內(nèi)燃機快速升溫?fù)跤桶宓拈_發(fā)

摘要：本文主要是介紹一款新的內(nèi)燃機快速升溫?fù)跤桶宓拈_發(fā)，相比目前市場上正在使用的內(nèi)燃機擋油板，此快速升溫?fù)跤桶寰哂袃?nèi)燃機冷啟動時實現(xiàn)機油的快速升溫，進(jìn)而降低內(nèi)燃機各個運動副的摩擦損失，降低整機的燃油消耗，通過整車NEDC 或者WLTP循環(huán)測試，可以降低CO2排放2%左右。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機;擋油板;快速升溫;節(jié)能

中圖分類號：TK435 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0011-03

0 ?引言

隨著2019年中國開始實施的雙積分制，傳統(tǒng)燃油車平均油耗滿足目標(biāo)值：2020年5升/100km，以后每年會逐步降低。發(fā)展節(jié)能與新能源汽車已成為有效緩解中國能源和環(huán)境壓力、推動汽車產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。其中內(nèi)燃機仍然有潛力可以挖掘，做到關(guān)鍵零部件的技術(shù)創(chuàng)新，依然可以降低油耗，助力建設(shè)節(jié)能環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展的城市生態(tài)。本文主要介紹下內(nèi)燃機曲軸箱里的擋油板通過技術(shù)創(chuàng)新，可以實現(xiàn)內(nèi)燃機冷啟動時機油的快速升溫，達(dá)到降油耗的目的。

1 ?概述

此內(nèi)燃機快速升溫?fù)跤桶鍙?018年10月開始立項開發(fā)，采用正向全新設(shè)計，高度集成擋油板的各個組件，滿足客戶各種功能指標(biāo)的要求。歷經(jīng)對市場上已有擋油板對標(biāo)分析，獨特的方案設(shè)計，產(chǎn)品三維模型構(gòu)建，二維圖紙的定稿，軟硬模階段的零部件級別，整車的產(chǎn)品生產(chǎn)驗證，最終很好的滿足了客戶要求。

試驗研究表明內(nèi)燃機冷啟動時，由于內(nèi)燃機機身冷，溫度低，機油粘度比較大，燃油不易燃燒，內(nèi)燃機內(nèi)部的摩擦損耗比較大，燃油消耗比較大。通過內(nèi)燃機NEDC循環(huán)試驗我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)內(nèi)燃機冷啟動的溫度升高30℃時，在ECE1階段CO2排放能降低29%，整個NEDC循環(huán)內(nèi)CO2排放能降低13%。內(nèi)燃機NEDC循環(huán)試驗實測數(shù)據(jù)如圖1所示。

從圖1試驗數(shù)據(jù)上看，增加內(nèi)燃機冷啟動時機油的溫度，能明顯降低整個NEDC循環(huán)的CO2排放，即達(dá)到降油耗的目的。怎樣使冷啟動時機油能快速升溫呢？方法有很多種，比如增加電子水泵，先進(jìn)的潤滑系統(tǒng)，優(yōu)化的熱管理系統(tǒng)，我們從投入成本和CO2排放降低的產(chǎn)出對比，發(fā)現(xiàn)上述措施的性價比并不是很高。我們需要一種投入成本比較低，結(jié)構(gòu)相對簡單，CO2排放又能顯著降低的方案。結(jié)合我們在內(nèi)燃機熱管理方面多年的技術(shù)沉淀和研究，我們提出了顛覆性的解決方案，與傳統(tǒng)的擋油板設(shè)計不同，傳統(tǒng)的擋油板和吸油管是分開布置在曲軸和油底殼之間的空腔內(nèi)，擋油板防止油底殼里機油飛濺，吸油管從油底殼里輸送機油到機油泵。擋油板和吸油管在輸送機油的通道上是沒有聯(lián)系的。顛覆性設(shè)計方案在于想辦法把擋油板和吸油管在輸送機油的通道上有聯(lián)系。下面重點介紹內(nèi)燃機快速升溫?zé)嵊桶宓脑O(shè)計。

2 ?內(nèi)燃機快速升溫?fù)跤桶宓脑O(shè)計開發(fā)

下面介紹下內(nèi)燃機快速升溫?fù)跤桶甯鱾€組件的詳細(xì)設(shè)計以及主要性能指標(biāo)的實現(xiàn)?？焖偕郎?fù)跤桶宓慕Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

快速升溫?fù)跤桶逯饕阅苤笜?biāo)：

機油泵常用流量為25L/min，最大流量為60L/min。

機油泵穩(wěn)態(tài)下，正常工作壓力為5bar以內(nèi)，瞬時可以達(dá)到7bar，到了7bar以后，內(nèi)部旁通閥會打開。

機油型號為0W-20。

內(nèi)燃機主油道回油的最大流量：當(dāng)內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速為6000rpm時，90℃時主油道最大回油量為7L/min，140℃時主油道最大回油量為8.5L/min。

雙金屬片耐久測試至少6萬次，耐久測試完成后，雙金屬片的開閉功能正常。

模態(tài)要求：一階模態(tài)大于250Hz。

內(nèi)燃機油底殼里一般有4-6升機油，內(nèi)燃機冷啟動時，機油會經(jīng)過吸油管后進(jìn)入機油泵，然后進(jìn)入內(nèi)燃機潤滑系統(tǒng)，最后機油會從主油道流回?fù)跤桶搴陀偷讱?。整個機油循環(huán)路徑比較長，內(nèi)燃機暖機時間比較長，通常要10分鐘左右。在內(nèi)燃機暖機過程中，燃油消耗比較高。如果暖機時間可以縮短，內(nèi)燃機的燃油消耗可以明顯降低，目前市場上的內(nèi)燃機絕大部分采用的是油底殼里的機油全部參與內(nèi)燃機的暖機過程。本內(nèi)燃機快速升溫?fù)跤桶宓脑O(shè)計采用的是雙金屬片把機油的循環(huán)路徑分成兩個獨立的部分，即當(dāng)機油溫度低于某個目標(biāo)值，比如75℃時，從擋油板回來的熱油經(jīng)過關(guān)閉的雙金屬片形成的通道，溫度比較高的機油由于距離吸油口比較近，并且機油粘度相對低，此時的機油很容易被機油泵吸走，這樣循環(huán)往復(fù)，整個參與內(nèi)燃機暖機過程的機油只有1.5升左右，主油道機油溫度達(dá)到80℃的時間會比全部機油參與暖機的時間提前30秒左右。當(dāng)機油溫度大于75℃時，雙金屬片會自動打開，從擋油板回來的熱油會直接經(jīng)過打開的雙金屬片流回油底殼，這樣熱的機油和油底殼里冷的機油混合，然后被機油泵吸走。這樣內(nèi)燃機暖機的時間會提前，整個冷啟動階段的燃油消耗會降低。本內(nèi)燃機快速升溫?fù)跤桶宓脑O(shè)計獨特之處在于把擋油板和吸油管用獨立通道連接起來，在擋油板上可以設(shè)置一個或者幾個雙金屬片，當(dāng)機油溫度沒有達(dá)到雙金屬片的開啟閥值時，從擋油板流回的熱油只能流入獨立的回油通道，機油流到吸油口處，很容易被機油泵再次吸入，參與暖機過程。當(dāng)機油溫度高于雙金屬片的開啟閾值時，擋油板上的雙金屬片會開啟，從擋油板上流回的機油會從開啟的雙金屬片窗口處直接流到油底殼。

雙金屬片一端采用自攻螺釘固定在壓板上，另外一端是自由狀態(tài)。如圖3所示。

雙金屬片材料是鐵鎳合金材料，其中一層金屬片是活性層，對溫度比較敏感，另外一層金屬片是惰性層，在-40℃到200℃范圍內(nèi)對溫度變化不敏感，雙金屬片的開啟閾值可以根據(jù)金屬片的壁厚和結(jié)構(gòu)設(shè)計調(diào)整，一旦雙金屬片的壁厚和結(jié)構(gòu)設(shè)計確定了，雙金屬片的開啟閾值對應(yīng)的溫度也就確定了，可以根據(jù)內(nèi)燃機高的熱效率要求，選擇合適的開啟溫度，依據(jù)內(nèi)燃機的實際臺架試驗測量結(jié)果，我們選擇了開啟溫度為70±5℃的雙金屬片。雙金屬片的技術(shù)要求如下：

活性層材料NC4，惰性層材料是因瓦合金，即含35.4%鎳的鐵合金，常溫下具有很低的熱膨脹系數(shù)，（-20～20℃之間，其平均值約1.6×10-6/℃）

雙金屬片要求在-40℃到150℃內(nèi)正常工作，不失效。

雙金屬片開啟的作用力<15N。

雙金屬片的最大變形量為25mm。

雙金屬片要耐6萬次以上的溫度循環(huán)測試，不失效。一個溫度循環(huán)為把測試樣件從常溫環(huán)境中（23℃）放到90℃的硅油中，然后再從硅油中取出放到常溫環(huán)境中。

雙金屬片的位置布置要考慮到內(nèi)燃機在整車上的安裝狀態(tài)，通常要把雙金屬片布置在最低位置，方便從內(nèi)燃機缸體主油道返回的機油能平順地流入雙金屬片附近區(qū)域，最終流入油底殼。

吸油管位于油底殼和吸油泵之間，吸油管一端浸沒在機油里，另外一端連接機油泵，吸油管的設(shè)計需要過渡平滑，盡可能避免尖角過度，這是為了使機油更順暢吸入機油泵，降低流阻。吸油管入口一般位于油底殼內(nèi)表面上方5mm左右，是為了最大限度利用油底殼里的機油，避免機油頻繁的加注。吸油管入口的位置布置要求還要考慮整車在極限路況下的最低液位要求，比如整車在路面上極限右傾角度45°，極限左傾角度45°，以及上坡和下坡時整車的傾斜角度，吸油管入口位置要滿足以上所有極限角度下供油的要求。同時在構(gòu)建吸油管模型時，要考慮吸油管能夠出模和可制造性。熱油從擋油板流入油底殼時，需要經(jīng)過回油腔，回油腔要盡可能把吸油管包圍，這樣流入回油腔的機油很容易流到吸油管入口，熱油會再次被機油泵吸入，會達(dá)到加速內(nèi)燃機暖機的目的。吸油管和回油腔的設(shè)計如圖4所示。機油在內(nèi)燃機潤滑系統(tǒng)循環(huán)時會帶走金屬碎屑或者金屬顆粒，工作一段時間后，這些金屬碎屑會堆積在油底殼，為了避免大顆粒的金屬碎屑被機油泵吸走，在吸油管入口前會增加一道濾網(wǎng)，濾網(wǎng)能有效攔截金屬碎屑，以免損傷機油泵。

在快速升溫?fù)跤桶逶O(shè)計過程中，還要考慮擋油板的裝配順序，通常在內(nèi)燃機裝配車間，整個內(nèi)燃機缸體倒過來裝配，先把擋油板裝配在倒過來的內(nèi)燃機缸體上，然后再裝配吸油管和回油腔到機油泵上，裝配吸油管到機油泵上時，為了避免螺栓在裝配路徑上不慎跌落入缸體，會在吸油管上做保護特征，避免螺栓跌落到缸體。最后再裝配油底殼，整體上看，擋油板夾在缸體和油底殼之間，用螺栓固定在缸體上，裝配比較牢靠。吸油管和回油腔是固定在機油泵上，與擋油板是間隙配合，吸油管和回油腔的設(shè)計要緊湊，結(jié)構(gòu)強壯，重量輕，最大限度提升固有模態(tài)，避免內(nèi)燃機在工作過程中的共振。

初步的設(shè)計完成后，需要用流體仿真驗證機油從吸油管入口吸入吸油管到機油泵的壓力損失，以及熱油從擋油板返回，再次被機油泵吸入的比例，這直接影響著快速升溫?fù)跤桶宓男阅?。用密封圈橡膠材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線和許用壓縮率仿真計算密封圈截面和密封槽的設(shè)計合理性。最后整個擋油板仿真計算下模態(tài)，要求一階模態(tài)大于250Hz。擋油板設(shè)計過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真計算需要密切配合，互相迭代，最終可以設(shè)計出滿足各方面要求的產(chǎn)品。

擋油板產(chǎn)品設(shè)計完成后，接下來要做快速樣件，在試驗臺架上做試驗驗證機油快速升溫的性能表現(xiàn)。快速樣件制作需要光敏樹脂3D打印，打印后的樣件外表面還需要涂環(huán)氧樹脂，用于提高耐溫特性。因為擋油板總成經(jīng)常與機油接觸，需要耐120℃的機油。樣件制作完成后，需要在樣件上布置6個溫度傳感器，用于在臺架試驗過程中，監(jiān)控每個敏感位置的溫度。1#傳感器位置表示與1#氣缸對應(yīng)的擋油板上機油的溫度，2#傳感器位置表示從內(nèi)燃機缸蓋滴落機油的溫度，3#感器位置表示與2#氣缸對應(yīng)的擋油板上機油的溫度，4#傳感器位置表示與3#氣缸對應(yīng)的擋油板上機油的溫度，5#傳感器位置表示吸油管入口機油的溫度，6#傳感器位置表示內(nèi)燃機主油道內(nèi)機油的溫度。傳感器布置完成后，樣件可以裝配到整車上開始做試驗了。為了保證試驗的一致性，每天只能做一輪NEDC或者WLTP循環(huán)的試驗。整車上試驗結(jié)果如表1所示。

從試驗結(jié)果上看，本內(nèi)燃機快速升溫?fù)跤桶迥芙档?%的CO2排放，對于這種低成本的技術(shù)方案，客戶對CO2排放能降低2%的性能表現(xiàn)非常滿意。

除了上述提到的快速升溫?fù)跤桶彘_發(fā)過程中的重要功能和注意事項外，還要對放油閥密封和彈簧開啟關(guān)閉功能做詳細(xì)的可靠性設(shè)計。最終產(chǎn)品裝配到客戶整車上，各種試驗數(shù)據(jù)表明能很好地滿足客戶最初的設(shè)計要求。

3 ?結(jié)束語

此內(nèi)燃機快速升溫?fù)跤桶宓拈_發(fā)能很好地滿足客戶的技術(shù)和交樣需求，填補了國內(nèi)雙金屬片控制機油循環(huán)路徑，快速暖機，降低CO2排放的空白，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

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作者簡介：許亞軍（1984-），男，河南商水人，本科，機械工程師，創(chuàng)新和報價經(jīng)理，研究方向為汽車發(fā)動機產(chǎn)品節(jié)能環(huán)保輕量化。