新型機(jī)油流量優(yōu)化凸輪噴淋潤滑器的開發(fā)

【日】 Y.Hikita M.Kawahara N.Noguchi

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零部件

新型機(jī)油流量優(yōu)化凸輪噴淋潤滑器的開發(fā)

【日】 Y.Hikita M.Kawahara N.Noguchi

發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪軸驅(qū)動(dòng)進(jìn)排氣門往復(fù)運(yùn)動(dòng)。“凸輪噴淋潤滑器”是向凸輪軸上各個(gè)凸輪提供機(jī)油的裝置。常規(guī)的凸輪噴淋潤滑器帶有幾個(gè)相同尺寸出油口的油管，出油口負(fù)責(zé)向每個(gè)凸輪提供機(jī)油。來自氣缸蓋的機(jī)油通過噴淋潤滑器油管中點(diǎn)位置供油。靠近供油點(diǎn)的出口機(jī)油流量大，遠(yuǎn)離供油點(diǎn)的出口機(jī)油流量小，每一出口的機(jī)油流量分布不均勻。開發(fā)了一種新的凸輪噴淋潤滑器，具有2個(gè)特征：(1) 將機(jī)油通道分為幾個(gè)支流，形狀類似多角狀仙人掌；(2) 凸輪軸軸頸中的通孔使氣缸蓋向凸輪噴淋潤滑器的供油具有間歇性。新的凸輪噴淋潤滑器可將機(jī)油非常均勻地提供給各個(gè)凸輪，減少了機(jī)油浪費(fèi)，凸輪噴淋潤滑器的機(jī)油總流量可大幅減小90%。由此可以設(shè)定較小的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵出口機(jī)油流量，機(jī)油泵的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小，最終降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量。

機(jī)油流量優(yōu)化 凸輪噴淋潤滑器

0 前言

近年來，石油價(jià)格受各方面因素影響并不穩(wěn)定，從環(huán)境角度而言，需降低CO2排放。在此環(huán)境下，需要逐年減少車用發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗量，降低發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件的摩擦損失，需要發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵高效地為發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)零部件提供潤滑機(jī)油。

發(fā)動(dòng)機(jī)中的機(jī)油流量測量結(jié)果如圖1所示。可變配氣機(jī)構(gòu)大都采用液壓裝置，因此，即使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于2000r/min，配氣機(jī)構(gòu)也需要一定量的機(jī)油潤滑。在這種發(fā)動(dòng)機(jī)中，采用可變流量機(jī)油泵，可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)在低速工況下的機(jī)油流量和油壓。

采用專用的機(jī)油流量傳感器，測量發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油流量的具體分布[1]。通過觀察機(jī)油流動(dòng)[2]、測量滑動(dòng)表面的溫度和數(shù)值分析，研究曲軸軸承附近機(jī)油流量的優(yōu)化。本文重點(diǎn)研究凸輪軸附近機(jī)油流量的優(yōu)化，減少凸輪噴淋潤滑器的機(jī)油浪費(fèi)。

通過優(yōu)化各個(gè)零部件的機(jī)油流量，可減少發(fā)動(dòng)機(jī)所用的機(jī)油流量總量，因此，可減少機(jī)油泵的出口油量。在某些情況下，可采用可變油量機(jī)油泵。

1 傳統(tǒng)凸輪潤滑裝置的機(jī)油流動(dòng)驗(yàn)證

在凸輪軸機(jī)油流動(dòng)優(yōu)化之前，通過透明的氣缸蓋罩可視化研究，驗(yàn)證傳統(tǒng)的凸輪軸機(jī)油流動(dòng)。采用1臺直列4缸、2.0L排量的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拖動(dòng)試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)僅安裝了配氣機(jī)構(gòu)，未安裝曲軸和活塞連桿組。

圖2示出裝有透明氣缸蓋罩的配氣機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺架。通過電機(jī)和正時(shí)鏈驅(qū)動(dòng)進(jìn)排氣凸輪軸運(yùn)轉(zhuǎn)。將機(jī)油油壓調(diào)節(jié)為發(fā)動(dòng)機(jī)油壓，供給到氣缸蓋。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1000r/min及其以上時(shí)，凸輪軸旋轉(zhuǎn)使機(jī)油大量撒向透明罩，所以并未清晰地觀察到罩內(nèi)情況。此外，只進(jìn)行了簡單的可視化研究。常規(guī)的凸輪噴淋潤滑器為簡單的管狀結(jié)構(gòu)，幾個(gè)相同尺寸的出油口對應(yīng)每個(gè)凸輪進(jìn)行供油(圖3)。來自氣缸蓋的機(jī)油在凸輪噴淋潤滑器供油管前端中央供油，機(jī)油沿著路徑流動(dòng)，到達(dá)排氣側(cè)的8個(gè)出油口。進(jìn)氣側(cè)也有8個(gè)相同布置在排氣側(cè)的出油口。為易于觀察機(jī)油流量分布，將機(jī)油油壓調(diào)節(jié)為發(fā)動(dòng)機(jī)油壓，直接供給凸輪噴淋潤滑器。

圖4示出機(jī)油溫度25 ℃和供油壓力400kPa的可視化研究結(jié)果。供油點(diǎn)附近的出口機(jī)油流量大，遠(yuǎn)離供油點(diǎn)的出口機(jī)油流量小。但這種傳統(tǒng)凸輪噴淋潤滑器調(diào)整了遠(yuǎn)端出油口的供油量，可以滿足每個(gè)凸輪的潤滑要求。供油點(diǎn)附近的出口機(jī)油流量過大而造成浪費(fèi)，因此，必須減小這部分機(jī)油流量。

2 新式凸輪噴淋潤滑器設(shè)計(jì)

為減少機(jī)油浪費(fèi)，研究了凸輪噴淋潤滑器的新設(shè)計(jì)，如圖5所示。新開發(fā)的凸輪噴淋潤滑器為板狀結(jié)構(gòu)，裝于凸輪軸承座的凸輪蓋之上。為在二維平面上形成可彎曲的油道，將預(yù)先開槽的平板折疊壓制成形。此外，為防止相對板之間機(jī)油泄漏，采用卷圓壓力機(jī)在幾十個(gè)點(diǎn)上進(jìn)行折壓。2塊相對的預(yù)先開槽平板形成油道。

圖5僅示出了排氣側(cè)的油道。來自氣缸蓋的機(jī)油在發(fā)動(dòng)機(jī)前端和后端之間的中點(diǎn)供油。新開發(fā)的凸輪噴淋潤滑器有2個(gè)設(shè)計(jì)思路：(1) 將油流均勻分配到8個(gè)出口；(2) 研究減少機(jī)油總流量的方法。

2.1 凸輪噴淋潤滑器內(nèi)的油道設(shè)計(jì)

如圖6所示，研究分析了3種油道設(shè)計(jì)方案。為防止雜質(zhì)顆粒堵塞油道，每1種油道的截面積均大于1mm2。圖6(a)中示出有8個(gè)出口的簡單寬直型油道，類似于常規(guī)凸輪噴淋潤滑器，預(yù)計(jì)機(jī)油流量分布不均勻。圖6(b)示出逐步分叉的二分支型油道，預(yù)計(jì)各個(gè)出油口的機(jī)油流量分布均勻。圖6(c)示出包含寬通道和窄通道的多角仙人掌型油道，預(yù)計(jì)各個(gè)出油口的機(jī)油流量均勻分布。通過計(jì)算流體力學(xué)(CFD)分析，研究了上述3種型式的設(shè)計(jì)，對比結(jié)果示于圖7。在CFD分析條件中，機(jī)油溫度設(shè)定為 25 ℃，機(jī)油黏度為0.063Pa·s，供油壓力為25kPa。從發(fā)動(dòng)機(jī)前端到后端，出口位置由A-H表示。

如圖7所示，二分支型和多角仙人掌型油道都可以均勻分配油量。所開發(fā)的凸輪噴淋潤滑器由預(yù)先開槽的板折疊構(gòu)成，油道形成與密封能力密切相關(guān)。在凸輪噴淋潤滑器板上的幾十個(gè)點(diǎn)上進(jìn)行卷邊壓接，從而獲得密封能力。卷邊壓接需要一些空間，尤其是在機(jī)油通道之間。通過產(chǎn)品的工程試驗(yàn)，新式凸輪噴淋潤滑器選擇了多角仙人掌型的油道設(shè)計(jì)。

2.2 凸輪噴淋潤滑器出油口設(shè)計(jì)

凸輪噴淋潤滑器出油口初始設(shè)計(jì)示于圖8。預(yù)先開槽的上板和下板被卷邊壓接成形，油道末端和出油口相連接。采用這種初始設(shè)計(jì)的出油口后，對機(jī)油流動(dòng)方向進(jìn)行了可視化研究(圖9)。結(jié)果表明，由于機(jī)油穿過內(nèi)部油道末端時(shí)的流動(dòng)慣性，出油口的機(jī)油流動(dòng)偏離了垂直方向。在這種情況下，凸輪可能得不到潤滑。

出油口的改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖10所示。這種型式的潤滑器在下板上有1個(gè)儲(chǔ)油器，這種結(jié)構(gòu)可以將慣性流轉(zhuǎn)換為垂直流(圖11)。如圖12和圖13所示，CFD分析驗(yàn)證了這些現(xiàn)象，機(jī)油溫度設(shè)定為80 ℃，機(jī)油黏度為0.011Pa·s，出油口機(jī)油流量為0.02L/min。

在圖12和圖13中，為驗(yàn)證出油口的機(jī)油流動(dòng)方向，對出油口的機(jī)油流速進(jìn)行了平均化處理，出口機(jī)油流速的水平分量和豎直分量都以散點(diǎn)的形式標(biāo)出(圖14)。初始設(shè)計(jì)的出油口機(jī)油流偏向角超過9°，出油口改進(jìn)設(shè)計(jì)后，機(jī)油流偏向角在±1°范圍內(nèi)。研究發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)油器可有效地將層流慣性流轉(zhuǎn)換為垂直流。

2.3 凸輪噴淋潤滑器供油路線設(shè)計(jì)

研究考慮了減少凸輪噴淋潤滑器機(jī)油總量的方法。凸輪軸軸頸內(nèi)的通孔構(gòu)成了凸輪噴淋潤滑器的供油路線，因此機(jī)油供給具有間歇性。無須制造極窄細(xì)的油道，便可以將機(jī)油供給量降為最小，通過調(diào)整間歇期的長短來改變機(jī)油流量。

3 新式凸輪噴淋潤滑器的效果

將新開發(fā)的凸輪噴淋潤滑器安裝于配氣機(jī)構(gòu)。驗(yàn)證了機(jī)油溫度在80 ℃和6 ℃時(shí)的機(jī)油流量分布效果(圖16)。就常規(guī)凸輪噴淋潤滑器而言，發(fā)動(dòng)機(jī)前端附近機(jī)油流量過量而造成浪費(fèi)。新開發(fā)的凸輪噴淋潤滑器可以向各個(gè)凸輪均勻地分配機(jī)油，即使在機(jī)油低溫6 ℃時(shí)也可以分配得很均勻。H點(diǎn)位置的流量為0.006L/min。在一些發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性試驗(yàn)中，新式凸輪噴淋潤滑器可以滿足每個(gè)凸輪的潤滑要求。

因?yàn)橥馆喌臐櫥瑺顟B(tài)主要為邊界潤滑，少量油流足以使滑動(dòng)面保持濕潤。

圖17示出采用新開發(fā)的凸輪噴淋潤滑器后，機(jī)油流量分布的效果。圖中虛線框表示機(jī)油流量減小量。機(jī)油溫度在80 ℃時(shí)，機(jī)油流量減少1.0L/min。

因此，為了保持油壓與常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)相同，可以減小發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油泵流量，機(jī)油泵的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨之減小，最終可以降低燃油消耗量。在日本JC08工況試驗(yàn)中，典型1.8L排量、直列4缸發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗預(yù)計(jì)可降低0.1%。

4 結(jié)語

(1) 通過對氣缸蓋罩內(nèi)的機(jī)油流動(dòng)進(jìn)行可視化觀察，發(fā)現(xiàn)凸輪噴淋潤滑器的機(jī)油流量過量而造成浪費(fèi)，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)前端附近。

(2) 凸輪噴淋潤滑器的新型油道(多角仙人掌型)，可均勻分配各個(gè)出油口的機(jī)油流量。

(3) 凸輪軸軸頸內(nèi)的通孔構(gòu)成了凸輪噴淋潤滑器的供油路線，機(jī)油供給具有間歇性。無需制造極窄細(xì)的油道，便可將供油量降為最低。

(4) 新設(shè)計(jì)的凸輪噴淋潤滑器可優(yōu)化機(jī)油流量分配，進(jìn)而降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗。

[1] Nakase T, Saito T, Kato N,et al. The oil flow measuring method in engine lubrication[C]. JSAE Paper 9839056.

[2] Nemoto S, Kawata K, Kuribayashi T,et al. A study of engine oil aeration[C]. JSAE Review 18, 1997:271-276.

高英英 譯自 SAE Paper 2014-01-2851

張然治 校

虞 展 編輯

2015-06-02)