi)對(duì)溫度變化不敏感，雙金屬片的開(kāi)啟閾值可以根據(jù)金屬片的壁厚和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)整，一旦雙金屬片的壁厚和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定了，雙金屬片的開(kāi)啟閾值對(duì)應(yīng)的溫度也就確定了，可以根據(jù)內(nèi)燃機(jī)高的熱效率要求，選擇合適的開(kāi)啟溫度，依據(jù)內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，我們選擇了開(kāi)啟溫度為70±5℃的雙金屬片。雙金屬片的技術(shù)要求如下：

活性層材料NC4，惰性層材料是因瓦合金，即含35.4%鎳的鐵合金，常溫下具有很低的熱膨脹系數(shù)，（-20～20℃之間，其平均值約1.6×10-6/℃）

雙金屬片要求在-40℃到150℃內(nèi)正常工作，不失效。

雙金屬片開(kāi)啟的作用力<15N。

雙金屬片的最大變形量為25mm。

雙金屬片要耐6萬(wàn)次以上的溫度循環(huán)測(cè)試，不失效。一個(gè)溫度循環(huán)為把測(cè)試樣件從常溫環(huán)境中（23℃）放到90℃的硅油中，然后再?gòu)墓栌椭腥〕龇诺匠丨h(huán)境中。

雙金屬片的位置布置要考慮到內(nèi)燃機(jī)在整車(chē)上的安裝狀態(tài)，通常要把雙金屬片布置在最低位置，方便從內(nèi)燃機(jī)缸體主油道返回的機(jī)油能平順地流入雙金屬片附近區(qū)域，最終流入油底殼。

吸油管位于油底殼和吸油泵之間，吸油管一端浸沒(méi)在機(jī)油里，另外一端連接機(jī)油泵，吸油管的設(shè)計(jì)需要過(guò)渡平滑，盡可能避免尖角過(guò)度，這是為了使機(jī)油更順暢吸入機(jī)油泵，降低流阻。吸油管入口一般位于油底殼內(nèi)表面上方5mm左右，是為了最大限度利用油底殼里的機(jī)油，避免機(jī)油頻繁的加注。吸油管入口的位置布置要求還要考慮整車(chē)在極限路況下的最低液位要求，比如整車(chē)在路面上極限右傾角度45°，極限左傾角度45°，以及上坡和下坡時(shí)整車(chē)的傾斜角度，吸油管入口位置要滿(mǎn)足以上所有極限角度下供油的要求。同時(shí)在構(gòu)建吸油管模型時(shí)，要考慮吸油管能夠出模和可制造性。熱油從擋油板流入油底殼時(shí)，需要經(jīng)過(guò)回油腔，回油腔要盡可能把吸油管包圍，這樣流入回油腔的機(jī)油很容易流到吸油管入口，熱油會(huì)再次被機(jī)油泵吸入，會(huì)達(dá)到加速內(nèi)燃機(jī)暖機(jī)的目的。吸油管和回油腔的設(shè)計(jì)如圖4所示。機(jī)油在內(nèi)燃機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)循環(huán)時(shí)會(huì)帶走金屬碎屑或者金屬顆粒，工作一段時(shí)間后，這些金屬碎屑會(huì)堆積在油底殼，為了避免大顆粒的金屬碎屑被機(jī)油泵吸走，在吸油管入口前會(huì)增加一道濾網(wǎng)，濾網(wǎng)能有效攔截金屬碎屑，以免損傷機(jī)油泵。

在快速升溫?fù)跤桶逶O(shè)計(jì)過(guò)程中，還要考慮擋油板的裝配順序，通常在內(nèi)燃機(jī)裝配車(chē)間，整個(gè)內(nèi)燃機(jī)缸體倒過(guò)來(lái)裝配，先把擋油板裝配在倒過(guò)來(lái)的內(nèi)燃機(jī)缸體上，然后再裝配吸油管和回油腔到機(jī)油泵上，裝配吸油管到機(jī)油泵上時(shí)，為了避免螺栓在裝配路徑上不慎跌落入缸體，會(huì)在吸油管上做保護(hù)特征，避免螺栓跌落到缸體。最后再裝配油底殼，整體上看，擋油板夾在缸體和油底殼之間，用螺栓固定在缸體上，裝配比較牢靠。吸油管和回油腔是固定在機(jī)油泵上，與擋油板是間隙配合，吸油管和回油腔的設(shè)計(jì)要緊湊，結(jié)構(gòu)強(qiáng)壯，重量輕，最大限度提升固有模態(tài)，避免內(nèi)燃機(jī)在工作過(guò)程中的共振。

初步的設(shè)計(jì)完成后，需要用流體仿真驗(yàn)證機(jī)油從吸油管入口吸入吸油管到機(jī)油泵的壓力損失，以及熱油從擋油板返回，再次被機(jī)油泵吸入的比例，這直接影響著快速升溫?fù)跤桶宓男阅堋Ｓ妹芊馊ο鹉z材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)和許用壓縮率仿真計(jì)算密封圈截面和密封槽的設(shè)計(jì)合理性。最后整個(gè)擋油板仿真計(jì)算下模態(tài)，要求一階模態(tài)大于250Hz。擋油板設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真計(jì)算需要密切配合，互相迭代，最終可以設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足各方面要求的產(chǎn)品。

擋油板產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后，接下來(lái)要做快速樣件，在試驗(yàn)臺(tái)架上做試驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)油快速升溫的性能表現(xiàn)。快速樣件制作需要光敏樹(shù)脂3D打印，打印后的樣件外表面還需要涂環(huán)氧樹(shù)脂，用于提高耐溫特性。因?yàn)閾跤桶蹇偝山?jīng)常與機(jī)油接觸，需要耐120℃的機(jī)油。樣件制作完成后，需要在樣件上布置6個(gè)溫度傳感器，用于在臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中，監(jiān)控每個(gè)敏感位置的溫度。1#傳感器位置表示與1#氣缸對(duì)應(yīng)的擋油板上機(jī)油的溫度，2#傳感器位置表示從內(nèi)燃機(jī)缸蓋滴落機(jī)油的溫度，3#感器位置表示與2#氣缸對(duì)應(yīng)的擋油板上機(jī)油的溫度，4#傳感器位置表示與3#氣缸對(duì)應(yīng)的擋油板上機(jī)油的溫度，5#傳感器位置表示吸油管入口機(jī)油的溫度，6#傳感器位置表示內(nèi)燃機(jī)主油道內(nèi)機(jī)油的溫度。傳感器布置完成后，樣件可以裝配到整車(chē)上開(kāi)始做試驗(yàn)了。為了保證試驗(yàn)的一致性，每天只能做一輪NEDC或者WLTP循環(huán)的試驗(yàn)。整車(chē)上試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

從試驗(yàn)結(jié)果上看，本內(nèi)燃機(jī)快速升溫?fù)跤桶迥芙档?%的CO2排放，對(duì)于這種低成本的技術(shù)方案，客戶(hù)對(duì)CO2排放能降低2%的性能表現(xiàn)非常滿(mǎn)意。

除了上述提到的快速升溫?fù)跤桶彘_(kāi)發(fā)過(guò)程中的重要功能和注意事項(xiàng)外，還要對(duì)放油閥密封和彈簧開(kāi)啟關(guān)閉功能做詳細(xì)的可靠性設(shè)計(jì)。最終產(chǎn)品裝配到客戶(hù)整車(chē)上，各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明能很好地滿(mǎn)足客戶(hù)最初的設(shè)計(jì)要求。

3 ?結(jié)束語(yǔ)

此內(nèi)燃機(jī)快速升溫?fù)跤桶宓拈_(kāi)發(fā)能很好地滿(mǎn)足客戶(hù)的技術(shù)和交樣需求，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)雙金屬片控制機(jī)油循環(huán)路徑，快速暖機(jī)，降低CO2排放的空白，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

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作者簡(jiǎn)介：許亞軍（1984-），男，河南商水人，本科，機(jī)械工程師，創(chuàng)新和報(bào)價(jià)經(jīng)理，研究方向?yàn)槠?chē)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品節(jié)能環(huán)保輕量化。