4A15汽油发动机机油泵设计性能校核

谢代标

（柳州五菱柳机动力有限公司，广西 柳州545005）

4A15汽油发动机机油泵设计性能校核

谢代标

（柳州五菱柳机动力有限公司，广西 柳州545005）

本文通过经验公式，对4A15汽油发动机机油泵在转速2000 rpm和转速6000 rpm工况点对应的供油量进行了校核计算，经验证计算分析得出，机油泵的设计供油量满足发动机的性能要求。

发动机机油泵；机油泵设计；性能校核

1 目的

通过经验公式，计算4A15汽油发动机（见图1）在典型工况点，转速2 000 rpm和最高功率点转速6 000 rpm时，对应的润滑系统所需机油流量，与机油泵设计供油量进行对比后，验证4A15汽油发动机机油泵性能设计的合理性。

图1 发动机示意图

2 发动机相关参数

发动机相关参数见表1.

表14 A15发动机主要参数

3 计算分析

3.1 循环机油的流量

根据国内外知名动力总成设计公司的经验推荐，通过发动机的机油所携带走的散热量来校核分析循环机油的流量可满足达到要求。

由以下公式计算机油散热量Φj：

其中，Φj为发动机中每小时机油带走的散热量（kJ/h）；Φi为发动机每小时通过燃料进行燃烧而生成的热量（kJ/h）；α0为百分比（机油的散热量占比发动机所产生的热量）。根据汽油发动机的经验，按α0=0.015～0.025取值。

其中，P为发动机的有效功率（kW）；ηe为发动机的有效效率，根据汽油发动机的经验，取ηe=0.25.综合以上，计算规定工况下的机油散热量：转速为6 000 rpm（最大功率82 kW）时，

以此，计算出机油携带走的散热量，从而求出汽油发动机所需机油循环量：

其中：γ为机油比重，按γ=0.85 kg/L取值；cj为机油比热，按cj=1.7～2.1 kJ/（kg·K）取值。△t为温度升高差（机油完成一次循环通路），按△t=10～15℃取值[1]。

因机油的牌号不同，其比热值也会不同，根据目前汽油发动机常使用的机油5W-30（北方冬季）、10W-40（南方全年或北方夏季），其比热都接近于1.9左右，那么比热按1.9取值，作为最大的循环机油流量的计算，其温度差按最小值10℃取值（见图2）。

图2 汽油发动机机油油路

综合以上，计算标准工况下循环机油的流量：

事实上，汽油发动机所需要的循环机油的流量（qv）决定着机油泵的实际流量（qva），机油泵的实际流量在实际上要比机油循环流量要大，这有以下原因：

（1）机油泵总成一般集成有能够调节机油压力的节压阀，用来确保机油压力在一定允许的范围内，故机油通过集滤器进入机油泵，通过转子挤压泵出的机油一部分通向主油道供用油所需，超出压力范围的其余机油，则通过节压阀打开回流到油底壳内[2]。

（2）发动机经过一段时间运行，发动机运动附等零件和机油泵转子在运行中会产生一定的磨损，因此发动机的机油泄漏量和零件相互之间的配合间隙会随着磨损而渐渐增加，那么在这种情况下为了能保证有足够的油压，机油泵排量在设计时就需要留有一定的余量（见图3）。

图3 机油泵内外转子

（3）4A15发动机将采用i-VVT等结构带来的机油消耗以及增加动力转向泵需求一定机油量润滑，需要留有一定的余量设计。

（4）4A15发动机因匹配商用车，工况使用恶劣，今后做技术升级，进一步对结构强化设计，需要更大的机油流量来满足。

所以有

其中K为储备系数，一般选取K=1.5～2.0.

转速为6 000 rpm（最大功率82 kW）时，

K=2.0 时，qva=2.0 × 1827.9=3655.7（L/h）

K=1.5 时，qva=1.5 × 1827.9=2741.8（L/h）

转速2 000 rpm（最高功率26.5 kW）时，

K=2.0 时，qva=2.0 × 590.7=1181.4（L/h）

K=1.5 时，qva=1.5 × 590.7=886.1（L/h）

3.2 机油泵的供油量

机油泵的供油量为

其中：A为内外转子间形成最大面积（mm2）；z1为内转子齿数；b为内转子厚度（mm）；np为转子的转速，转子的转速即为内转子转速（rpm）；ηp为转子供油效率，按 ηp=0.8 取值[3]。

4A15发动机机油泵内转子（见图4）为十个凸齿，外转子为十一个凹齿。油泵工作时，机油泵中的内转子带动外转子朝同一方向进行转动。可以把它们看成是一对差了一个齿的内啮合齿轮的传动，以凸齿和凹齿个数比，其转速比就为11∶10.转子无论转到任何一个角度，内外转子间必然会有一个触点，从而分隔成了10个不同容积，不同形状的空腔。根据转子旋转方向，在从集滤器输出到油泵的进油道一侧的空腔，因转子不断脱开啮合，其内腔容积逐渐变大，产生了一定的真空度，从而机油被吸入真空的空腔中。随着转子的继续转动，机油被带到了出油道一侧，这时随着转子转动进入啮合状态，内腔容积逐渐缩小，导致发动机机油压力升高，从内外齿之间挤出，形成的高压机油汹涌输入到了出油道。

图4 内外转子工作状态

通过以上了解，内外转子相互之间形成单个油腔的最大容积（面积），就在内转子的凸齿在外转子两个凹齿的中间时刻。

以内转子的凸齿的最大外径切割内、外转子之间构成面积，从而分别计算出内转子的凸齿在外转子的两个凹齿的中间时刻（见图5、图6），与内外转子形成单个油腔最大面积（截面积）。通过三维软件CATIA做动态分析得到数据。

图5 油腔最大面积时，内转子凸齿外径与内转子构成的截面积

图6 油腔最大面积时，内转子凸齿外径与外转子构成的截面积

综合以上分析，当机油泵中的油腔最大面积时，内转子凸齿外径与内转子构成的截面积45.168 mm2，内转子凸齿外径与外转子构成的截面积59.376 mm2.4A15汽油发动机内转子厚度10.2 mm（见图7），内转子转速和发动机转速一致。

图7 转子厚度

因此，可以计算出机油泵的供油量：

转速为6 000 rpm（最大功率82 kW）时，

qve=（45.168+59.376）×10×10.2×6 000× 60 × 0.8/106=3071.1（L/h）

转速为2 000 rpm（最高功率26.5 kW）时，

qve=（45.168+59.376）×10×10.2×2 000× 60 × 0.8/106=1023.7（L/h）

3.3 分析

（1）在极限状态下转速6 000 rpm（最大功率点82 kW）时，机油泵的供油量2741.8<3071.1<3655.7，满足要求；

（2）在极限状态下转速2 000 rpm（最高功率26.5 kW）时，机油泵的供油量886.1<1023.7<1181.4，满足要求。

4 结论

通过以上计算得出，在转速6 000 rpm（最大功率点82 kW）和转速2 000 rpm（最高功率为26.5 kW）时，设计的机油泵供油量都满足4A15汽油发动机的性能要求。

[1]周龙保．内燃机学[M]．北京：机械工业出版社，2007.

[2]日本自动车技术会编．汽车工程手册4，动力传动系统设计篇[M]．北京：北京理工大学出版社，2010.

[3]徐 兀.汽车发动机现代设计[M]．北京：人民交通出版社，1995.

The Design Performance Check of 4A15 Engine Oil Pump

XIE Dai-biao
（Liuzhou Wuling Liuji Power Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545005，China）

In this paper，the flow rate of the 4A15 engine oil pump on the speed of 2000RPM and 6000RPM is calculated by empirical formula.Calculation and analysis verified that the design flow rate of the oil pump meet the performance requirements of the engine.

engine oil pump；the design of oil pump；performance check

U464

A

1672-545X（2017）10-0038-03

2017-07-30

谢代标（1982-），男，广西罗城人，工程师，主要研究方向为发动机设计开发。