高原地區(qū)柴油機機油流動損失仿真與試驗研究

張長嶺，劉福水，商海昆，王沛，張錚，王

（1.北京比特英泰動力技術有限公司，北京100081；2.北京理工大學機械與車輛學院，北京100081；3.河北華北柴油機有限責任公司，河北石家莊050081）

高原地區(qū)柴油機機油流動損失仿真與試驗研究

張長嶺1，劉福水2，商海昆3，王沛2，張錚2，王3

（1.北京比特英泰動力技術有限公司，北京100081；2.北京理工大學機械與車輛學院，北京100081；3.河北華北柴油機有限責任公司，河北石家莊050081）

針對某些柴油機在高原地區(qū)出現(xiàn)的機油壓力偏低問題，通過試驗測試、理論分析與計算流體力學仿真，對潤滑系統(tǒng)各處的機油流動損失進行研究。研究結果表明：環(huán)境壓力影響整個油路的基礎壓力，隨著海拔的升高，壓油泵前壓力隨環(huán)境壓力等量降低，導致泵前機油汽化出現(xiàn)了吸空現(xiàn)象，使得機油質量流量下降，主油道壓力明顯降低；流量一定時，隨著管徑的增加管路流動損失逐漸降低，但流動損失變化率逐漸變小，直角彎頭對流動損失影響很大，當彎管半徑與管道半徑大于1.5后，流動損失變化趨于平緩。試驗表明：采用改進方案后，在低轉速區(qū)域，發(fā)動機機油壓力增加30%左右，中、高轉速的機油壓力提高50%以上。

動力機械工程；高原；潤滑系統(tǒng)；主油道壓力；試驗

0　引言

我國是世界上高原海拔最高、面積最大的國家，高原地區(qū)特殊的氣候環(huán)境，對車輛柴油機的使用造成嚴重影響，導致柴油機出現(xiàn)啟動困難、功率下降、燃油消耗量增加及主油道機油壓力報警等問題［1］。隨著高原邊境形式愈加嚴峻，國防對裝甲車輛的機動性及快速反應能力要求也愈加嚴格。

眾所周知，柴油機潤滑系統(tǒng)是發(fā)動機的重要系統(tǒng)之一，主要功能是供給發(fā)動機運動摩擦副適當壓力和流量的機油，保證良好的潤滑、冷卻散熱和清潔磨粒的作用，還可增加活塞與活塞環(huán)的密封性。在有些情況下，它對受熱零件進行冷卻，如通過活塞噴嘴向活塞噴油達到冷卻活塞的作用。潤滑系統(tǒng)性能的好壞，是影響發(fā)動機正常運轉和壽命的主要因素之一。主油道壓力是衡量發(fā)動機潤滑系統(tǒng)工作狀態(tài)的重要指標。機油壓力過低會導致發(fā)動機機油壓力報警，發(fā)動機無法正常工作。更嚴重時將導致潤滑效果不良，進而使機械損失和零件磨損增大，動力性和經(jīng)濟性下降。因此，開展柴油機高海拔機油壓力的研究，對改善柴油機高原適應性，提高高原機動能力與運輸能力具有重要意義［2］。

在高原地區(qū)，經(jīng)常出現(xiàn)發(fā)動機高速運轉時主油道機油壓力不升反降的情況。本文針對高原工況下柴油機潤滑系統(tǒng)的壓力特性進行了分析，提出高原機油壓力低問題的解決方案。

1　機油壓力特性分析

1.1高原試車試驗結果分析

某型號柴油機在高原地區(qū)進行整車試車試驗時，出現(xiàn)機油壓力報警現(xiàn)象。圖1為不同溫度下的主油道壓力試驗數(shù)據(jù)，圖1中主油道壓力為相對壓力，由圖1可以看出，主油道壓力在轉速1 300 r/min以前呈線性增加，當轉速超過1 300 r/min時，隨著發(fā)動機轉速的升高機油壓力趨于平緩，當轉速超過1 900 r/min時機油壓力不增反降；隨著機油溫度的提高，機油壓力明顯下降。報警發(fā)生在機油溫度升高以后。機油報警發(fā)生后，先后對機油粘度、閃點進行了測量，對機油濾進行了解剖檢查，對電子控制單元（ECU）的控制軟件、機油壓力傳感器進行了檢查，對油箱與發(fā)動機連接的機油管進行了檢查，可以排除發(fā)動機機械系統(tǒng)故障導致機油壓力報警的可能［3-5］。由于發(fā)動機穩(wěn)定后，機油溫度基本保持在100℃左右，因此不再考慮溫度的影響。下面主要對主油道機油壓力的影響因素作進一步研究。

圖1　不同溫度下主油道機油壓力試驗數(shù)據(jù)對比Fig.1 Comparison of mail oil pressures at various temperatures

1.2主油道壓力影響因素理論分析

柴油機干式油底殼潤滑系統(tǒng)一般由機油箱、油底殼、壓油泵、回油泵、機油散熱器、機油濾清器等外部組件和機油管道、各種軸承、活塞冷卻噴嘴等內部組件構成。

圖2　柴油機潤滑系統(tǒng)結構簡圖Fig.2 Structure diagram of diesel engine lubrication system

柴油機干式油底殼潤滑系統(tǒng)結構簡圖如圖2所示，為了分析方便，圖2中標出關鍵部位的機油壓力，其中p0為環(huán)境壓力，p為主油道尾端壓力，p1為壓油泵前壓力，p2為壓油泵后壓力，Δp1為機油箱至壓油泵前外接管路流動損失，Δp2為壓油泵體內部（即泵入口至齒輪前）流動損失，Δp3為壓油泵后至主油道前各零部件阻力及內部油路導致的流動損失，Δp4為各摩擦副的軸承間隙導致的機油泄露損失。由發(fā)動機工作原理及流體力學可推導出主油道壓力p的關系式：

綜合（1）式～（3）式得

式中：pH為壓油泵壓力。

由（4）式可知影響p的主要因素為環(huán)境壓力、機油泵的性能、流經(jīng)相關零部件的阻力損失以及油路中的流動損失和機油泄漏損失。下面討論每一項影響因素對主油道壓力的影響規(guī)律：

1）環(huán)境壓力p0的影響。環(huán)境壓力越低，導致整個油路的基礎壓力下降，使得主油道壓力隨著環(huán)境壓力等量下降。運轉正常的發(fā)動機在高原地區(qū)工作時，其主油道壓力也會隨環(huán)境壓力的下降而等量下降。因此應用于高原地區(qū)的柴油機在設計時應為主油道壓力留出足夠的裕度。

2）壓油泵前管路Δp1與Δp2的影響。這兩部分的流動損失為管道中的沿程損失和局部損失，主要與機油流量、機油溫度、管路的幾何結構和壓油泵內部結構有關。這部分流動損失不僅影響到主油道壓力，而且影響壓油泵前壓力，如果環(huán)境壓力過低，有可能導致泵前出現(xiàn)吸空，影響機油泵性能，使主油道壓力進一步降低。

3）柴油機內部油路Δp3.這部分流動損失直接影響到主油道壓力，內部油路流動損失主要與機油流量、機油溫度及相關零部件的結構有關。

4）機油泄露Δp4的影響。機油泄漏損失不僅與機油流量和機油溫度有關，還與環(huán)境壓力有關，環(huán)境壓力越低，主油道壓力與環(huán)境壓力的壓差相應增加，機油泄漏損失隨之增加［6］。

5）壓油泵壓力pH的影響。壓油泵壓力指的是它的輸出壓力，正常工作狀態(tài)下，壓油泵工作壓力取決于外部負載的大小。但如果在非正常工作狀態(tài)下，例如泵前負壓過大導致泵前出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，將會影響到機油泵的工作性能，使其無法在泵后建立起壓力。

通過以上分析可知，當柴油機在高原地區(qū)工作時，主要影響的是環(huán)境壓力p0.隨著海拔高度的升高，環(huán)境壓力p0隨之降低，機油泄露Δp4也會相應地增加。隨著p0的降低，泵前壓力降低。當泵前壓力降低到一定值時，導致泵前機油汽化，使壓油泵無法正常工作，從而使主油道壓力進一步降低。因此，抑制高原環(huán)境下吸空現(xiàn)象的發(fā)生是潤滑系統(tǒng)設計的關鍵。

所謂吸空現(xiàn)象是指泵前液體處于低壓高溫時，分子的動能加大，在壓力接近汽化壓力時，一部分動能較大的液體分子擺脫其他液體分子的吸引，逸出液面發(fā)生汽化，油泵吸入的是液體與氣體的混合物，機油質量流量下降，泵后壓力降低［7-8］。

為了驗證泵前壓力變化對主油道壓力的影響，進行了兩種直徑（φ35 mm和φ50 mm）的泵前管路對比試驗。圖3為不同管徑下泵前壓力和泵后壓力隨轉速的變化曲線。

圖3　不同管徑下泵前壓力和泵后壓力隨轉速的變化曲線Fig.3 Variation curves of pump inlet and outlet pressures at different engine rotating speeds

由圖3可知，φ35 mm管徑的泵前壓力隨著轉速的升高而下降、泵后壓力隨轉速的升高而增加，但當轉速升高至2 100 r/min時，泵前壓力不再下降、泵后壓力也不再增加；φ50 mm管徑下的泵前壓力和泵后壓力有相似變化規(guī)律，但拐點轉速升高至2 500 r/min.進一步分析發(fā)現(xiàn)，兩種情況拐點處的泵前負壓均在0.25×105Pa左右。由于泵前壓力的測點距離機油泵齒輪有300 mm的距離，且泵內通道拐彎較多，可以推測機油泵齒輪前的負壓會更大。

由上面的分析可知，泵前壓力不再下降的主要原因是由于此時泵前出現(xiàn)吸空現(xiàn)象，隨著泵前管徑的增加，泵前管路壓力損失減小，使得出現(xiàn)吸空現(xiàn)象的轉速升高。試驗進一步證實了泵前吸空現(xiàn)象是引起主油道壓力大幅度下降的主要原因。

抑制吸空現(xiàn)象的核心是減小泵前的流動損失。其中Δp2主要與壓油泵內部結構有關，對這部分結構再次進行優(yōu)化設計比較困難，而Δp1的優(yōu)化主要與壓油泵前管路結構有關，相比來說，這部分管路結構優(yōu)化更易實現(xiàn)。則本文主要研究壓油泵前外接管路流動損失對主油道壓力的影響。

2　計算流體力學模擬分析

計算中假設管道內機油流動為穩(wěn)態(tài)、不可壓的黏性湍流流動，考慮到本次主要研究壓油泵前外接管路的流動損失，其管道壁面與外界熱交換小，將固定壁面設定為絕熱無滑移。

計算區(qū)域的邊界條件為：

1）進出口邊界設定。本次研究目的是了解不同流量下的進出口流動損失，即進出口相對壓差。為計算方便，進口邊界設為質量流量，出口邊界設為靜壓（絕對壓力）1×105Pa.

2）發(fā)動機正常工作時，機油溫度在100℃左右，故本次計算機油溫度設為100℃.

2.1柴油機機油泵前管路流動損失分析

通過1.2節(jié)中分析，針對該型號柴油機高原地區(qū)主油道機油壓力報警問題。研究外接管路流動損失對主油道壓力的影響。應用starccm+軟件，建立機油泵前外接管路網(wǎng)格模型。圖4為所研究的柴油機機油泵前管路的幾何結構和網(wǎng)格模型，其中網(wǎng)格數(shù)量10 000左右，網(wǎng)格類型為多面體網(wǎng)格。

圖4　壓油泵前管路網(wǎng)格模型Fig.4 Mesh model of oil pump front pipeline

圖5為壓油泵流量與發(fā)動機轉速的關系，圖6為外接管路流動損失和壓油泵前壓力與發(fā)動機轉速的關系。由圖5可知，隨著轉速的升高，機油流量隨之增加，管道流動損失隨之升高，壓油泵前負壓也逐漸增加。高原地區(qū)海拔4 500 m左右的環(huán)境壓力僅為60 kPa左右，而該發(fā)動機在2 100 r/min時泵前壓力幾乎降低為0，此處的泵前壓力為絕對壓力。隨著轉速的升高，泵前壓力進一步降低，但絕對壓力不可能小于0，僅將壓力設為0表征此時泵前壓力已接近于0.此時機油溫度為100℃，在這種低壓高溫的狀態(tài)下，泵前機油肯定出現(xiàn)汽化。

實際發(fā)動機機油泵前流動損失包括三部分：油箱接口處的流動損失，外接管路流動損失和機油泵內部管路的流動損失。本次計算僅考慮了外接管路流動損失的影響，如果考慮到油箱接口處的流動損失和機油泵內部管路的流動損失這兩項影響因素，泵前壓力會進一步降低。因此，壓油泵前開始出現(xiàn)吸空現(xiàn)象的發(fā)動機轉速也會降低。

圖5　壓油泵流量與發(fā)動機轉速關系Fig.5 Relationship between oil pump flow and engine rotating speed

圖6　機油壓力與發(fā)動機轉速關系Fig.6 Relationship between oil pressure and engine rotating speed

圖7為管道的壓力云圖和速度分布云圖，由壓力分布云圖可以明顯地看出在幾個直角彎頭處出現(xiàn)強烈的流動分離，流速急劇增加，在彎管內側和外側均出現(xiàn)兩處較大的漩渦，導致局部損失增加。

根據(jù)1.2節(jié)中的分析，可通過減小外接管路的流動損失提升泵前壓力。下面研究泵前管路的幾何結構對流動損失的影響，主要包括管道直徑、彎管半徑和管道長度對流動損失的影響，為下一步的結構優(yōu)化提供理論依據(jù)。

2.2泵前管路幾何結構對流動損失的影響

2.2.1管道直徑對流動損失的影響

選取管路長度1 m，不同管道直徑的直管進行計算流體力學數(shù)值模擬分析，研究管道直徑對管路流動損失的影響規(guī)律。

圖8為不同管徑下流動損失隨機油流量的變化關系，從圖中可以看出，管徑越小，流動損失隨流量變化曲線的斜率越大，隨著管徑的增加，流動損失隨流量變化曲線的斜率越來越小。

圖7　壓油泵前管路計算結果Fig.7 Calculated results of oil pump front pipeline

圖8　不同管徑下流動損失與流量的關系Fig.8 Relationship between pressure loss and engine rotating speed for various pipeline diameters

圖9為在機油流量一定時，流動損失與管道直徑的關系。在流量一定時，隨著管徑的增加，流動損失逐漸降低，但流動損失變化率逐漸變小。

2.2.2彎管半徑對流動損失的影響

選取管徑40 mm圓管中的彎管模型，研究機油在不同彎管半徑下對流動損失的影響規(guī)律。

為了易于管道的設計優(yōu)化，采用無量綱因子r/R來描述彎管半徑對流動損失的影響，其中r為彎管半徑，R為管道半徑。圖10為不同管徑下彎管半徑對流動損失的影響，可以看出，r/R=0時，即彎管半徑內側與外側均為直角，對流動損失影響很大。當r/R大于1.5后，即對彎管處圓滑過渡，此時流動損失變化趨于平緩。隨著管道直徑的增加，彎管半徑的影響逐漸變小。

圖9　一定流量下流動損失與管徑的關系Fig.9 Relationship between pressure loss and engine rotating speed at same flow

圖10　不同r/R時流動損失對比Fig.10 Comparison of pressure losses for various r/R

圖11為不同彎管半徑下的速度云圖，可以看出，流體經(jīng)過直角彎頭處產(chǎn)生強烈的流動分離，流速急劇增加，在彎管內側和外側均出現(xiàn)兩處較大的漩渦，同時流體流經(jīng)彎管時外側速度低于內側，速度差將造成內外側流體質點的離心力不同，在離心力差值的作用下向外側流動，造成外側流體質點瞬時堆積，從而產(chǎn)生沿管子中心由內側向外側的流動。顯然，彎管的曲率半徑越小，彎管內外側的速度差越大，特別是直角彎使得流速急劇增加，造成流體流經(jīng)彎管時局部損失增大。

由圖10可知，當r/R≥1.5時，隨著內側曲率半徑的增加，拐彎處流速過渡較為平緩。建議外接管道中避免出現(xiàn)直角彎頭，彎管半徑應大于2倍的管道半徑。

2.2.3管道長度對流動損失的影響

選取長直圓管模型，研究不同管道長度對流體流動損失的影響。

圖12為在機油流量一定時，流動損失與管道長度的關系。由圖12可知，管道直徑越小，管道流動損失隨長度變化的斜率越大，隨著管徑的增加，流動損失隨管長的影響逐漸變小。

圖11　不同r/R時速度分布云圖Fig.11 Velocity distribution for various r/R

圖12　不同管道長度時流動損失對比Fig.12 Comparison of pressure losses for various pipeline lengths

2.3泵前管路幾何結構優(yōu)化方案

經(jīng)過多次試驗證明，所研究的發(fā)動機在高原地區(qū)海拔4 500 m時外接油管的流動損失應控制在10 kPa以內，可以有效抑制吸空現(xiàn)象的發(fā)生，使發(fā)動機在整個轉速范圍內均不出現(xiàn)壓力報警現(xiàn)象。根據(jù)2.3節(jié)中的分析結果，提出機油泵前管路改進方案：

1）將泵前管路直徑由原來的32 mm增加至42 mm；

2）避免管路中出現(xiàn)直角彎頭；

3）彎管半徑應在42 mm以上。

3　高原試驗結果及分析

根據(jù)上述的改進方案，對機油泵前管路直徑、彎管半徑進行改進后，再次進行了高原試驗。兩次高原試驗數(shù)據(jù)與平原試驗數(shù)據(jù)對比如圖13所示。

圖13　高原地區(qū)改進前后機油壓力對比Fig.13 Comparison of oil pressures of the improved and original scheme at plateau

由圖13可知，在平原地區(qū)，主油道壓力隨轉速變化曲線中1 900 r/min以下線性增加，當機油道壓力接近600 kPa，發(fā)動機開始限制機油壓力的升高，所以隨著轉速升高，機油壓力保持在600 kPa左右。在高原地區(qū)，采用改進方案后，在低轉速區(qū)域，發(fā)動機機油壓力增加30%左右，中、高轉速的機油壓力有明顯增加，機油壓力提高50%以上。改進后在1 500 r/min左右機油壓力出現(xiàn)轉折，說明沒有徹底解決泵前汽化問題，但機油壓力已經(jīng)滿足柴油機工作要求。改進后發(fā)動機機油壓力在整個轉速域內均在機油壓力報警線之上?？梢钥闯鲈跈C油壓力隨轉速線性增加段，即泵前未出現(xiàn)吸空時，平原地區(qū)主油道壓力也明顯高于高原地區(qū)，這也驗證了在1.2節(jié)中的分析，隨著高原地區(qū)環(huán)境壓力的降低，主油道壓力等量下降。

4　結論

1）環(huán)境壓力影響整個油路的基礎壓力，隨著海拔的升高，環(huán)境壓力降低，壓油泵前壓力等量降低，導致泵前機油汽化出現(xiàn)了吸空現(xiàn)象，使得機油質量流量下降，泵后壓力降低，主油道壓力隨之降低。

2）計算流體力學分析結果表明：流量一定時，隨著管徑的增加，流動損失逐漸降低，但流動損失變化率逐漸變??；直角彎頭對流動損失影響很大，當r/R≥1.5后，流動損失變化趨于平緩。

3）試驗結果表明：采用改進方案后，在低轉速區(qū)域，發(fā)動機機油壓力增加30%左右，中、高轉速的機油壓力提高50%以上。

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Simulation and Experimental Research on Oil Flow Loss of Diesel Engine at Plateau

ZHANG Chang-ling1，LIU Fu-shui2，SHANG Hai-kun3，WANG Pei2，ZHANG Zheng2，WANG Yan3
（1.Beijing BITEC Co.，Ltd，Beijing 100081，China；2.School of Mechanical Endineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；3.Hebei Huabei Diesel Engine Co.，Ltd，Shijiazhuang 050081，Hebei，China）

For low oil pressure in diesel engine at plateau，the lubrication system of the diesel engine is researched through experimental test，theoretical analysis and CFD simulation.The results show that the ambient pressure affects the basic pressure in the whole oil passage.The inlet pressure of the oil pump equivalently decreases with the increase in altitude，resulting in lower ambient pressure.In this condition，asuction appears in the pump，which may reduce the main oil pressure significantly.As the flow rate keeps constant，the pipe flow loss decreases gradually with the increase in pipe diameter.Though the flow loss rate becomes smaller，the right angle junction has great influence on the flow loss，and for r/R≥1.5，the change of flow loss tends to be stabile.The plateau test results show that the engine oil pressure of the improved scheme is increased by about 30%at low rotating speed，and the oil pressure is increased by more than 50%at medium and high rotating speeds.

power machinery engineering；plateau；lubrication systems；oil pressure；experiment

TK421.9

A

1000-1093（2015）02-0193-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.02.001

2014-05-16

國家預先研究項目（40402040101）

張長嶺（1986—），男，工程師。E-mail：zcl861116@126.com；劉福水（1964—），教授，博士生導師。E-mail：Prof.LiuFS@yahoo.com