機(jī)油壓力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中的應(yīng)用

鄭建，楊名名，吳宇，黃強(qiáng)煒

(上海機(jī)動(dòng)車檢測(cè)中心研究認(rèn)證技術(shù)有限公司，上海 201805)

1 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)通過(guò)飛濺潤(rùn)滑和壓力潤(rùn)滑的方式，來(lái)減少相關(guān)零部件的磨損，同時(shí)帶走一部分熱量。潤(rùn)滑系統(tǒng)需要合理的油壓與流量分配來(lái)保證其良好的工作特性。在臺(tái)架上進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)，機(jī)油在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)形成閉環(huán)，如果要監(jiān)測(cè)各個(gè)關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)副或是冷卻單元的機(jī)油流量，難以實(shí)現(xiàn)，所以臺(tái)架監(jiān)測(cè)主要以主油道機(jī)油壓力監(jiān)測(cè)為主。

發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)確定各個(gè)運(yùn)行工況所需的機(jī)油壓力，通過(guò)油泵及管路閥門設(shè)計(jì)達(dá)到其預(yù)期性能。隨著零部件的老化以及相關(guān)故障的出現(xiàn)，機(jī)油壓力可能出現(xiàn)偏離設(shè)定值的情況。當(dāng)機(jī)油壓力過(guò)低或過(guò)高時(shí)都會(huì)使得潤(rùn)滑表面難以形成良好油膜，從而加速磨損；機(jī)油壓力過(guò)高還會(huì)對(duì)油路、油封、濾清器等造成損傷，誘發(fā)漏油等故障[1-5]。目前發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，依據(jù)整個(gè)工作范圍內(nèi)機(jī)油壓力的最大值與最小值，設(shè)定單一的閾值來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

臺(tái)架試驗(yàn)中對(duì)機(jī)油進(jìn)行單一閾值監(jiān)測(cè)方式容易實(shí)現(xiàn)成本低，但監(jiān)測(cè)覆蓋不夠全面，容易發(fā)生故障。高轉(zhuǎn)速下機(jī)油通道泄漏，機(jī)油壓力達(dá)到下限閾值需要時(shí)間，而發(fā)生泄漏后，部分部件得不到良好潤(rùn)滑而繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)損傷該部件摩擦表面；而低轉(zhuǎn)速時(shí)通道堵塞，機(jī)油壓力的增大不會(huì)立即觸發(fā)上限閾值，部分部件得不到良好潤(rùn)滑而繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)損傷該部件摩擦表面。圖1中發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)轉(zhuǎn)速下，機(jī)油壓力最大值與最小值的差值百分比最多可達(dá)20%以上，表明發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)工況間機(jī)油壓力差異明顯。因此有必要針對(duì)每個(gè)工況分別設(shè)置閾值，通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的方式來(lái)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力。

圖1發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)油壓力差異性

機(jī)油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起到潤(rùn)滑和冷卻的作用，機(jī)油溫度一定程度上表征著發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前的工作狀態(tài)，因此臺(tái)架試驗(yàn)必須監(jiān)測(cè)機(jī)油溫度。機(jī)油溫度會(huì)影響機(jī)油的密度與粘度等物性參數(shù)，由此帶來(lái)機(jī)油壓力的較大變化[6]。所以本文機(jī)油壓力動(dòng)態(tài)閾值的設(shè)定將機(jī)油溫度的影響納入了預(yù)測(cè)模型。

2 建立機(jī)油壓力預(yù)測(cè)模型

國(guó)內(nèi)外對(duì)于潤(rùn)滑系統(tǒng)中機(jī)油壓力的單獨(dú)預(yù)測(cè)研究較少，基于仿真軟件建立潤(rùn)滑系統(tǒng)的一維流動(dòng)模型[7-13]或者三維CFD模型[14]等對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行同時(shí)預(yù)測(cè)的研究較多?；诹鲃?dòng)模型的預(yù)測(cè)方法準(zhǔn)確度較高，但存在一些不足：①計(jì)算所需各類參數(shù)較多且復(fù)雜，需要額外試驗(yàn)支撐；②計(jì)算成本與時(shí)間成本較高；③所能預(yù)測(cè)參數(shù)多于需求，造成資源浪費(fèi)。機(jī)油壓力主要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)油溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩等，且一階多元線性模型可較好的預(yù)測(cè)其變化趨勢(shì)[15-16]。因此，本文基于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)油溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩三個(gè)參數(shù)構(gòu)建機(jī)油壓力預(yù)測(cè)模型。

為保證精度，選用二階多元非線性方程來(lái)擬合機(jī)油壓力與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)油溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的映射關(guān)系，如下式(1)所示。

Poil=a0+a1n+a2T+a3M+a4n2+a5T2+a6M2
+a7n·T+a8n·M+a9T·M

(1)

式中：Poil——機(jī)油壓力預(yù)測(cè)值，單位kPa；n——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，單位r·min-1；T——機(jī)油溫度，單位K；M——發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，單位N·m；a0～a9——常系數(shù)。

采用在不同試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)得的三臺(tái)不同柴油機(jī)萬(wàn)有特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于該方程通過(guò)MATLAB軟件，選取最小二乘法擬合函數(shù)進(jìn)行迭代求取常系數(shù)值a0～a9，試驗(yàn)樣品信息如表1所示。

表1 試驗(yàn)樣品信息

通過(guò)擬合計(jì)算所得3個(gè)機(jī)油壓力預(yù)測(cè)方程，計(jì)算各自的萬(wàn)有特性下的機(jī)油壓力值。將其與實(shí)測(cè)值進(jìn)行線性回歸分析，如圖2～圖4所示。二者線性相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99，表明預(yù)測(cè)模型變化趨勢(shì)十分接近實(shí)際情況。

圖2樣品1機(jī)油壓力預(yù)測(cè)值統(tǒng)計(jì)分析

圖3樣品2機(jī)油壓力預(yù)測(cè)值統(tǒng)計(jì)分析

圖4樣品3機(jī)油壓力預(yù)測(cè)值統(tǒng)計(jì)分析

如圖5，統(tǒng)計(jì)對(duì)預(yù)測(cè)值與測(cè)量值的差值百分比(二者誤差)。由此可知二者誤差整體較小且符合正態(tài)分布，平均值0.027%、標(biāo)準(zhǔn)偏差2.089%、5%以內(nèi)的誤差樣本占比95.4%。

圖5預(yù)測(cè)值誤差分布圖

繪制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、機(jī)油溫度與機(jī)油壓力的映射關(guān)系圖，如圖6所示。研究發(fā)現(xiàn)：

1)機(jī)油壓力隨著轉(zhuǎn)速增加呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)趨勢(shì)，達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后趨于穩(wěn)定；

2)機(jī)油溫度的升高使得機(jī)油壓力急劇下降，達(dá)到某一溫度后變化減緩；

3)機(jī)油壓力與發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩之間相關(guān)度不高。因此，機(jī)油壓力的主要影響因素為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和機(jī)油溫度。

圖6機(jī)油壓力主要影響因素

3 機(jī)油壓力的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

3.1 機(jī)油壓力閾值曲線

通過(guò)構(gòu)建隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和機(jī)油溫度變化的機(jī)油壓力閾值MAP圖，將其輸入到發(fā)動(dòng)機(jī)ECU中來(lái)完善發(fā)動(dòng)機(jī)自身的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)工況過(guò)渡時(shí)，機(jī)油壓力與機(jī)油溫度等參數(shù)變化趨于穩(wěn)定需要一定的時(shí)間。既可以通過(guò)分析特定參數(shù)的變化過(guò)程，從而制定相應(yīng)的屏蔽算法；也可以直接在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中加入時(shí)延裝置，達(dá)到一定時(shí)間內(nèi)過(guò)濾監(jiān)測(cè)信號(hào)的效果。

考慮到轉(zhuǎn)速是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)中已有完備的相關(guān)算法。因此，機(jī)油壓力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，僅采用轉(zhuǎn)速作為自變量建立機(jī)油壓力的監(jiān)控閾值曲線。

基于機(jī)油壓力預(yù)測(cè)模型，在給定發(fā)動(dòng)機(jī)工況與機(jī)油溫度范圍內(nèi)計(jì)算相應(yīng)的機(jī)油壓力，從而確定每個(gè)轉(zhuǎn)速下的臨界組值(上限與下限)。該組值增加10%之后作為報(bào)警閾值，增加30%作為停機(jī)閾值。對(duì)于正常的低轉(zhuǎn)速工況，其壓力相對(duì)較低，如果此時(shí)設(shè)定的閾值(增加10%之后作為報(bào)警閾值，增加30%作為停機(jī)閾值)低于潤(rùn)滑油壓力最低要求值時(shí)，取廠家規(guī)定的發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑所需最低機(jī)油壓力。由此構(gòu)成相應(yīng)的報(bào)警與停機(jī)監(jiān)控閾值曲線，將其輸入臺(tái)架系統(tǒng)用以動(dòng)態(tài)監(jiān)控。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力越過(guò)當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的報(bào)警值時(shí)，臺(tái)架系統(tǒng)自動(dòng)彈出報(bào)警信息，提醒臺(tái)架實(shí)驗(yàn)人員關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)；當(dāng)越過(guò)停機(jī)值，則發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停機(jī)，以免給發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)?yè)p傷。

3.2 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

機(jī)油壓力的監(jiān)測(cè)閾值需將臺(tái)架試驗(yàn)最極端工況考慮在內(nèi)。在樣品3進(jìn)行的臺(tái)架試驗(yàn)中，熱機(jī)后機(jī)油溫度最低60℃，發(fā)動(dòng)機(jī)廠家規(guī)定最高機(jī)油溫度115℃。

將閾值曲線導(dǎo)入試驗(yàn)臺(tái)架，在樣品3上進(jìn)行機(jī)油動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，見(jiàn)圖7。按照GB 18297-2001《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)》進(jìn)行的萬(wàn)有特性試驗(yàn)[17]，機(jī)油壓力測(cè)量結(jié)果如圖8所示?？芍l(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)時(shí)，機(jī)油壓力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)閾值能涵蓋其所有正常運(yùn)行工況。

圖7樣品3試驗(yàn)臺(tái)架

圖8穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)機(jī)油壓力監(jiān)測(cè)

按照GB 17691-2018《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第Ⅵ階段)》進(jìn)行的熱態(tài)WHTC試驗(yàn)[18]，如圖9所示。試驗(yàn)結(jié)果如圖10和圖11所示。由此可知，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力隨轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)相同；發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工況下，機(jī)油壓力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)正常。

圖9熱態(tài)WHTC試驗(yàn)循環(huán)工況

圖10瞬態(tài)試驗(yàn)機(jī)油壓力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

圖11機(jī)油壓力與上下閾值差值統(tǒng)計(jì)

樣品3臺(tái)架試驗(yàn)中通過(guò)將機(jī)油壓力監(jiān)測(cè)閾值的下限整體增大，來(lái)模擬潤(rùn)滑系統(tǒng)低壓故障。如圖12和圖13所示，當(dāng)超過(guò)預(yù)警限值時(shí)，臺(tái)架系統(tǒng)彈出報(bào)警信息且發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)超過(guò)停機(jī)限值時(shí)，臺(tái)架系統(tǒng)彈出停機(jī)信息且發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)；因此故障監(jiān)測(cè)功能正常。

圖12低壓報(bào)警試驗(yàn)?zāi)M

圖13低壓停機(jī)試驗(yàn)?zāi)M

4 總結(jié)

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)工況間機(jī)油壓力的差異性明顯。臺(tái)架系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)閾值進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，可以涵蓋全部運(yùn)行工況的故障監(jiān)測(cè)，精度較高能較好地避免發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)闄C(jī)油壓力監(jiān)測(cè)不合理導(dǎo)致出現(xiàn)損傷。

(2)基于發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性數(shù)據(jù)，求解機(jī)油壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)油溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩之間的二階非線性方程來(lái)建立機(jī)油壓力預(yù)測(cè)模型。三臺(tái)不同發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的線性相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，且二者誤差在5%以內(nèi)的樣本占比95.4%。

(3)由機(jī)油壓力預(yù)測(cè)模型進(jìn)行分析可知，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與機(jī)油溫度為主要影響因素?？紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)變工況時(shí)相應(yīng)參數(shù)響應(yīng)時(shí)間不同，需添加屏蔽算法或時(shí)延裝置來(lái)防止誤報(bào)。均衡系統(tǒng)復(fù)雜度與監(jiān)測(cè)精度，僅以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為自變量構(gòu)建機(jī)油壓力閾值曲線。

(4)給定所需監(jiān)控的發(fā)動(dòng)機(jī)工況以及規(guī)定的機(jī)油溫度范圍來(lái)計(jì)算機(jī)油壓力，以各轉(zhuǎn)速下臨界預(yù)測(cè)值增量10%作為報(bào)警閾值，30%作為停機(jī)閾值，低于潤(rùn)滑油壓力最低要求值時(shí)，取廠家規(guī)定的發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑所需最低機(jī)油壓力。以發(fā)動(dòng)機(jī)樣品3為的穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)、瞬態(tài)試驗(yàn)和故障模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了機(jī)油壓力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。