某型1.5 升增壓發動機潤滑系統的優化設計

于德政，袁海馬，張治國

（華晨汽車工程研究院動力總成設計處，遼寧 沈陽 110114）

引言

現代汽車發動機是一個由300 多個零部件組成的復雜精密配合系統，各零部件之間的正常配合運轉，直接關系到發動機的穩定性、耐久性，以及發動機性能能否達到設計指標，進而影響到整車的動力性、經濟性、穩定耐久性。減少配合件間不必要的摩擦損失，實現各子系統零部件的精準配合，需要可靠而穩定的機油潤滑系統的支持。

發動機潤滑系統不僅可以在零部件運動表面形成油膜，減少摩擦阻力，降低零部件的磨損；同時機油在潤滑系統內不斷循環流動，保持摩擦表面清潔，帶走磨屑和其他異物，還可以冷卻運動表面。因此潤滑系統的合理開發是保證發動機性能的基礎。

所以發動機設計過程中，需要對潤滑系統進行獨立試驗驗證，以保證發動機設計性能。本文將針對某型1.5 升增壓直噴發動機機潤滑系統的優化設計進行介紹。

1 問題描述

該款1.5 升增壓直噴發動機在首輪潤滑系統功能性試驗中在800rpm～1000rpm 時，位于潤滑系統末端的真空泵油道壓力低于其功能限值要求（不小于0.6bar），導致真空泵無法正常工作。因此判定該潤滑試驗不合格，潤滑系統設計不合理。

通過對首輪潤滑試驗中各機油壓力點數據的分析，以及對比機油濾清器、機油冷卻器等部分零部件的機油壓力損失試驗數據，判斷該發動機潤滑系統末端機油壓力不足，并導致真空泵無法正常工作的主要原因有兩點，分別是：

（1）機油泵設計不合理，機油泵出流量壓力偏小。

（2）發動機潤滑系統部分位置油道結構設計不合理，對機油造成截流，致使機油壓力損失較大。

分析試驗數據發現，機油濾清器與機油冷卻器之間連接的缸體油道的機油壓力損失較大，發動機在4500rpm 至600rpm 之間時，機油濾清器與機油冷卻器之間的機油壓力差約為0.8bar。

2 優化設計方案

為提高發動機潤滑系統末端機油壓力，以達到真空泵工作機油壓力最低限值，針對上述總結分析的兩點主要原因，通過以下兩方案對潤滑系統進行優化：

（1）優化機油泵結構參數，增加機油泵泵油量，直接提高潤滑系統末端機油壓力，以滿足真空泵機油壓力限值要求。

（2）優化機油濾清器與機油冷卻器之間的缸體油道結構，減小機油壓力損失，間接提高真空泵油道壓力。

具體方案是，增大油道直徑，由φ12 擴徑到φ13；同時更改缸體機油濾清器底座進油口油路結構，如下圖：

圖1 更改前更改后對比圖

3 優化設計方案

3.1 模擬計算結果

基于該1.5 升增壓直噴發動機幾何結構，通過GT-Power建立潤滑系統模型，如下圖：

圖2

模型中各結構參數均依據原機首輪潤滑系統試驗實際參數輸入，各流量件機油壓力損失輸入參數不變，機油溫度設定為90℃，模型參數僅根據優化方案對機油泵和缸體油道參數進行修改，并分別計算發動機主油道機油壓力。

方案一：

將機油泵流量分別提高5%和10%，通過潤滑系統模型計算發動機主油道機油壓力，結果如下：

表1

方案二：

維持原有機油泵流量參數不變，依據優化方案二的缸體油路結構，參照油路尺寸更改潤滑系統模型對應參數，模型更改如下圖：

圖3 更改前

圖4 更改后

再次計算發動機主油道機油壓力，結果如下：

表2

通過兩組方案模擬計算結果可以證明，方案一及方案二均能有效提高主油道油壓，進而保證真空泵工作油壓，且兩方案對潤滑系統的優化效果基本相當。但為確保優化方案及模擬計算的準確性，以及選擇更合適的優化方案對該發動機潤滑系統進行修改優化，需對兩方案再次進行試驗驗證。

3.2 試驗驗證

由于機油泵樣件制作周期的影響，決定首先對方案二進行潤滑系統試驗驗證。若試驗發現發動機主油道機油壓力偏低現象無明顯改善，則制作機油泵樣件，對方案一進行試驗驗證。

依據優化方案二，更改發動機缸體油道結構，加工準備缸體樣件，更換首輪潤滑系統功能試驗發動機缸體，其他零部件不做更換，以便減小其他零部件對試驗結果的影響。

本次驗證試驗試驗條件及工況與首輪試驗內容一致，共分2 部分進行試驗驗證，試驗程序如下：

表3

圖5 出水溫度90℃，機油壓力圖

圖6 出水溫度100℃，機油壓力圖

此次驗證試驗主要對發動機主油道機油壓力、真空泵油道機油壓力、機油濾清器后機油壓力和機油冷卻器前機油壓力進行監測，以驗證優化方案二的實際效果，試驗數據如上圖。

試驗數據顯示，無論出水溫度是90℃還是100℃，主油道及真空泵機油壓力均有提高，真空泵機油壓力滿足其功能最低限值，且機油濾清器與機油冷卻器之間的機油壓力差降低至0.4bar。

4 結論

依據試驗驗證結果，發動機潤滑系統優化采用修改周期短且更改成本更低的方案二。通過對模擬計算數據以及試驗數據的分析，證明優化方案二能夠有效降低缸體油道機油壓力損失，提高主油道及真空泵機油壓力，保證真空泵工作機油最低限值。確認造成原機真空泵油壓不足的主要原因是機油濾清器與機油冷卻器之間的缸體油道機油壓力損失過大。為減小油道對機油壓力的影響，應盡量增大油路直徑，減少油道變徑數量，并盡量保證油道大徑處與小徑處連接光滑，減小油道直徑突變。