車用汽油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)理論計(jì)算

汪杰強(qiáng)，黃勇，葉年業(yè)，姚博煒

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

0 引言

潤(rùn)滑系統(tǒng)的作用是將機(jī)油輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)各所需部位，減小運(yùn)動(dòng)副表面摩擦以減少磨損，同時(shí)冷卻和清洗零件表面，對(duì)某些部位進(jìn)行防腐、密封、減振等。

為了保證潤(rùn)滑部位得到必需的機(jī)油量，主油道內(nèi)應(yīng)維持一定的油壓；機(jī)油泵的供油壓力除了滿足主油道最小油壓的需求外，還需克服濾清器、散熱器、輸油管道等的阻力。

文中主要通過(guò)分析發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)，計(jì)算各潤(rùn)滑部件所需求的機(jī)油壓力和機(jī)油流量，從而指導(dǎo)機(jī)油泵的設(shè)計(jì)和制造。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)機(jī)油泵向各潤(rùn)滑部件輸送機(jī)油，以保證各潤(rùn)滑部件得到有效的潤(rùn)滑。因此機(jī)油泵的能力直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑部件的潤(rùn)滑，如果機(jī)油泵的能力不滿足潤(rùn)滑部件的要求，將會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑部件潤(rùn)滑不足而產(chǎn)生異常磨損，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障；而機(jī)油泵的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)潤(rùn)滑部件的要求，又會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的功率過(guò)多的應(yīng)用于機(jī)油泵的驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致功率的浪費(fèi)，影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提升。

圖1為某發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的示意圖，潤(rùn)滑零件包括主軸承、連桿軸承、凸輪軸軸承、VVT等。通過(guò)計(jì)算這些潤(rùn)滑部件所需要的最小的機(jī)油壓力和最小的機(jī)油流量來(lái)進(jìn)行機(jī)油泵的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 某發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)示意

表1為樣機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的基本參數(shù)。

表1 潤(rùn)滑系統(tǒng)基本參數(shù)

2 最小機(jī)油流量計(jì)算

2.1 軸承最小機(jī)油流量計(jì)算

發(fā)動(dòng)機(jī)的主軸承、連桿軸承和凸輪軸軸承都是通過(guò)機(jī)油油膜來(lái)承載曲軸、連桿和凸輪軸的運(yùn)動(dòng)。因此，機(jī)油的流動(dòng)特性對(duì)軸承潤(rùn)滑起著關(guān)鍵性的作用。不同寬徑比(B/d)下的機(jī)油流量系數(shù)[1]如圖2所示，橫坐標(biāo)ε為偏心率。

圖2 機(jī)油流量系數(shù)

由圖2可知，機(jī)油在軸承中的流量系數(shù)和軸承的寬徑比及偏心率有關(guān)。

式(1)[1]為保證軸承正常工作所需的理論最小機(jī)油流量。

Q=2kQψωr2Bn

(1)

式中：ω為軸頸轉(zhuǎn)速；r為軸徑半徑；kQ為機(jī)油流量系數(shù)；B為軸承寬度；ψ為軸承間隙比，ψ=c/r，c為軸承的半徑間隙；n為軸承個(gè)數(shù)。

根據(jù)式(1)可以計(jì)算各軸承正常工作時(shí)所需要的理論最小機(jī)油流量, 圖3為各軸承在各轉(zhuǎn)速下的理論最小機(jī)油流量。主軸承理論最小機(jī)油流量Qm，連桿軸承理論最小機(jī)油流量Qcon，進(jìn)氣凸輪軸軸承理論最小機(jī)油流量Qcam_in，排氣凸輪軸軸承理論最小機(jī)油流量Qcam_ex，由于進(jìn)氣凸輪軸和排氣凸輪軸的參數(shù)一樣，因此用Qcam來(lái)表示Qcam_in和Qcam_ex的和。

圖3 各軸承理論最小機(jī)油流量

2.2 其他潤(rùn)滑零件的最小機(jī)油流量

除了軸承潤(rùn)滑的零件外，其他零件根據(jù)零件性能參數(shù)要求的機(jī)油流量來(lái)進(jìn)行計(jì)算。張緊器和VVT等最小機(jī)油流量分別為Q1和Q2，如圖4所示。

圖4 其他零件最小機(jī)油流量

2.3 最小總機(jī)油流量

根據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果，把各零件所需求的理論最小機(jī)油量相加就得到發(fā)動(dòng)機(jī)的理論最小總機(jī)油流量Q總即機(jī)油泵出口流量，如圖5所示。

圖5 機(jī)油泵出口流量

3 機(jī)油泵出口壓力計(jì)算

3.1 軸承最小入口油壓計(jì)算

在發(fā)動(dòng)機(jī)幾何參數(shù)和機(jī)油的相關(guān)性能參數(shù)確定后，機(jī)油流量和機(jī)油壓力呈線性關(guān)系。因此，根據(jù)第2節(jié)計(jì)算得到的各零件的最小機(jī)油流量，可以計(jì)算得到相應(yīng)的各零件的最小機(jī)油壓力。

主軸承需求的最小機(jī)油壓力pm[3]為

(2)

式中：η為機(jī)油黏度；B為軸承寬度；a為軸承油槽寬度，當(dāng)沒(méi)有油槽時(shí)a=0；Δ為軸承間隙；d為軸承直徑；ε為平均偏心率；下標(biāo)m表示該參數(shù)為主軸承系統(tǒng)的參數(shù)。

連桿軸承需求的最小機(jī)油壓力pcon[3]為

(3)

式中：dh-con為連桿軸頸進(jìn)油孔直徑，下標(biāo)con表示該參數(shù)為連桿軸承系統(tǒng)的參數(shù)。

凸輪軸軸承需求的最小機(jī)油壓力pcam[3]為

(4)

由上式可分別求得進(jìn)氣和排氣凸輪軸軸承的最小機(jī)油壓力，進(jìn)而可得凸輪軸軸承的最小機(jī)油壓力。下標(biāo)cam表示該參數(shù)為凸輪軸軸承系統(tǒng)的參數(shù)。

根據(jù)表1和以上公式計(jì)算得到主軸承、連桿軸承、凸輪軸軸承的最小機(jī)油壓力如圖6所示。

圖6 軸承最小機(jī)油壓力

3.2 其他潤(rùn)滑零件的最小機(jī)油壓力

除了軸承潤(rùn)滑的零件外，其他零件根據(jù)零件性能參數(shù)要求的機(jī)油壓力來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

張緊器油量的控制為單向閥控制，其最低入口油壓只與彈簧的彈性系數(shù)和伸長(zhǎng)量有關(guān)。供應(yīng)商提供其彈簧開啟壓力為0.08 MPa，在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)就開始工作。固其對(duì)入口油壓只要大于0.08 MPa即可。

張緊器和VVT等最小機(jī)油壓力分別為p1和p2，如圖7所示。

圖7 其他零件最小機(jī)油壓力

3.3 主油道機(jī)油壓力計(jì)算

根據(jù)以上計(jì)算得到的各零件最小機(jī)油壓力的需求，需要將各壓力等效到主油道的壓力需求。

(1)由于主軸承、連桿軸承與主油道比較接近，可忽略其之間的管路損失，故其入口油壓可等效主油道壓力的需求。

(2)張緊器只存在管路的損失，且離主油道較近，其入口油壓也可等效主油道壓力的需求。

(3)VVT相位器入口與主油道間存在OCV閥，相位器入口油壓需加上OCV閥壓降才能等效主油道壓力。

(4)由于從主油道到缸蓋的管路存在比較大的壓力損失。其凸輪軸承入口油壓需進(jìn)行修正，考慮管路壓力損失后才能等效主油道壓力。

圖8為各零件入口壓力等效為主油道壓力后的油壓需求。

圖8 等效主油道機(jī)油壓力

由圖8可知，選取每個(gè)轉(zhuǎn)速下各零件的最大主油道油壓需求，即為主油道最小油壓需求。由于機(jī)油泵泵出的機(jī)油經(jīng)過(guò)機(jī)濾后直接達(dá)到主油道，忽略機(jī)濾的壓力損失，因此主油道的最小油壓需求即為機(jī)油泵的出口油壓，如圖9所示。

圖9 機(jī)油泵出口壓力

4 對(duì)比分析

對(duì)樣機(jī)現(xiàn)有的機(jī)油泵進(jìn)行壓力和流量的測(cè)試，并與理論計(jì)算的最小需求油壓和最小需求流量進(jìn)行了對(duì)比分析，如圖10、圖11所示。

圖10 機(jī)油泵壓力對(duì)比

圖11 機(jī)油泵流量對(duì)比

由圖10、圖11可知，現(xiàn)有機(jī)油泵的流量和壓力遠(yuǎn)大于理論最小需求流量和壓力，因此可以通過(guò)優(yōu)化機(jī)油泵的參數(shù)以減少機(jī)油泵的功耗，提升發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，這是后續(xù)機(jī)油泵設(shè)計(jì)改進(jìn)的方向。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)汽油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的流量和壓力進(jìn)行計(jì)算，可以指導(dǎo)機(jī)油泵的設(shè)計(jì)開發(fā)。

(1)通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)某發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)有機(jī)油泵的流量和壓力遠(yuǎn)大于理論最小需求流量和壓力，因此可以通過(guò)優(yōu)化機(jī)油泵的參數(shù)以減少機(jī)油泵的功耗，提升發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

(2)提出一種機(jī)油泵理論計(jì)算的方法，指導(dǎo)機(jī)油泵的設(shè)計(jì)開發(fā)。