某汽油機潤滑系統(tǒng)的設計與驗證

房程程，王次安，王宏大，劉吉林，倪成鑫

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某汽油機潤滑系統(tǒng)的設計與驗證

房程程，王次安，王宏大，劉吉林，倪成鑫

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章介紹某汽油機潤滑系統(tǒng)中的油路控制閥的優(yōu)化方案，基于三維CFD分析獲取控制閥流阻特性，并將該數(shù)據(jù)作為潤滑系統(tǒng)一維模型的輸入，計算得到系統(tǒng)壓力分布情況，判斷優(yōu)化方案效果，最后利用潤滑系統(tǒng)臺架試驗驗證分析精度。

1D；潤滑系統(tǒng)；油路控制閥；CFD；試驗

Abstract:The text include the optimization design of OCV in lubrication system. First, the press drop of OCV can be got from CFD analysis. and the 1D lubrication analysis model is built based on the data. Then the pressure distribution of system can be got from the model, the effect of optimization design can be confirmed. At last the accuracy of simulation can be verified according to test.

Keywords: 1D; Lubrication System; OCV; CFD; Test

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-28-03

前言

潤滑系統(tǒng)的功用就是在發(fā)動機工作時連續(xù)不斷的把數(shù)量足夠的清潔潤滑油輸送到全部傳動件的摩擦表面，減小摩擦阻力、降低功率消耗，實現(xiàn)發(fā)動機工作可靠及耐久的目的[1]。以可變氣門正時系統(tǒng)（VVT）等先進技術(shù)為代表的汽油機新技術(shù)目前已被廣泛地應用在發(fā)動機產(chǎn)品上，以有效地提高發(fā)動機功率降低油[2-3]。目前廣泛應用的VVT為液壓驅(qū)動方式，VVT系統(tǒng)對機油油液的清潔度及機油壓力均有較為嚴苛的要求。若油液清潔度不夠不僅會影響VVT系統(tǒng)的正常工作，甚至會對發(fā)動機造成不可逆的損害。

本文利用一維與三維聯(lián)合仿真方法對某雙 VVT車型潤滑系統(tǒng)優(yōu)化方案進行計算分析，確定潤滑系統(tǒng)優(yōu)化效果，最后進行潤滑系統(tǒng)臺架試驗驗證仿真準確性，并進一步確定潤滑系統(tǒng)優(yōu)化效果。

1 油路控制閥的優(yōu)化設計

圖1 潤滑系統(tǒng)原理圖

因該機型為雙 VVT系統(tǒng)，所以工作過程中需要潤滑系統(tǒng)供給足量、足壓的清潔潤滑油，以保證該機型可變氣門正時系統(tǒng)的正常工作。如圖1為該機型潤滑系統(tǒng)原理圖，根據(jù)原理圖可知，進排氣 VVT由缸蓋主油孔取油，為了防止雜質(zhì)進入VVT系統(tǒng)，在VVT油路控制閥上增加孔徑為0.2mm的機油濾網(wǎng)，濾網(wǎng)增加位置位于油路控制閥上，通過優(yōu)化油路控制閥結(jié)構(gòu)提高進入VVT的機油清潔度。

油路控制閥具體優(yōu)化方案如圖2所示，在原油路控制閥進出油路上增加三組環(huán)狀濾網(wǎng)，濾網(wǎng)局部結(jié)構(gòu)如圖中所示。

圖2 VVT油路控制閥優(yōu)化方案

然后對油路控制閥與閥座組合件進行流體域抽取，并對流體域進行網(wǎng)格劃分，因本模型濾網(wǎng)孔尺寸較小，所以采用二叉樹網(wǎng)格進行劃分，最終網(wǎng)格數(shù)目為920萬，圖3為流體域網(wǎng)格模型，從圖中可以看出濾網(wǎng)位置的網(wǎng)格尺寸較小，可以準確模擬濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

圖3 油路控制閥流體域模型

圖4 控制閥流體域壓力云圖

圖5 控制閥流體域流速云圖

然后進行計算介質(zhì)定義、邊界條件設置和物理模型選取等。流體域介質(zhì)為5W-30潤滑油，其黏溫特性如圖7所示，計算溫度為 120℃，分別計算不同流量邊界下控制閥流體域進出口壓差。本次計算物理模型選取k-ε模型[4]。最后進行模型運算，直到結(jié)果收斂。

圖4為控制閥流體域壓力云圖，從圖中可以看出壓力過渡平緩，沒有出現(xiàn)壓力異常波動，這也保證油路控制閥不會出現(xiàn)汽蝕問題。圖5為控制閥流體域流速截面云圖，圖中對進口位置截面進行放大，從圖中可以看出濾網(wǎng)每個孔流速均較為均勻。

圖6 控制閥流體域流阻特性

圖6為五個流量邊界下對應的壓損特性曲線，該曲線為潤滑系統(tǒng)一維分析的邊界數(shù)據(jù)。

2 潤滑系統(tǒng)分析

圖7 5W-30機油黏溫特性

圖8 潤滑系統(tǒng)管路模型

確定油路控制閥優(yōu)化方案之后，為了驗證濾網(wǎng)增加是否會影響潤滑系統(tǒng)的性能，所以建立潤滑系統(tǒng)一維分析模型，并將油路控制閥流阻數(shù)據(jù)做為輸入進行潤滑系統(tǒng)分析。該機型潤滑系統(tǒng)部件包括：曲軸軸承、連桿軸承、凸輪軸軸承、機油泵、限壓閥、機油濾清器、鏈條張緊器、可變正時系統(tǒng)及油路控制閥等。該機型潤滑油類型為5W-30型機油，該機油黏溫特性如圖7所示。潤滑系統(tǒng)管路模型如圖8所示，基于此模型，利用專業(yè)一維流體分析軟件Flowmaster進行潤滑系統(tǒng)建模，計算模型如圖9所示，圖中對系統(tǒng)主要零部件進行標注。

圖9 潤滑系統(tǒng)一維分析模型

為了確定潤滑系統(tǒng)性能，本次計算工況為發(fā)動機熱怠速工況，機油泵性能為9.5mL/rev。進行模型運算得到系統(tǒng)壓力分布情況，系統(tǒng)每個位置壓力分布如表1所示，其中主油道油壓為1.98bar，主要道油壓滿足要求，可變氣門正時系統(tǒng)油壓為 1.9bar，油壓滿足開啟要求。說明基于目前機油泵性能條件下，油路控制閥增加濾網(wǎng)之后潤滑系統(tǒng)壓力滿足部件需求。

3 潤滑系統(tǒng)試驗驗證

確定潤滑系統(tǒng)優(yōu)化方案可行之后，進行潤滑系統(tǒng)臺架試驗，進一步驗證方案的有效性，并驗證分析的精確。將增加濾網(wǎng)后的油路控制閥裝配到發(fā)動機上，進行臺架試驗，試驗中傳感器布置方案如圖10所示，主要監(jiān)控油泵進出口壓力、濾清器出口壓力、主油道壓力、可變氣門正時系統(tǒng)壓力及缸蓋壓力等。

圖10 試驗中傳感器布置方案

控制發(fā)動機運行在熱怠速工況下，檢測各個傳感器的壓力值，具體數(shù)據(jù)如表1試驗數(shù)據(jù)所示，根據(jù)檢測結(jié)果可知，主油道油壓為1.97bar，油壓滿足系統(tǒng)需求，可變氣門正時系統(tǒng)油壓為1.91bar，滿足油壓需求。

表1 怠速工況下系統(tǒng)壓力分布

圖11為熱怠速工況下試驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對比，根據(jù)對比可知，偏差均在合理范圍內(nèi)，說明仿真結(jié)果具有較高的精確度，且油路控制閥優(yōu)化方案可行。

圖11 試驗與仿真壓力對比

4 結(jié)論

為了保證進入 VVT的機油清潔度，本文提出油路控制閥優(yōu)化方案，聯(lián)合一維和三維聯(lián)合仿真驗證優(yōu)化方案是否會影響潤滑系統(tǒng)性能，最后根據(jù)潤滑系統(tǒng)試驗驗證分析精確度并再次驗證優(yōu)化方案的可行性。

本文主要結(jié)論如下：

1）對控制閥流體域進行CFD分析可知油壓過渡平緩，濾網(wǎng)孔位置流速分布均勻；

2）以三維分析結(jié)果為邊界，搭建潤滑系統(tǒng)一維分析模型，計算可知，熱怠速工況下系統(tǒng)油壓滿足要求；

3）最后進行潤滑系統(tǒng)試驗，根據(jù)試驗與仿真對比可知，仿真具有較高的精確度，可以應用于產(chǎn)品開發(fā)過程中。

[1] 陳家瑞等.汽車構(gòu)造[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.

[2] 林靈,詹樟松等. VVA發(fā)動機潤滑系統(tǒng)CAE優(yōu)化[J].重慶理工大學學報(自然科學),2010,12:44-50.

[3] 張耀,滕勤等. 凸輪軸負載扭矩計算與虛擬止回控制策略研究. [J].內(nèi)燃機與動力裝置,2016,4:24-29.

[4] 王福軍.計算流體力學分析-CFD 軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004.

Design and Test of Lubrication System for Turbocharged Gasoline engine

Fang Chengcheng, Wang Cian, Wang Hongda, Liu Jilin, Ni Chengxin
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

U462.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)18-28-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.011

房程程（1985.1-），男，研究生，工程師，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。主要從事發(fā)動機冷卻、潤滑系統(tǒng)開發(fā)。