發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度過(guò)高的原因分析及改進(jìn)

許雪利，成敬敏，史美麗，齊寶丹，張兆棟

1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)研究院，山東 濰坊 261061

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)為運(yùn)動(dòng)摩擦副提供適宜流量的機(jī)油，降低摩擦阻力。潤(rùn)滑系統(tǒng)性能直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和壽命。潤(rùn)滑系統(tǒng)不良會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性下降[1-2]。機(jī)油具有潤(rùn)滑、承載以及傳熱的作用[3-4]，所以必須將機(jī)油溫度控制在合理范圍內(nèi)。排放標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求越來(lái)越高，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷越來(lái)越大，必須加裝機(jī)油冷卻器[5]，使?jié)櫥凸ぷ髟诤线m的溫度范圍內(nèi)。研究表明，在條件允許的情況下，機(jī)油冷卻器采用更多層芯片，可以提高總體換熱性能[6]。機(jī)油溫度偏高是一個(gè)系統(tǒng)性問(wèn)題，應(yīng)從柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)整體著手，進(jìn)行系統(tǒng)地分析研究[7-8]。

本文中針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架功能試驗(yàn)中出現(xiàn)的機(jī)油溫度過(guò)高問(wèn)題，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)和仿真分析，對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)可能造成發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度過(guò)高的原因逐個(gè)排查分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)潤(rùn)滑系統(tǒng)的機(jī)油泵及機(jī)油冷卻器，改善該機(jī)型潤(rùn)滑系統(tǒng)性能。

1 故障現(xiàn)象及發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)

某V型發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架上進(jìn)行潤(rùn)滑冷卻功能試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，額定工況(轉(zhuǎn)速為2100 r/min，功率為520 kW)下發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度約為83 ℃，而機(jī)油溫度高達(dá)116 ℃，機(jī)油溫度與出水溫度差(以下簡(jiǎn)稱(chēng)油水溫差)約為 33 ℃，而同類(lèi)型其他機(jī)型在額定工況下的油、水溫差為10～15 ℃，說(shuō)明該機(jī)型機(jī)油溫度偏高，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行很可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性故障。

為解決該機(jī)型機(jī)油溫度過(guò)高問(wèn)題，對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行故障原因排查，分析機(jī)油溫度過(guò)高的原因，發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)

2 原因分析及優(yōu)化

2.1 機(jī)油冷卻器旁通閥

初步排查發(fā)現(xiàn)，該機(jī)型機(jī)油冷卻器旁通閥常開(kāi)，部分機(jī)油不經(jīng)冷卻器直接通過(guò)旁通閥進(jìn)入主油道。為研究有、無(wú)旁通閥對(duì)機(jī)油溫度的影響，堵塞冷卻器旁通閥使其常閉，所有機(jī)油均經(jīng)冷卻器后進(jìn)入主油道，測(cè)量額定工況下的相關(guān)參數(shù)，原機(jī)狀態(tài)(旁通閥開(kāi))與旁通閥關(guān)閉狀態(tài)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 旁通閥開(kāi)、關(guān)閉狀態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知：原機(jī)旁通閥常開(kāi)狀態(tài)下油、水溫差為33.2 ℃，關(guān)閉旁通閥后油、水溫差為32.8 ℃，可見(jiàn)即使所有機(jī)油均經(jīng)過(guò)機(jī)油冷卻器，關(guān)閉旁通閥后油、水溫差僅減少0.4 ℃，機(jī)油溫度未降低，旁通閥常開(kāi)不是引起本機(jī)機(jī)油溫度過(guò)高的主要原因。

2.2 機(jī)油泵流量

發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)狀態(tài)為：機(jī)油泵體積流量為310 L/min，該體積流量下主油道機(jī)油壓力約為550 kPa，主油道限壓閥處于常開(kāi)狀態(tài)。此狀態(tài)下，由于限壓閥的限壓作用，一定體積流量的機(jī)油在壓力增加后，經(jīng)主油道時(shí)會(huì)被限壓閥分流，泄回到油底殼中，只有少部分機(jī)油經(jīng)機(jī)油冷卻器冷卻后進(jìn)入機(jī)體。為研究主油道限壓閥開(kāi)、關(guān)狀態(tài)對(duì)機(jī)油溫度的影響，試驗(yàn)過(guò)程中堵塞主油道限壓閥，使機(jī)油泵流出的所有機(jī)油全部流經(jīng)機(jī)油冷卻器冷卻后進(jìn)入機(jī)體，此時(shí)主油道壓力升高至650 kPa，控制其它邊界條件一致，原機(jī)限壓閥常開(kāi)狀態(tài)和限壓閥堵塞時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 限壓閥開(kāi)、關(guān)閉狀態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知：堵塞主油道限壓閥后，油、水溫差降低至30.3 ℃，比限壓閥常開(kāi)時(shí)降低了2.5 ℃，可見(jiàn)限壓閥強(qiáng)制關(guān)閉后機(jī)油降溫效果明顯。但強(qiáng)制關(guān)閉限壓閥后，由于失去限壓閥的壓力調(diào)節(jié)功能，主油道壓力升高時(shí)，主油道、副油道、活塞冷卻噴嘴的壓力均較大，活塞冷卻噴嘴噴油量增加，導(dǎo)致機(jī)油泵流量偏大。機(jī)油泵流量應(yīng)在合適范圍內(nèi)，既能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)油在潤(rùn)滑系統(tǒng)的正常流動(dòng)，又能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)主油道的壓力不至于過(guò)大，從而使主油道限壓閥自動(dòng)處于關(guān)閉狀態(tài)，壓力超限后發(fā)揮限壓作用。選取體積流量為270 L/min的小流量機(jī)油泵，該流量機(jī)油泵經(jīng)一維潤(rùn)滑系統(tǒng)仿真計(jì)算，滿(mǎn)足潤(rùn)滑要求。小流量機(jī)油泵試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 小流量機(jī)油泵試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知：使用小流量機(jī)油泵后，油、水溫差為28.5 ℃，比原機(jī)降低4.3 ℃，機(jī)油溫度改善。可見(jiàn)機(jī)油泵流量偏大是本機(jī)型機(jī)油溫度過(guò)高的原因之一。

圖2 主軸頸與連桿頸結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算位置示意圖

2.3 摩擦副間隙

機(jī)油溫度高時(shí)，被潤(rùn)滑的零部件溫度也較高[9-10]，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)推測(cè)機(jī)油溫度高可能由摩擦副之間配合間隙過(guò)大或者過(guò)小導(dǎo)致的[11-12]。實(shí)測(cè)主軸頸(main bearing, MB)與連桿頸(conrod end,CE)不同位置的間隙，主軸頸與連桿頸結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算位置如圖2所示，仿真計(jì)算圖2各位置處的摩擦功及溫升，結(jié)果如表4所示。由表4可知：摩擦副摩擦損失及溫升均正常，摩擦副間隙不是引起本機(jī)型機(jī)油高溫的主要原因。

表4 主軸頸與連桿頸的油膜參數(shù)及間隙溫升計(jì)算結(jié)果

2.4 油底殼散熱

為研究本機(jī)型所用鋁制油底殼和沖壓油底殼對(duì)機(jī)油溫度的影響，采用沒(méi)有風(fēng)扇直吹的油底殼，可以直觀(guān)得到油底殼的散熱能力。對(duì)鋁制油底殼和沖壓油底殼分別進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 不同油底殼對(duì)機(jī)油溫度影響的試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知：相比鋁制油底殼，沖壓油底殼的油、水溫差明顯降低。油底殼的散熱對(duì)機(jī)油冷卻影響較大，但由于沖壓油底殼由鋼板沖壓制造形成，只適用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的產(chǎn)品，其噪聲、振動(dòng)、與聲振粗糙度(noise vibration harshness,NVH)性能較差。而本機(jī)型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，仍然采用鋁制油底殼。

2.5 機(jī)油泵攪油耗功

該發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵齒輪最低點(diǎn)到油底殼連接面的距離為162.9 mm，加油到油底殼上刻線(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后液面到連接面距離為110.0 mm；加油到下刻線(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后液面到連接面的距離為147.0 mm，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后機(jī)油泵齒輪會(huì)攪到機(jī)油，浸油深度為52.9 mm。其中上面提到距離均為三維模型測(cè)量值，通過(guò)少加機(jī)油，保證機(jī)油泵不浸油時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 不同浸油狀態(tài)時(shí)試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知：浸油狀態(tài)時(shí)機(jī)油溫度較高，機(jī)油液面高會(huì)導(dǎo)致曲軸的旋轉(zhuǎn)力增大，導(dǎo)致摩擦功增加，從而使機(jī)油溫度升高，應(yīng)對(duì)機(jī)油泵進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，降低攪油深度。

2.6 機(jī)油冷卻器散熱性

大功率、高熱負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)，必須加裝機(jī)油冷卻器[13]，機(jī)油冷卻器內(nèi)部流通示意如圖3所示，三維結(jié)構(gòu)如圖4所示。機(jī)油冷卻器的工作原理為水和油通過(guò)熱量交換控制機(jī)油溫度，保證發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)[14]。機(jī)油冷卻器的散熱能力不足將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)機(jī)油溫度一直較高[6]。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，機(jī)油冷卻器散熱功率不小于60 kW才能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求(散熱功率為輸入功率的12%～16%[15])，對(duì)18、19層機(jī)油冷卻器散熱能力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表7所示。由表7可知：18層機(jī)油冷卻器散熱能力不足，19層機(jī)油冷卻器散熱功率為58.8 kW，基本滿(mǎn)足經(jīng)驗(yàn)值要求。

圖3 機(jī)油冷卻器內(nèi)部流通示意圖 圖4 機(jī)油冷卻器三維圖

表7 不同層數(shù)機(jī)油冷卻器散熱量相關(guān)計(jì)算參數(shù)

對(duì)18、19層機(jī)油冷卻器進(jìn)行臺(tái)架對(duì)比試驗(yàn)，機(jī)油泵不攪油狀態(tài)時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果表8所示。

表8 不同層數(shù)機(jī)油冷卻器試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知：增加1層機(jī)油冷卻器，機(jī)油溫度下降了7.4 ℃，但油、水溫差仍然高于15 ℃，降溫效果不明顯，所以對(duì)機(jī)油冷卻器進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，在機(jī)油冷卻器殼體增加導(dǎo)流筋，改進(jìn)前、后的模型對(duì)比圖5所示。

采用FIRE流體計(jì)算軟件，計(jì)算邊界條件包括：冷卻器入口流體的體積流量為640 L/min，出口的靜壓力為0.4 MPa。對(duì)冷卻器改進(jìn)前、后水側(cè)流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析，改進(jìn)前通過(guò)冷芯水體積流量為313.7 L/min，改進(jìn)后通過(guò)冷芯水體積流量為343.4 L/min，改進(jìn)后水體積流量提高9.4%。

圖5 改進(jìn)前、后油冷卻器三維模型

模型截取方向如圖6所示，改進(jìn)前、后通過(guò)冷芯中間截面的水流速云圖如圖7所示。由圖7可知：改進(jìn)前水平均流速為1.75 m/s，改進(jìn)后水平均流速為1.94 m/s，流速提高11%，且流速較低區(qū)域減小，流場(chǎng)均勻性提升，冷卻效果較好。

圖6 冷芯模型截取方向 圖7 改進(jìn)前、后通過(guò)冷芯中間截面的速度云圖

對(duì)改進(jìn)前、后機(jī)油冷卻器壓力分布進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：改進(jìn)前機(jī)油冷卻器的壓降為13.8 kPa，改進(jìn)后機(jī)油冷卻器的壓降為14.6 kPa，改進(jìn)后壓降未明顯增加，因此對(duì)冷卻系統(tǒng)的影響很小。

圖8 改進(jìn)前、后機(jī)油冷卻器壓力分布

對(duì)改進(jìn)后新結(jié)構(gòu)機(jī)油冷卻器進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。由表9可知：新結(jié)構(gòu)機(jī)油冷卻器油、水溫差基本可以滿(mǎn)足經(jīng)驗(yàn)值要求。

表9 新結(jié)構(gòu)機(jī)油冷卻器試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

針對(duì)機(jī)油溫度偏高問(wèn)題，依據(jù)該此機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)原理，對(duì)影響機(jī)油溫度的6個(gè)因素進(jìn)行了分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，并對(duì)機(jī)油泵和冷卻器進(jìn)行了優(yōu)化。

1)機(jī)油泵流量偏高，導(dǎo)致限壓閥常開(kāi)，是引起該柴油機(jī)機(jī)油溫度高的原因之一；選取小流量機(jī)油泵進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，機(jī)油溫度明顯改善，可見(jiàn)機(jī)油泵流量影響機(jī)油溫度。

2)油底殼散熱能力影響機(jī)油溫度，沖壓油底殼的油、水溫差明顯降低，但其N(xiāo)VH性能較差；鋁制油底殼散熱效果不如沖壓油底殼，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)型應(yīng)采用鋁制油底殼。

3)浸油狀態(tài)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力變大，機(jī)油溫度增加，需合理設(shè)計(jì)機(jī)油泵流量，減少攪油深度，降低機(jī)油溫度。

4)機(jī)油冷卻器層數(shù)和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)應(yīng)合理設(shè)計(jì)，保證機(jī)油冷卻器散熱能力和流場(chǎng)均勻。

5)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度高是一個(gè)系統(tǒng)問(wèn)題，需要從整個(gè)潤(rùn)滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)進(jìn)行著手分析。