潤滑系統(tǒng)的主要作用是在發(fā)動機工作時,將足量、足壓、適當溫度的清潔潤滑油輸送到摩擦表面上,以減小摩擦阻力、降低功率消耗,實現(xiàn)發(fā)動機工作可靠及耐久的目的。若潤滑系統(tǒng)中主油道壓力達不到設計值時,會造成發(fā)動機潤滑不良,影響發(fā)動機的正常工作,甚至會造成發(fā)動機嚴重損害,使發(fā)動機提前報廢。所以發(fā)動機潤滑系統(tǒng)的設計也就尤為重要。

本文利用一維與三維聯(lián)合仿真分析方法對某增壓車型潤滑系統(tǒng)進行建模,確定系統(tǒng)機油泵性能需求,然后依據(jù)機油泵幾何模型對機油泵進行CFD分析,驗證機油泵性能是否符合設計要求,最后在發(fā)動機臺架上進行潤滑系統(tǒng)試驗,驗證潤滑系統(tǒng)油壓是否滿足設計要求。

為確定準確的機油泵性能需求,根據(jù)該機型概念設計階段的潤滑系統(tǒng)管路幾何模型搭建系統(tǒng)一維分析模型,潤滑系統(tǒng)仿真流程如圖1所示,首先根據(jù)幾何模型確定管路尺寸,然后搭建潤滑系統(tǒng)模型,將各邊界條件輸入到潤滑系統(tǒng)模型中,進行潤滑系統(tǒng)1D分析,根據(jù)系統(tǒng)壓力分布情況確定該系統(tǒng)機油泵性能需求。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、活塞冷卻噴嘴、增壓器、機油泵、機油濾清器、機油冷卻器、鏈條張緊器、鏈條潤滑噴嘴、真空泵潤滑噴嘴、可變正時系統(tǒng)、油路控制閥及單向閥等。基于潤滑系統(tǒng)管路模型搭建潤滑系統(tǒng)一維分析模型,分析模型的搭建依據(jù)專業(yè)流體分析軟件Flowmaster,該軟件是一款面向工程的流體系統(tǒng)仿真軟件,廣泛應用于設計和分析復雜的流動、傳熱等問題,主要用于壓力、溫度、流量和傳熱量參數(shù)預測。

圖1 潤滑系統(tǒng)仿真分析流程

該機型潤滑油類型為5W-30型機油,該機油黏溫特性如圖2所示,油冷器流阻特性如圖3所示,基于各邊界建立潤滑系統(tǒng)分析模型,如圖4所示,模型對系統(tǒng)各主要部件進行標注。

圖2 5W-30機油黏溫特性

圖3 油冷器流阻特性

圖4 潤滑系統(tǒng)一維分析模型

計算工況為熱怠速工況,保證系統(tǒng)主油道油壓大于100kPa時的機油泵性能為9.3L/min,即機油泵校核性能為13.3mL/rev。將該流量輸入到計算模型中,運算模型得到系統(tǒng)壓力分布情況,此時泵后油壓為1.35bar,主油道油壓為1.08bar,主油道油壓滿足壓力需求。

確定機油泵性能之后進行機油泵選型,選用結(jié)構(gòu)緊湊、吸油真空度高、NVH性能好的轉(zhuǎn)子式機油泵。利用Pumplinx軟件對機油泵進行CFD分析,該軟件具備專業(yè)的泵閥模板,可快速完成計算模型及邊界條件設置。模板針對不同類型的泵閥CFD 模擬將對應的流程和規(guī)范內(nèi)置到PumpLinx 軟件中,使CFD模擬的設置簡單化,保證了計算的準確性和可靠性。對該機油泵幾何模型進行處理并進行流體網(wǎng)格的劃分,如圖5為該機油泵的網(wǎng)格模型,圖中將機油泵分為三個區(qū)域。設置機油泵進出口邊界,進行CFD分析,得到機油泵流體分析結(jié)果,如圖6為機油泵表面壓力分布圖。圖7為監(jiān)測出口每一轉(zhuǎn)平均體積流量,根據(jù)穩(wěn)定結(jié)果可知,該型機油泵每轉(zhuǎn)平均體積流量最終穩(wěn)定在14mL/rev,滿足機油泵校核性能,可使?jié)櫥到y(tǒng)主油道油壓滿足設計目標。

圖5 CFD分析模型

圖6 壓力分布

圖7 平均流量監(jiān)測

制作機油泵快件之后進行機油泵單體性能試驗,試驗數(shù)據(jù)如表1所示,為了驗證機油泵單體性能,在原機油泵分析模型的基礎上利用閥模塊進行機油泵限壓閥的建模,其中彈簧剛度為8400N/m,彈簧質(zhì)量為0.017kg。計算轉(zhuǎn)速為2000rpm,增加限壓閥后的計算結(jié)果如圖8所示,從圖中可以看出限壓閥開啟后,油液由高壓區(qū)泄露至低壓區(qū)。

圖8 增加限壓閥后壓力分布

表1 單體性能試驗與仿真結(jié)果對比

表1為計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比,根據(jù)對比可知,在限壓閥未開啟時,仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)符合較好,因模型未考慮端面間隙,所以后面兩個點仿真結(jié)果略高于試驗數(shù)據(jù)。當限壓閥開啟之后,仿真結(jié)果低于試驗數(shù)據(jù),偏差略大,通過分析知,因為該機油泵在試驗過程中存在彈簧偏磨問題,增加閥門下行阻力,造成試驗數(shù)據(jù)偏高。

圖9 機油泵單體性能試驗與仿真對比

確定潤滑系統(tǒng)機油泵性能及系統(tǒng)布置,完成發(fā)動機潤滑系統(tǒng)設計,制作機油泵快件,進行發(fā)動機穩(wěn)態(tài)機油壓力分布試驗,驗證系統(tǒng)設計能否滿足要求。試驗設備主要包括電渦流測功機、燃油恒溫、水恒溫、機油恒溫、油耗儀和防爆軸流通風機等,試驗臺架如圖10所示,進行發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速下的潤滑系統(tǒng)試驗,檢測主油道壓力分布情況。

圖10 潤滑系統(tǒng)試驗臺架

控制發(fā)動機的轉(zhuǎn)速,使發(fā)動機轉(zhuǎn)速由怠速升至額定轉(zhuǎn)速,共監(jiān)測11個點的壓力值,具體數(shù)值如表2所示,如圖11為主油道油壓隨轉(zhuǎn)速變化的情況,其中怠速點主油道油壓為1.2bar,油壓滿足設計要求,說明機油泵選型符合要求,潤滑系統(tǒng)設計合理。

表2 系統(tǒng)壓力隨轉(zhuǎn)速變化情況

圖11 穩(wěn)態(tài)油壓分布曲線

為設計合理的潤滑系統(tǒng),本文進行一維與三維的聯(lián)合仿真,確定機油泵性能需求并驗證選型機油泵能否滿足設計要求,確定機油泵幾何結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)管路模型,最后進行潤滑系統(tǒng)試驗以驗證系統(tǒng)的有效性。

本文主要結(jié)論如下:

1)首先通過潤滑系統(tǒng)一維分析進行機油泵性能校核,確定機油泵的能為13.3mL/rev;

2)利用機油泵CFD分析確定機油泵每轉(zhuǎn)平均體積流量為14mL/rev,滿足系統(tǒng)要求;

3)根據(jù)機油泵單體性能試驗數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果對比可知,兩者符合較好,說明仿真具有較高的精度;

4)最后進行潤滑系統(tǒng)試驗,監(jiān)測結(jié)果可知怠速工況下主油道油壓為1.2bar,說明機油泵選型符合要求;

5)通過仿真分析手段可以快速的確定系統(tǒng)需求,為產(chǎn)品開發(fā)提供有效手段,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

本文作者 王次安 國內(nèi)某主機廠用戶 主要研究方向為發(fā)動機冷卻系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)設計及分析