某汽油機(jī)機(jī)油泵校核計(jì)算

鐘臻，許濤，阮仁宇

(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥 230601)

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某汽油機(jī)機(jī)油泵校核計(jì)算

鐘臻，許濤，阮仁宇

(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥 230601)

采用機(jī)油泵經(jīng)典計(jì)算法對(duì)某自然吸氣汽油機(jī)的機(jī)油泵進(jìn)行校核計(jì)算，計(jì)算出潤滑系統(tǒng)所需機(jī)油量以及該機(jī)油泵的理論輸油量。結(jié)果表明：原自然吸氣汽油機(jī)的機(jī)油泵不能滿足新機(jī)型的潤滑要求。重新開發(fā)一款新機(jī)油泵，并進(jìn)行校核計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果證明：新機(jī)油泵的理論輸油量和實(shí)際輸油量均滿足潤滑系統(tǒng)的需求。

機(jī)油泵；校核計(jì)算；輸油量

0　前言

機(jī)油泵是一種應(yīng)用廣泛的潤滑通用機(jī)械，通過它抽取的機(jī)油對(duì)各種做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件的摩擦表面進(jìn)行潤滑，從而保障旋轉(zhuǎn)機(jī)件的溫順運(yùn)行。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中，機(jī)油泵的作用是為潤滑系統(tǒng)提供源源不斷的潤滑機(jī)油，使相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件的摩擦表面之間保持一層潤滑油膜，使兩零件的摩擦表面隔開，形成液體摩擦，減少零件的磨損和功率的消耗，同時(shí)機(jī)油泵還供油給活塞冷卻噴嘴來冷卻活塞。

某公司在自主研發(fā)的一款自然吸氣汽油機(jī)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，開發(fā)一款同排量的增壓汽油機(jī)型，針對(duì)原自然吸氣汽油機(jī)的機(jī)油泵，對(duì)機(jī)油泵能力進(jìn)行校核，分析其是否能滿足增壓汽油機(jī)潤滑系統(tǒng)的開發(fā)需求，若不能，則開發(fā)一款全新機(jī)油泵產(chǎn)品。

1　計(jì)算過程

在低轉(zhuǎn)速的時(shí)候，機(jī)油泵傳輸?shù)挠土客荒軡M足發(fā)動(dòng)機(jī)需要；隨著轉(zhuǎn)速的增加，機(jī)油泵的輸油能力將迅速提升，當(dāng)達(dá)到某一個(gè)值時(shí)，機(jī)油泵的輸油量將超過發(fā)動(dòng)機(jī)的需油量。

為了估算需要的機(jī)油泵排出機(jī)油量，一般都要假設(shè)低轉(zhuǎn)速工況時(shí)的油壓是足夠的。校核機(jī)油泵時(shí)，汽油機(jī)轉(zhuǎn)速的取值區(qū)間有一定的范圍，在該范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)開始完全潤滑；同時(shí)，機(jī)油泵輸油量和發(fā)動(dòng)機(jī)需油量又接近一致，這個(gè)區(qū)間一般為800～2 000 r/min，通常取1 500 r/min。

當(dāng)機(jī)油泵的輸油量在1 500 r/min滿足汽油機(jī)潤滑需要的機(jī)油量時(shí)，就可以認(rèn)為機(jī)油泵的設(shè)計(jì)滿足要求。因此，文中主要針對(duì)機(jī)油泵在1 500 r/min時(shí)，理論輸油量是否滿足潤滑系統(tǒng)所需機(jī)油量進(jìn)行校核計(jì)算。

1.1潤滑系統(tǒng)所需機(jī)油量的計(jì)算

圖1為潤滑系統(tǒng)示意圖，機(jī)油泵抽取的機(jī)油量減去當(dāng)供油管內(nèi)壓力過大時(shí)經(jīng)過限壓閥流回油底殼的機(jī)油量，就等于經(jīng)過機(jī)油濾清器進(jìn)入主油道的機(jī)油量。由于限壓閥的開啟壓力為(590±50) kPa，而在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)，系統(tǒng)壓力小于限壓閥的開啟壓力，所以限壓閥關(guān)閉，這部分流量不需考慮。

主油道的機(jī)油一部分直接進(jìn)入VVT和自動(dòng)張緊器流回油底殼，一部分進(jìn)入缸蓋主油孔，還有一部分進(jìn)入缸體油道。進(jìn)入缸蓋主油道的機(jī)油一部分進(jìn)入進(jìn)、排氣凸輪軸軸承和機(jī)械挺柱(兩支)，對(duì)之潤滑;另一部分經(jīng)過增壓器流回油底殼，構(gòu)成循環(huán)。進(jìn)入缸體油道的機(jī)油分別進(jìn)入曲軸軸頸、冷卻噴油嘴和正時(shí)鏈噴油嘴流回油底殼。由于自動(dòng)張緊器的機(jī)油流量較小，大約為200～300 mL/h，影響不大，故可忽略不計(jì)。

由上面的分析可知，潤滑系統(tǒng)需油量≈VVT機(jī)油流量+自動(dòng)張緊器機(jī)油流量+軸承機(jī)油流量+增壓器機(jī)油流量+曲軸軸頸機(jī)油流量+冷卻噴油嘴機(jī)油流量+正時(shí)噴油嘴機(jī)油流量。

(1)軸承機(jī)油流量

軸承機(jī)油流量計(jì)算采取AVL的經(jīng)驗(yàn)公式，軸承潤滑的機(jī)油流量需求可以由下式估算：

VB=v·AB

此處AB=∑(D·π·dmax)

式中：VB為低速時(shí)軸承潤滑需要的機(jī)油流量(L/h)；

AB為軸承間隙總面積(mm2)；

D為軸承直徑(mm)；

dmax為最大軸承徑向間隙(mm)；

v為單位機(jī)油流量(經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù))[L/(mm2·h)]。

假設(shè)的軸承間隙總面積通常取110 mm2時(shí)的值，這個(gè)值已經(jīng)考慮了熱膨脹的影響。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min時(shí)，曲軸和凸輪軸的單位機(jī)油流量v應(yīng)當(dāng)不小于3.0 L/(mm2·h)。

表1—3列出了計(jì)算得到的各軸承的間隙面積和機(jī)油流量需求。

表1　主軸承技術(shù)參數(shù)和計(jì)算的機(jī)油量

表2　曲柄銷技術(shù)參數(shù)和計(jì)算的機(jī)油量

表3　凸輪軸軸承技術(shù)參數(shù)和計(jì)算的機(jī)油量

(2)VVT潤滑

VVT系統(tǒng)由傳感器、ECU和凸輪軸液壓控制閥、控制器等部分組成。它通過連續(xù)改變進(jìn)氣正時(shí)，使氣門達(dá)到最佳氣門正時(shí)的位置，從而能有效地提高汽車的功率與性能，盡量減少耗油量和廢氣排放。

根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)，機(jī)油流量為2 L/min，即120 L/h。

(3)活塞冷卻噴嘴

對(duì)于活塞冷卻噴嘴而言，油流量主要是由噴嘴出口面積控制。當(dāng)供油壓力達(dá)到足夠高的時(shí)候，噴嘴控制閥將完全打開，此時(shí)，油流量將在這個(gè)供油壓力條件下達(dá)到最大值。如果進(jìn)一步增加供油壓力，油流量也會(huì)相應(yīng)增加，但是對(duì)于油流量影響更為顯著的還是噴嘴的出口面積。

根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)，活塞冷卻噴嘴的流量為1 L/min，即60 L/h，由于該汽油機(jī)為四缸機(jī)，則總的流量為240 L/h。

根據(jù)AVL的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于增壓汽油機(jī)而言，相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)功率，需要的活塞冷卻噴嘴機(jī)油量一般在下面的這個(gè)范圍內(nèi)：

2.0～3.0 L/(h·kW)

該汽油機(jī)的功率為95 kW，則需求范圍為：190～285 L/h，計(jì)算所得的總流量240 L/h剛好在這個(gè)范圍內(nèi)。

(4)正時(shí)齒輪和鏈條以及增壓器

正時(shí)齒輪和鏈條的機(jī)油量為1 L/min，即60 L/h。

增壓器的機(jī)油量為(1.5±0.3) L/min，取最大值1.8 L/min，即108 L/h。

(5)計(jì)算結(jié)果

主油道輸油量=主軸承機(jī)油量+曲柄銷機(jī)油量+凸輪軸機(jī)油量+VVT機(jī)油量+活塞冷卻噴油嘴機(jī)油量+正時(shí)齒輪和鏈條機(jī)油量+增壓器機(jī)油量=876.9 L/h。

具體的結(jié)果如表4所示。

表4系統(tǒng)潤滑部件需要的機(jī)油量統(tǒng)計(jì)表

L·h-1

1.2機(jī)油泵輸油能力理論計(jì)算

根據(jù)前面的計(jì)算，得知目前潤滑系統(tǒng)所需的機(jī)油量為876.9 L/h，而機(jī)油泵的理論輸油量必須大于876.9 L/h，才能滿足潤滑系統(tǒng)的需求。

通過基本的幾何尺寸可以計(jì)算得到油泵的理論流量。轉(zhuǎn)子式油泵的計(jì)算公式如下：

Q =60×D2×B×N×ηv×10-6/Z(L/h)

其中：D=m×ZnN=n×Zw/Zn

式中：D為分度圓直徑(mm)；

m為齒輪模數(shù)(mm)；

Zn為油泵內(nèi)部轉(zhuǎn)子的數(shù)目；

Zw為油泵外部轉(zhuǎn)子的數(shù)目;

n為泵的轉(zhuǎn)速(r/min)；

B為齒輪的厚度(mm)；

ηv為轉(zhuǎn)子泵輸油量系數(shù)。

根據(jù)以上的公式，可以計(jì)算機(jī)油泵的輸送能力。以內(nèi)轉(zhuǎn)子為計(jì)算對(duì)象，得出表5。

即該機(jī)油泵在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)理論輸油量為762.57 L/h，小于潤滑系統(tǒng)需要的機(jī)油量，而由于機(jī)油泵都存在一定的泄漏，因此，其效率必然小于100%，則其實(shí)際輸油量肯定小于762.57 L/h，可見該機(jī)油泵不能滿足潤滑系統(tǒng)的要求。

表5　理論機(jī)油泵輸油量計(jì)算參數(shù)表

2　新機(jī)油泵開發(fā)

2.1新機(jī)油泵輸油能力理論計(jì)算

根據(jù)前面的校核結(jié)果，該機(jī)油泵無法滿足潤滑系統(tǒng)的要求。從機(jī)油泵輸油能力計(jì)算公式來看，該機(jī)油泵偏小，可通過擴(kuò)大分度圓直徑、減小齒數(shù)并增大齒厚的方法來增大機(jī)油泵的輸油能力。鑒于此，開發(fā)出一款全新的機(jī)油泵產(chǎn)品，并重新對(duì)其進(jìn)行校核計(jì)算。

從表6來看：新開發(fā)的機(jī)油泵理論輸油量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于潤滑系統(tǒng)的需求，從理論上來說，滿足潤滑系統(tǒng)的需求，但是實(shí)際需求量是否滿足還需進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

表6　新機(jī)油泵理論機(jī)油泵輸油量計(jì)算參數(shù)表

2.2試驗(yàn)驗(yàn)證

新機(jī)油泵各轉(zhuǎn)速下的實(shí)際輸油量如圖2所示。

從試驗(yàn)結(jié)果來看，新機(jī)油泵在1 500 r/min時(shí)，其實(shí)際輸油量為1150.2L/h，大于876.9L/h，能夠滿足潤滑系統(tǒng)的需求。

3　結(jié)束語

采用機(jī)油泵經(jīng)典校核計(jì)算方法對(duì)現(xiàn)有機(jī)油泵進(jìn)行了校核計(jì)算，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有自然吸氣機(jī)型的機(jī)油泵不能滿足新開發(fā)的增壓機(jī)型的潤滑要求。經(jīng)過分析，現(xiàn)有機(jī)油泵偏小，可通過擴(kuò)大機(jī)油泵轉(zhuǎn)子的分度圓直徑、減小齒數(shù)并增大齒厚的方法來增大機(jī)油泵的輸油能力。鑒于此，開發(fā)出一款全新的機(jī)油泵產(chǎn)品，并重新對(duì)其進(jìn)行校核計(jì)算。新機(jī)油泵的理論輸油量滿足潤滑系統(tǒng)的需求。最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證，新機(jī)油泵的實(shí)際輸油量也能滿足潤滑系統(tǒng)的需求。

【1】吳兆漢.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1990.

Verifying Calculation on Oil Pump of a Gasoline Engine

ZHONG Zhen, XU Tao, RUAN Renyu

(Technology Center, Anhui Jianghuai Automobile Co,.Ltd., Hefei Anhui 230601,China)

A verifying calculation was done on an oil pump of the NA gasoline engines by classical calculation method of oil pump. Lubrication system required oil flow and theoretical delivery were calculated. The results indicates that oil pump of the NA engine can’t meet the lubrication requirement of the new variant. Therefore a new oil pump was developed. And verifying calculation and experiment were done for the new variant. The results indicates that theoretical delivery and actual delivery of the new variant meet lubrication system oil flow requirement.

Oil pump; Verifying calculation; Delivery

2015-03-25

鐘臻(1988—)，男，學(xué)士，助理工程師，從事發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)工作。E-mail:zhongzhen_dly@163.com。