某汽油機(jī)機(jī)油含氣量高問(wèn)題分析與優(yōu)化

陽(yáng)焱屏 吳慶先 章成 于士博 李云虹

摘 要：某汽油機(jī)進(jìn)行傾斜試驗(yàn)開(kāi)發(fā)時(shí)，由于水平及傾斜狀態(tài)機(jī)油含氣量高，使得特定條件下傾斜角度小于設(shè)計(jì)目標(biāo)。利用Pro-E模擬水平及傾斜狀態(tài)油底殼機(jī)油液面分布，從機(jī)油含氣量的產(chǎn)生機(jī)理入手，分析高液位含氣量高的主要原因?yàn)槠胶廨S及鏈條攪油，傾斜時(shí)低液位含氣量高的原因?yàn)闄C(jī)油泵吸油口與機(jī)油液面的距離與平衡軸攪油相互影響;并在此基礎(chǔ)上對(duì)油底殼和機(jī)油泵進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)優(yōu)化后各個(gè)液位平衡軸攪油減少，機(jī)油含氣量均有不同程度改善，傾斜角度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：汽油機(jī);傾斜試驗(yàn);機(jī)油含氣量;Pro-E;機(jī)油液面分布

中圖分類(lèi)號(hào)：U464.171 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：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(dāng)汽車(chē)在拐彎、加/減速或在傾斜路面行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的機(jī)油液面會(huì)在離心力、慣性及重力的作用下，相對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼平面發(fā)生一定角度的傾斜。發(fā)動(dòng)機(jī)傾斜試驗(yàn)是為了評(píng)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)在傾斜狀態(tài)下，潤(rùn)滑系統(tǒng)和曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)能否工作正常。傾斜試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有曲軸箱通風(fēng)管是否竄油、機(jī)油壓力低限值，機(jī)油壓力波動(dòng)以及機(jī)油含氣量，機(jī)油含氣量是影響發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑性能的直接因素，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦功、振動(dòng)及噪聲等性能[1-4]。

本文研究的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行傾斜試驗(yàn)開(kāi)發(fā)時(shí)，水平狀態(tài)機(jī)油含氣量超出限值15%;且傾斜過(guò)程中曲軸箱通風(fēng)管未發(fā)生竄油，機(jī)油壓力波動(dòng)及低限值均合格，但機(jī)油含氣量超出限值25%，導(dǎo)致多個(gè)方向傾斜角度小于設(shè)計(jì)目標(biāo)25°。本文通過(guò)Pro-E軟件模擬發(fā)動(dòng)機(jī)水平狀態(tài)以及傾斜狀態(tài)油底殼機(jī)油液面分布，分析機(jī)油含氣量高的原因后，對(duì)油底殼、機(jī)油泵吸油口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)搭建簡(jiǎn)易傾斜臺(tái)架進(jìn)行傾斜試驗(yàn)，對(duì)比分析設(shè)計(jì)優(yōu)化后含氣量改善情況以及傾斜角度是否達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1 含氣量高原因分析及對(duì)策

為分析機(jī)油含氣量高的具體原因，本文利用Pro-E對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)水平及傾斜狀態(tài)油底殼機(jī)油液位分布進(jìn)行3D仿真，從機(jī)油含氣量的產(chǎn)生機(jī)理入手，重點(diǎn)分析了機(jī)油含氣量高的原因，在此基礎(chǔ)上對(duì)油底殼和機(jī)油泵進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.1 水平狀態(tài)下高液位含氣量高原因分析

圖1為原機(jī)傾斜試驗(yàn)開(kāi)發(fā)時(shí)水平狀態(tài)機(jī)油含氣量分布，當(dāng)機(jī)油液位≥3.8L時(shí)，機(jī)油含氣量高于限值15%。結(jié)合Pro-E仿真3D液面分析，圖2為機(jī)油液位4.95L靜置時(shí)液面分布，圖3、圖4、圖5分別為機(jī)油液位4.95L、4L及3.7L額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)液面分布。

結(jié)果顯示，機(jī)油液位4L時(shí)油底殼機(jī)油淹沒(méi)平衡軸軸承孔1/4，平衡塊浸沒(méi)在機(jī)油液面下，平衡塊攪動(dòng)機(jī)油產(chǎn)生的氣泡從軸承孔逸出后被機(jī)油泵吸入;機(jī)油液位3.7L機(jī)油液面基本脫離平衡軸軸承孔，平衡塊浸沒(méi)深度及機(jī)油攪動(dòng)情況較4L時(shí)改善，且機(jī)油攪動(dòng)產(chǎn)生的氣泡從軸承孔逸出到曲軸箱，機(jī)油泵吸入氣泡減少，機(jī)油含氣量下降，與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

綜上分析，水平狀態(tài)3.8L以上液位機(jī)油含氣量高的原因是平衡塊攪油嚴(yán)重，產(chǎn)生大量氣泡未及時(shí)消散，通過(guò)軸承孔處間隙逸出被機(jī)油泵吸入。

1.2 傾斜狀態(tài)下含氣量高原因分析

發(fā)動(dòng)機(jī)傾斜試驗(yàn)時(shí)當(dāng)機(jī)油含氣量超出限值25%，則終止試驗(yàn)，傾斜角度設(shè)計(jì)目標(biāo)為25°。圖6為發(fā)動(dòng)機(jī)向進(jìn)氣、排氣、正時(shí)及飛輪方向傾斜各個(gè)液位傾斜角度結(jié)果;其中4.5L及4.95L液位正時(shí)側(cè)傾斜角度分別為21°、13°，3.3L液位進(jìn)氣側(cè)傾斜角度僅17°，均小于設(shè)計(jì)目標(biāo)。

結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)布置特點(diǎn)，平衡軸沿曲軸方向偏向于正時(shí)側(cè)，機(jī)油泵鏈條驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)亦在正時(shí)側(cè)。4.5L及4.95L液位發(fā)動(dòng)機(jī)從水平狀態(tài)向正時(shí)側(cè)傾斜時(shí)，平衡塊及鏈條攪油加劇，導(dǎo)致含氣量迅速升高至25%，傾斜角度小于設(shè)計(jì)目標(biāo)。3.3L液位向進(jìn)氣側(cè)傾斜含氣量高原因則需進(jìn)一步分析。

3.3L液位水平狀態(tài)、進(jìn)氣側(cè)傾斜終止（17°）、排氣側(cè)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(tài)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(jiàn)圖1）;進(jìn)氣側(cè)傾斜終止（17°）與排氣側(cè)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(méi)在機(jī)油中，攪油情況相差無(wú)幾。

發(fā)動(dòng)機(jī)從水平向進(jìn)排氣側(cè)傾斜，平衡軸攪油從無(wú)到有，吸油口與機(jī)油液面的距離減少，是傾斜狀態(tài)下含氣量升高的原因。進(jìn)氣側(cè)傾斜角度比排氣側(cè)更小是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)向進(jìn)氣側(cè)傾斜時(shí)，由于油底殼形狀不規(guī)則，吸油口與液面的距離減小更快，機(jī)油含氣量快速升高至25%?？偟膩?lái)說(shuō)，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(chǎn)生的氣泡逐漸向機(jī)油液面消散，越接近液面氣泡密度越高，被機(jī)油泵大量吸入。

通過(guò)上文分析，降低含氣量最簡(jiǎn)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(chē)布置空間，將該發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼在垂直方向向下延伸6mm，綜合考慮各個(gè)方向機(jī)油泵吸油口與機(jī)油液面的距離對(duì)油底殼進(jìn)行修模，同時(shí)將機(jī)油泵吸油口沿油底殼垂直方向向下延伸8mm，經(jīng)此設(shè)計(jì)優(yōu)化后，同等液位下設(shè)變后方案既減少了平衡軸攪油，同時(shí)增加了吸油口與液面的距離。設(shè)計(jì)優(yōu)化后含氣量改善實(shí)際效果如何需進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證與分析。

2 機(jī)油含氣量設(shè)備及限值

原發(fā)動(dòng)機(jī)傾斜試驗(yàn)開(kāi)發(fā)時(shí)，機(jī)油含氣量設(shè)備為X射線(xiàn)含氣量?jī)x，檢測(cè)機(jī)油所含游離氣體[5]。機(jī)油含氣量限值水平狀態(tài)為15%，傾斜狀態(tài)為25%。

設(shè)計(jì)優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)傾斜狀態(tài)通過(guò)簡(jiǎn)易傾斜臺(tái)架實(shí)現(xiàn)，水平及傾斜狀態(tài)含氣量測(cè)試設(shè)備均為為FEV含氣量分析儀，如圖10所示。簡(jiǎn)易傾斜臺(tái)架可固定發(fā)動(dòng)機(jī)在某一傾斜角度，角度步長(zhǎng)3°。FEV機(jī)油含氣量分析儀通過(guò)降低分離腔內(nèi)的壓力至近真空，從而達(dá)到機(jī)油與氣體（游離氣與溶解氣）的分離，測(cè)量結(jié)果為游離氣及溶解氣的總和[6]。圖11為原發(fā)動(dòng)機(jī)利用兩種含氣量分析儀測(cè)試結(jié)果，X射線(xiàn)含氣量分析儀所測(cè)機(jī)油含氣量較FEV含氣量分析儀所測(cè)含氣量少8.6%～9.9%，符合Henry Dalton's定律[7-8]。因此，后文中設(shè)計(jì)優(yōu)化前后含氣量分析均為FEV含氣量?jī)x測(cè)試結(jié)果，水平含氣量限值為25%，傾斜含氣量限值為35%。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化前后含氣量分析

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)水平狀態(tài)含氣量分析

圖12為發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況水平狀態(tài)設(shè)計(jì)優(yōu)化前后含氣量分布。設(shè)計(jì)優(yōu)化后3.8L及以上液位機(jī)油含氣量大大改善，其中4.95L液位含氣量最大為24.8%，滿(mǎn)足限值要求。原因是油底殼加深后，與原機(jī)相比同等機(jī)油加注量，平衡軸與機(jī)油液面垂直方向距離加長(zhǎng)，平衡軸攪油情況改善。

另一方面，額定轉(zhuǎn)速小負(fù)荷和全負(fù)荷機(jī)油含氣量，在主油道機(jī)油溫度及壓力相同前提下，結(jié)果差異很小，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷及曲軸箱漏氣量的差異對(duì)含氣量結(jié)果影響很小。這也是傾斜時(shí)含氣量測(cè)量可以通過(guò)簡(jiǎn)易傾斜臺(tái)架進(jìn)行測(cè)試的前提。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)傾斜狀態(tài)含氣量分析

3.2.1 3.3L液位向進(jìn)氣側(cè)傾斜

圖13為3.3L液位進(jìn)氣側(cè)傾斜時(shí)，設(shè)計(jì)優(yōu)化前后含氣量對(duì)比。優(yōu)化前機(jī)油含氣量達(dá)到限值35%時(shí)，傾斜試驗(yàn)終止，傾斜角度僅17°。設(shè)計(jì)優(yōu)化后，傾斜角度15°以上含氣量改善明顯，傾斜至30°時(shí)，機(jī)油含氣量26.1%，遠(yuǎn)小于35%。

圖14、圖15分別為設(shè)計(jì)優(yōu)化前后3.3L進(jìn)氣側(cè)傾斜30°時(shí)油底殼液面分布。優(yōu)化前吸油口與機(jī)油液面的距離為10.2mm，平衡塊還有一部分浸沒(méi)在機(jī)油中;優(yōu)化后吸油口與機(jī)油液面的距離為7.9mm，平衡軸的平衡塊完全脫離機(jī)油液面。盡管設(shè)計(jì)優(yōu)化后吸油口到液面的距離減小了2.3mm，但平衡塊攪油產(chǎn)生的氣泡減少，機(jī)油泵吸入氣泡大大減少，機(jī)油含氣量因而降低。

3.2.2 4.5L及4.95L液位向正時(shí)側(cè)傾斜

圖16、圖17為4.5L及4.95L液位正時(shí)側(cè)傾斜設(shè)計(jì)優(yōu)化前/后含氣量對(duì)比。設(shè)計(jì)優(yōu)化后不僅發(fā)動(dòng)機(jī)水平狀態(tài)含氣量改善，且隨著傾斜角度增加，含氣量增加趨勢(shì)變緩，傾斜角度24°～27°間含氣量達(dá)到限值35%，滿(mǎn)足傾斜角度≥25°要求。而優(yōu)化后4.5L液位機(jī)油含氣量改善較4.95L液位更明顯，傾斜角度可達(dá)30°以上。

結(jié)合設(shè)計(jì)優(yōu)化前后液位分布進(jìn)一步分析機(jī)油含氣量改善原因。圖18、圖19分別為設(shè)計(jì)優(yōu)化前后4.95L液位向正時(shí)側(cè)傾斜26°時(shí)液面分布。由圖可知，原機(jī)吸油口與機(jī)油液面距離為56.2mm，但存在平衡軸+機(jī)油泵鏈條雙重?cái)囉?，尤其是平衡軸攪油距離機(jī)油泵吸油口近，相對(duì)于鏈條攪油產(chǎn)生的氣泡更容易被機(jī)油泵吸入。設(shè)計(jì)優(yōu)化后吸油口與液面距離減小至33.4mm，雖然機(jī)油泵鏈條仍存在攪油，但平衡軸已脫離機(jī)油液位，不存在攪油，機(jī)油含氣量反而降低。

4 結(jié)論

1）發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼及機(jī)油泵吸油口優(yōu)化后，機(jī)油含氣量改善，傾斜角度達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo);

2）發(fā)動(dòng)機(jī)配有平衡軸情況下，油底殼設(shè)計(jì)時(shí)，機(jī)油液面模擬分析不僅需保證吸油口不吸空;油底殼液位應(yīng)盡可能減少平衡軸及鏈條攪油;

3）油底殼設(shè)計(jì)受整車(chē)布置空間限制，無(wú)法避免平衡軸攪油時(shí)，需綜合考慮平衡軸及鏈條攪油發(fā)氣泡量，使吸油口到液面的距離盡可能大。

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