低壓潤滑系統對柴油機可靠性和經濟性的影響

田少聰 申加偉 王超 李國祥 劉洋 蔣劍雄 孟令智 李浩

摘要： 為分析低壓潤滑系統對柴油機可靠性和經濟性的影響，以某重型柴油機潤滑系統為研究對象，通過仿真、測溫試驗和臺架試驗分析降低機油壓力對活塞溫度、主軸瓦溫升、機油溫升、燃油消耗率等的影響。仿真結果表明：活塞溫度受機油壓力和活塞噴嘴流量的影響不明顯；機油溫升受機油壓力的影響較大，降低機油壓力導致機油溫升增大，機油劣化、結焦風險較高；主軸瓦、連桿大頭軸瓦溫升均小于設計限值。測溫試驗結果表明：活塞溫度受機油壓力影響不大，主軸瓦溫升符合設計要求。臺架試驗結果表明：在常用工作區，機油壓力由412 kPa降至240 kPa，燃油消耗率最大降幅約為0.9 g/（kW · h）。在滿足柴油機可靠性的前提下應用低壓潤滑系統可提高經濟性。

關鍵詞： 潤滑系統；機油壓力；燃油經濟性；附件功耗；摩擦功

中圖分類號：TK421.9 文獻標志碼：A 文章編號：1673-6397（2024）01-0030-05

引用格式： ?田少聰，申加偉，王超，等.低壓潤滑系統對柴油機可靠性和經濟性的影響［J］.內燃機與動力裝置，2024，41（1）：30-34.

TIAN Shaocong， SHEN Jiawei， WANG Chao， et al. Effects of low pressure lubrication system on the reliability and economy of a diesel engine［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2024，41（1）：30-34.

0 引言

柴油機憑借動力性優勢，成為卡車、客車、工程機械、農業機械等的主要動力源，具有配套地域廣、應用場景復雜、運行工況多變等特點。目前柴油機的熱效率已超越50%，這對柴油機各系統設計都提出了更高的要求，在滿足可靠性、排放性的前提下提升燃油經濟性，是柴油機的重要研究課題之一[1-2]。

潤滑系統為發動機零部件提供必要的潤滑和冷卻，減輕零件磨損[3-4]。降低潤滑系統的機油壓力可有效降低附件消耗功和機械摩擦功，減少活塞熱損失，提高發動機燃油經濟性，適用于全新開發機型及現有機型改進提升。機油壓力降低導致的風險包括：1）活塞冷卻噴嘴流量下降，活塞冷卻劣化；2）機油潤滑的附件的潤滑較差，磨損增大；3）軸瓦泄油量下降，導致軸瓦溫升增大、機油結焦，對雜質更為敏感，對發動機一致性控制的要求更高[5]。因此，應研究低壓潤滑系統對發動機可靠性和經濟性的影響，在滿足可靠性的前提下，提高柴油機經濟性。

1 試驗裝置和仿真試驗內容

1.1 試驗裝置

以某重型直列6缸柴油發動機潤滑系統為研究對象。該柴油機功率為412 kW，采用壓力油強制潤滑，額定工況下通過機油泵的機械限壓閥調節主油道機油壓力，使其維持在430～480 kPa。試驗時采用變流量機油泵調節主油道機油壓力，對活塞溫度和冷卻噴嘴流量、主軸瓦溫升、機油溫升等進行研究。主要試驗儀器設備及型號如表1所示。

1.2 仿真和試驗分析方案

利用仿真、測溫試驗、耐久考核等方法分析降低潤滑系統機油壓力對柴油機可靠性和經濟性的影響。

1）建立活塞及內冷油腔換熱仿真模型，發動機不同負荷燃燒邊界下，改變機油壓力和活塞冷卻噴嘴流量，仿真計算活塞溫度場，評估活塞溫度、機油溫升。

2）建立軸瓦仿真模型，評估軸瓦溫升。

3）進行發動機測溫試驗，利用熱電偶無線傳輸技術，測量活塞喉口、中心、底部、頂面等位置溫度，并對主軸瓦溫度進行實時監測，與仿真結果進行對照迭代。

4）進行臺架試驗，分析在常用工作區，低壓潤滑系統對柴油機經濟性的影響。

2 低壓潤滑系統對柴油機可靠性的影響

2.1 機油壓力對活塞溫度的影響

2.1.1 仿真分析

潤滑系統流體域包括活塞冷卻噴嘴流道、進油錐口、內冷內腔面、活塞底部、出口區域等部分。為分析活塞噴嘴流量對活塞溫度場的影響，提取活塞內冷振蕩油腔流體域，利用Abaqus建立活塞溫度場仿真模型[6]，如圖1所示。

活塞噴嘴冷卻噴射邊界根據系統機油壓力及噴嘴流體域進行設置，活塞內冷油腔進、出口仿真邊界條件如表2所示。

通過內冷振蕩油腔流場仿真得到各內冷油腔周向角度上壁面與機油的對流換熱系數，計算內冷油腔周向壁面平均對流換熱系數。經計算，內冷振蕩油腔各周向對流換熱系數基本相同，可作為活塞溫度場計算的熱邊界。為提升計算準確性，對內冷振蕩油腔流場仿真和活塞溫度場仿真進行多次迭代。

基于柴油機不同負荷下的燃燒邊界，發動機轉速為1 200 r/min時，仿真計算不同機油壓力和活塞冷卻噴嘴流量下活塞最高溫度、活塞內冷機油溫升，結果如表3所示。

由表3知：轉速為1 200 r/min、額定轉矩下，當機油壓力由400 kPa下降到120 kPa時，活塞最高溫度上升14 ℃，活塞最高溫度隨活塞噴嘴流量變化不明顯，風險較低。發動機轉速為1 200 r/min、60%額定轉矩，機油壓力由400 kPa減小到120 kPa時，機油溫升由105 ℃增大到273 ℃；發動機轉速為1 200 r/min、額定轉矩時，機油溫升由130 ℃上升到336 ℃。2種負荷下，機油溫升均較高，機油結焦風險加大，需關注機油劣化、活塞內冷油腔積碳、活塞頂部氧化剝落等問題，應根據耐久試驗結果評估換油周期、活塞可靠性。機油黏度一定的情況下，活塞噴嘴流量取決于機油壓力。

2.1.2 試驗研究

試驗時，無線測量2個工況下不同機油壓力時活塞喉口、中心、底部、頂面等位置溫度，并實時測量主軸瓦溫度[7]。工況1：發動機轉速為1 600 r/min，轉矩為 2 380 N · m；工況2：發動機轉速為1 700 r/min，轉矩為2 280 N · m。活塞和主軸瓦測溫結果如表4所示。

由表4可知： 2種工況下，隨著機油壓力下降，活塞各位置溫度升幅均不大，最大升幅出現在工況2的活塞喉口處，為68 ℃；工況1下，機油壓力由4000 kPa降至3043 kPa，主軸瓦機油泄漏量下降，主軸瓦溫度升高，最高升幅為98 ℃，符合主軸瓦溫升不超過30 ℃的設計要求。

活塞最高溫度受機油壓力的影響較小，與表3仿真結果吻合，對于活塞噴嘴流量設計具有參考意義。機油溫度無法直接測量，參照仿真結果，在發動機轉速為1 200 r/min、100%負荷工況點，機油溫升較大，最大達336 ℃，需要關注機油結焦老化、活塞積碳等可靠性風險。

2.2 機油壓力對軸瓦溫升的影響

搭建主軸瓦和連桿軸承曲軸液體彈性動力學（elasto-hydrodynamic，EHD）三維模型，在曲柄連桿系統動力學計算中，發動機機體等部件影響曲軸疲勞強度，因此建立曲軸支撐部件有限元模型，采用模態縮減法得到支撐部件的質量和剛度矩陣，為曲軸多體動力學計算提供輸入邊界[8-10]。對機體組件劃分有限元網格，采集缸壓等載荷邊界，發動機轉速為1 200 r/min時，仿真計算不同負荷下的軸承泄油量、軸瓦溫升等；對機油體積流量進行EHD和一維仿真對比。

機油壓力對軸瓦溫升及軸承泄油量的影響如表5所示。

由表5可知：兩種工況下，隨機油壓力降低，主軸瓦最高溫升為3.9 ℃，低于主軸瓦溫升設計限值；額定轉矩時，連桿大頭軸瓦最大溫升為33.3 ℃，滿足連桿大頭軸瓦溫升不大于50 ℃的設計限值要求[11-12]；除額定轉矩、機油壓力為292 kPa工況外，其余工況下機油體積流量的EHD和一維仿真結果差異不大。

3 低壓潤滑系統對經濟性的影響

該柴油機潤滑系統改進前、后機油壓力萬有特性如圖2所示。由圖2a）可知：隨柴油機轉速提高，機油壓力逐漸上升并穩定在限壓閥開啟壓力左右；相同轉速下，機油壓力隨轉矩增大略有下降。在設計改進機型基礎上調低機油泵限壓閥開啟壓力，限壓閥泄流量增加，可實現如圖2b）所示機油壓力萬有圖。

機油壓力降低后，在某重型柴油機試驗臺架上實測燃油經濟性。在常用工作區，機油壓力由412 kPa降至240 kPa，臺架實測燃油消耗率最大降低約09 g/（kW · h）。其原因為：機油壓力降低，機油溫度上升，摩擦損失減小，附件功降低，且活塞傳熱損失減少，燃油消耗率降低[13]。

機油泵功率曲線如圖3所示。由圖3可知：主油道機油壓力由450 kPa降至300 kPa，機油泵功耗最小降幅為075 kW。

4 結論

以某重型柴油機潤滑系統為研究對象，仿真分析不同機油壓力下活塞溫度、軸瓦溫度變化規律，應用無線測溫技術測量發動機關鍵零部件溫度，通過臺架試驗，分析低壓潤滑系統對柴油機經濟性的影響。

1）在發動機轉速為1 200 r/min、100%負荷下，活塞冷卻噴嘴體積流量為33 L/min時，機油溫升達336 ℃，機油劣化、結焦風險較高；在發動機轉速為1 200 r/min時，隨機油壓力下降，主軸瓦最大溫升為39 ℃，連桿大頭軸瓦最大溫升為333 ℃，均低于設計限值。

2）不同機油壓力下活塞溫度隨機油壓力變化較小，與仿真結果吻合；發動機轉速為1 600 r/min，轉矩為2 380 N · m工況下，機油壓力由4000 kPa降至3043 kPa，活塞喉口溫度僅升高61 ℃，主軸瓦溫度最大升幅為98 ℃，低于主軸瓦溫升設計限值。

3）在常用工作區，機油壓力由412 kPa降至240 kPa，燃油消耗率最大降幅約為09 g/（kW · h）。

參考文獻：

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Effects of low pressure lubrication system on the reliability

and economy of a diesel engine

TIAN Shaocong1，2， SHEN Jiawei1，2， WANG Chao1，2， LI Guoxiang3， LIU Yang1，2 ;

JIANG Jianxiong1，2， MENG Lingzhi1，2， LI Hao1，2

1. State Key Laboratory of Engine Reliability，Weifang 261061，China;2. R&D Center， Weichai Power Co. ， Ltd. ， Weifang 261061，China;

3.School of Energy and Power Engineering， Shandong University， Jinan 250061，China;

Abstract： To analyze the impact of low pressure lubrication system on the reliability and economy of diesel engines， a heavy-duty diesel engine lubrication system is taken as the research object. The effects of reducing oil pressure on piston temperature， main bearing temperature rise， oil temperature rise， fuel consumption rate， etc. are analyzed through simulation， temperature measurement tests， and bench tests. The simulation results ?show that the temperature of the piston is not significantly affected by the oil pressure and the flow rate of the

piston nozzle. The temperature rise of engine oil is greatly affected by engine oil pressure. Reducing engine oil pressure increases the risk of engine oil deterioration and coking. The temperature rise of the main bearing and connecting rod large end bearing is lower than the design limit. The temperature measurement test results show that the piston temperature is not significantly affected by the oil pressure， and the temperature rise of the main bearing meets the design requirements. The bench test results show that in the commonly used working area， the oil pressure drops from 412 kPa to 240 kPa， and the maximum decrease in fuel consumption rate is about 0.9 g/（kW · h）. The application of low pressure lubrication system can improve fuel efficiency while meeting the reliability requirements of diesel engines.

Keywords： lubrication system; oil pressure; fuel economy; accessory power consumption; friction work

（責任編輯：郎偉鋒）