某柴油机润滑系统的设计开发及试验验证

2017-07-01冯爱秀陈伟上海柴油机股份有限公司上海200438

柴油机设计与制造 2017年2期

冯爱秀，陈伟（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

某柴油机润滑系统的设计开发及试验验证

冯爱秀，陈伟
（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

为满足某柴油机对润滑系统的开发需求，对润滑系统进行了一维流体稳态模拟计算分析，从而确定润滑系统零部件的关键技术参数，使发动机各零部件之间有合理的流量和阻力分配。同时通过性能试验验证以及耐久可靠性试验的考核，确定了该发动机的润滑系统设计满足整机要求。

润滑系统机油泵一维分析试验验证

1 概述

润滑系统是发动机的重要系统之一，它能保证发动机的良好润滑，减少各运动副的摩擦和磨损，从而减少发动机的功率损失；同时润滑系统可增强活塞和缸套间的密封性、消除轴承与其它零部件之间的冲击载荷，润滑系统还会带走摩擦副产生的摩擦热，可以在一定程度上防止发动机零件温度过高。随着CAE技术的发展，一维流体分析软件Flowmaster得到了很好的应用，它可以对流体系统快速建模，通过仿真计算和结果分析，大大提高流体系统的计算精度，缩短项目开发周期。本文中某款柴油发动机的开发，润滑系统就运用了Flowmaster流体分析软件，用以确定润滑系统阻力分布和流量分配，后续再通过试验来验证系统的功能性和可靠性。

2 润滑系统概述

该柴油机是对标当今世界上最先进的重型车用柴油机，与AVL公司联合开发设计的全新发动机，此发动机技术先进性、质量可靠性和燃油经济性等方面与国内同类产品比较具有显著优势。主要技术参数见表1。

表1 柴油机主要技术参数

该柴油机润滑系统采用了主油道油压反馈方案,即主油道油压直接反馈给机油泵处的调压阀。这种结构更易保证主油道压力的稳定性，同时调节多余的机油泄流回机油泵部件的低压区，减少机油泵的功率消耗。此外为延长机油滤清器和机油的寿命，该柴油机配置了离心式机油滤清器。后经多台整车道路试验证明，此款柴油机换油里程可高达10万公里，大大降低了用户的维修成本。此款柴油机的润滑系统示意图见图1。

从图1可以看出，除了机油泵、机油冷却模块，各摩擦副主要包括主轴承、连杆轴承、增压器以及气缸盖系统中各配气机构的衬套，还包括齿轮系、空压泵、燃油泵等需要润滑的其它零部件。

图1 润滑系统示意图

3 润滑系统一维流动分析计算

润滑系统设计首先需确定系统流量、系统油路管径大小及机油冷却器的散热量等基本参数，同时对机油滤清器、活塞冷却喷嘴等零部件的流量及阻力特性作初步预估，保证发动机在低速时能得到良好润滑，在高速时机油泵及摩擦副消耗的能量要低。通过多款机型的对标数据分析，结合经验公式，机油泵流量设定为170 L/min，机油泵吸油管流速限定在2.5m/s以下，机油泵后各高压区管路流速限定在5m/s以下。

主轴承处机油的需求量参数根据EXCITE计算结果导入到Flowmaster模型中。润滑油为15W40，在压力为400 kPa，温度为120℃的条件下，活塞冷却喷嘴流量为7.2 L/min，限压阀开启压力120 kPa，全开压力为160 kPa，其详细的输入特性曲线见图2。机油冷却器作为润滑系统中的重要零部件，其流量和阻力特性见图3。润滑系统涉及到的零部件和管路众多，其它输入在此不一一赘述。

图2 活塞冷却喷嘴流量和压力曲线

图3 机油冷却器流量和压力曲线

结合整机概念设计方案，运用Flowmaster软件建立了润滑系统模型。模型建好后，分别模拟计算了机油温度为120℃轴承间隙为85%、机油温度为100℃轴承间隙为50%、机油温度为100℃轴承间隙为15%时,三种情况下的稳态计算，各主要节点处的计算结果见表2、表3。

从上述结果来看，各温度和不同轴承间隙情况下，流经主轴承的机油和活塞冷却喷嘴的机油量占比均较大，其它摩擦副机油需求较少；同时机油泵中的调节阀基本是在中高转速开启；在相同温度下，随着轴承间隙的变小，各节点机油流量变小，而机油压力变大；在机油温度为120℃、轴承间隙为85%的情况下，缸盖最远端的压力在600 r/min怠速时机油压力远大于设计限值50 kPa，表明机油泵能力足够。

表2 压力分布

表3 流量分布

4 试验验证

试验验证是发动机开发过程中必不可少的环节，在此发动机的开发中润滑系统同样做了大量的性能试验和可靠性试验。

以下试验所用发动机的主轴承和连杆轴承间隙均为最大值状态（除耐久、可靠性试验外），发动机轴承间隙数值见表4。试验用样机上布置多个机油压力测点：机油泵出口、机油冷却器前、机油冷却器后、增压器进油口、缸盖（制动轴-发动机最远端）等测点；在进主油道前的油路中布置机油流量计，以获得进入主油道的机油量。同时在油底壳和主油道对机油温度作监测。

表4 试验用发动机轴承间隙

4.1 稳态工况下机油压力及流量分布试验

按外特性运行发动机，发动机冷却液温度控制在105℃，油底壳机油温度在标定点为120℃，稳态工况下各测点机油压力和机油泵流量，试验结果见图4。

图4 机油压力和流量随发动机转速变化曲线

从试验结果来看，随着转速的升高，机油泵流量和各测点压力逐步变大，在调压阀开启前各测点压力与转速基本呈线性关系。当转速在1 600 r/min左右时调压阀开启，主油道通过反馈油道把压力传递给机油泵，多余的机油通过调压阀泄流到机油泵低压区，以保证各处压力在合理范围内。从图4中也可以看出，缸盖处在800 r/min时油道压力为189 kPa，远大于50 kPa的限值要求。

4.2 热怠速试验

发动机在标定工况运行至少15min，油底壳机油温度稳定在121℃时，然后在5 s内使发动机从标定转速1 900 r/min降到怠速750 r/min，测量主油道和缸盖处的机油压力，见表5。

表5 热怠速试验结果

试验结果表明，发动机急减速后，怠速状况下主油道和缸盖两处机油压力远大于最低限值要求，说明机油泵的能力满足系统设计要求。

4.3 机油含气量试验

机油含气量试验主要是测量发动机在最高机油温度、不同转速、不同机油容量时的机油含气量，用以评估油底壳油量是否合理。试验时发动机水平放置，出水温度控制在105℃，机油温度在120℃左右，试验采用FEV气体仪实时记录机油含气量值。图5为油底壳机油量41 L时机油含气量与发动机转速的关系。从图中可以看出，机油含气量随着发动机转速的变大而增加，且整个转速范围内，机油含气量均未超过25%的限值。图6为不同油底壳油量情况下，发动机在标定工况下的试验结果。从图中可以看出，油量低于17 L后，机油含气量急速增大，这表明此时机油泵已经有吸空现象发生。在17～45 L机油容量下，机油含气量均小于25%的限值，并处于合理范围内。从上述两个试验结果来看，油底壳机油量名义值确定为37 L是合理的。

图5 机油含气量与发动机转速的关系

4.4 发动机运行时的机油液面检查试验

发动机运行后，润滑系统各油路均充满机油，且有部分机油未及时回流到油底壳，为确保油底壳内的油量满足发动机的使用要求，需作发动机运行时的机油液面检查试验。试验前标定好静态时不同机油量情况下油底壳油面高度与机体底面的距离关系，并减小发动机运行后曲轴箱压力对油底壳内油面的影响。

图6机油量与机油含气量的特性曲线

图7 为试验结果，可以看出发动机运行时油底壳中机油量减

少了8 L左右。在发动机运行过程中，从800～1 900 r/min转速范围内，油底壳机油量基本保持不变，在最大扭矩转速范围内受曲轴箱压力的影响，机油量略有下降。

图7 油底壳油量与发动机转速曲线

4.5 整机倾斜试验

本试验的目的是验证润滑性能和曲轴箱通风系统在前后纵倾和左右侧倾时是否符合要求，并确定发动机倾斜的极限角度。本试验在发动机倾斜试验台上进行，在不同的油底壳油量下，通过试验台架不断改变发动机的倾斜角度，直到机油含气量、机油压力、扭矩、噪声等参数出现异常，即停止试验。发动机水平放置时的运行参数：机油含气量2%，机油压力505 kPa，曲轴箱压力-1 kPa。

本试验对MAX（油尺上刻线油量）、MIN（油尺下刻线油量）、MIN-5%、MAX+10%四种不同油底壳机油量作整机的倾斜试验，试验结果表明，4种油量下，35°的下坡和左右倾情况下均可安全使用；但当油量为MIN-5%时，且下坡度超过20°时，发动机运行25 s后机油压力开始下降，见图8。同时在MIN油量时，下坡度超过25°，发动机运行30 s后机油压力开始出现下降。

4.6 耐久、可靠性试验

此发动机完成了上万小时的耐久可靠性试验，其中包括冷热冲击、全速全负荷、交变负荷、负荷循环等耐久试验，试验后解析发动机及数据分析表明，试验前后机油压力基本无损失，各摩擦副磨损值均在限值内，未出现异常磨损现象，且系统零部件也未出现渗漏油、损坏等失效现象，系统零部件均顺利通过了各项发动机考核。

5 结论

（1）通过一维Flowmaster流体计算分析，确定发动机润滑系统各零部件及管路的主要参数。

（2）通过多种性能试验及耐久可靠性考核，验证了此发动机润滑系统的设计能保证发动机可靠而长久的工作。

Design and Verification of Lubrication System fora DieselEngine

Feng Aixiu,Chen Wei
（ShanghaiDiesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai200438,China）

In order tomeet the development requirements for lubrication system of some certain diesel engines,aone-dimensional fluid steady-state simulation analysishasbeen conducted on lubrication system to determine the key technical parameters of lubrication system components,achieving reasonable distributions on flow and friction between parts of the engine.Meanwhile,through performance tests on durability and reliability,the design of engine lubrication system has been confirmed to meet the requirementsof theoverallunit.

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