背景介紹

潤滑系統的主要作用是在發動機工作時,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,實現發動機工作可靠及耐久的目的。若潤滑系統中主油道壓力達不到設計值時,會造成發動機潤滑不良,影響發動機的正常工作,甚至會造成發動機嚴重損害,使發動機提前報廢。所以發動機潤滑系統的設計也就尤為重要。

本文利用一維與三維聯合仿真分析方法對某增壓車型潤滑系統進行建模,確定系統機油泵性能需求,然后依據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,最后在發動機臺架上進行潤滑系統試驗,驗證潤滑系統油壓是否滿足設計要求。

機油泵的性能校核

為確定準確的機油泵性能需求,根據該機型概念設計階段的潤滑系統管路幾何模型搭建系統一維分析模型,潤滑系統仿真流程如圖1所示,首先根據幾何模型確定管路尺寸,然后搭建潤滑系統模型,將各邊界條件輸入到潤滑系統模型中,進行潤滑系統1D分析,根據系統壓力分布情況確定該系統機油泵性能需求。該機型潤滑系統部件包括: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、油路控制閥及單向閥等。基于潤滑系統管路模型搭建潤滑系統一維分析模型,分析模型的搭建依據專業流體分析軟件Flowmaster,該軟件是一款面向工程的流體系統仿真軟件,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、流量和傳熱量參數預測。

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分析模型,如圖4所示,模型對系統各主要部件進行標注。

計算工況為熱怠速工況,保證系統主油道油壓大于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。

機油泵的CFD分析

確定機油泵性能之后進行機油泵選型,選用結構緊湊、吸油真空度高、NVH性能好的轉子式機油泵。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范內置到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格的劃分,如圖5為該機油泵的網格模型,圖中將機油泵分為三個區域。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果,如圖6為機油泵表面壓力分布圖。圖7為監測出口每一轉平均體積流量,根據穩定結果可知,該型機油泵每轉平均體積流量最終穩定在14mL/rev,滿足機油泵校核性能,可使潤滑系統主油道油壓滿足設計目標。

制作機油泵快件之后進行機油泵單體性能試驗,試驗數據如表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,彈簧質量為0.017kg。計算轉速為2000rpm,增加限壓閥后的計算結果如圖8所示,從圖中可以看出限壓閥開啟后,油液由高壓區泄露至低壓區。

表1 單體性能試驗與仿真結果對比

表1為計算結果與試驗數據對比,根據對比可知,在限壓閥未開啟時,仿真結果與試驗數據符合較好,因模型未考慮端面間隙,所以后面兩個點仿真結果略高于試驗數據。當限壓閥開啟之后,仿真結果低于試驗數據,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,造成試驗數據偏高。

潤滑系統試驗驗證

確定潤滑系統機油泵性能及系統布置,完成發動機潤滑系統設計,制作機油泵快件,進行發動機穩態機油壓力分布試驗,驗證系統設計能否滿足要求。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,進行發動機在不同轉速下的潤滑系統試驗,檢測主油道壓力分布情況。

控制發動機的轉速,使發動機轉速由怠速升至額定轉速,共監測11個點的壓力值,具體數值如表2所示,如圖11為主油道油壓隨轉速變化的情況,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,潤滑系統設計合理。

表2 系統壓力隨轉速變化情況

為設計合理的潤滑系統,本文進行一維與三維的聯合仿真,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,確定機油泵幾何結構及系統管路模型,最后進行潤滑系統試驗以驗證系統的有效性。

本文主要結論如下:

1)首先通過潤滑系統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平均體積流量為14mL/rev,滿足系統要求;

3)根據機油泵單體性能試驗數據和仿真結果對比可知,兩者符合較好,說明仿真具有較高的精度;

4)最后進行潤滑系統試驗,監測結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需求,為產品開發提供有效手段,縮短產品開發周期。