高速转动的发动机干式油底壳设计

蒲朝祥 黄潇 张嘉杰 刘兴田 上海工程技术大学

中国大学生方程式汽车大赛（简称“中国FSC”）是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。给参赛车队根据赛事规则和相应制造标准，在一年时间内自行设计一辆具有良好的操控性、优良的加速性能以及符合安全规范小型赛车。

发动机是整车的动力来源，为保证发动机具有良好的工况效果，对发动机润滑系统进行了改进。油底壳主要功能是储存润滑油且封闭曲轴箱。发动机油底壳设计原则是能保证发动机在各种工况下都能为发动机内部部件提供润滑油，使得发动机能够持续运行。

本文对发动机油底壳进行重新设计，采用外置储油罐，减小油底壳容积，降低发动机的重心。并通过CATIA建模、进行模型优化、Ansys流体分析对储油罐进行晃动仿真，以验证方案可行性。

一、采用干式润滑的原因

（一）湿式油底壳在FSC中的现状

湿式润滑系统的油底壳内存储全部润滑油，结构简单，制造成本低。同时由于给活塞、曲轴、变速箱齿轮、变速链条等发动机部件提供的润滑油都储存在下部的油底壳之中，使得所需发动机油底壳容积很大，发动机位置过高，整车的重心也被提高在安全规则限定不能低于最低包络面，同时位于发动机上的进气系统也不能超出车架包络面以外。在FSC这项高速的赛车运动中特别是在整车在高速转向或漂移时，采用湿式润滑系油底壳内的润滑油因重力作用集中在某一处而使得发动机零部件的润滑效果减弱。同时较高的重心也不利于这项高速赛车运动项目。

（二）干式油底壳

干式油底壳采用外置储油罐，回流的润滑油将会被吸油泵泵回外部的储油罐中，再通过机油泵加压后流经机油滤清器、冷却器、油道到达各个运动的摩擦表面，回落至下部油底壳吸油泵工作回到储油罐。机油通过较长的输送管道有利于润滑有的降温，改善润滑性能，机油外置避免机油受高压燃气的侵袭，防止了机油的过早氧化。

使用干式油底壳的优势：降低发动机的重心，提高车辆在行驶过程的稳定性和操控性。改善了发动机的润滑效果，提高润滑效果，保障了发动机的使用寿命。外置储油罐有利于机油的降温，保障机油品质。

二、干式油底壳的设计

设计流程：外油路选择——二级机油泵——油底壳设计——储油罐设计——储油罐晃动分析

（一）外油路连接

干式油底壳会多出一个干式机油泵，安装在发动机机械水泵位置。CBR600发动机内外油路主要的连接方式为⑴通过原机油泵连接和⑵通过与机油滤清器连接。本文采用通过集滤器间接与原机机油泵连接。

干式油底壳的储油量较少，原车的机油泵无法将机油抽入加压，需额外加一个与干式润滑系统相匹配的机油泵。甭问采用赛方提供的购买的二级机油泵。

（二）油底壳设计

设计油底壳考虑到与原发动机要无间隙配合，对原装油底壳进行三维逆向扫描，并建立CATIA建模。油底壳高度为40mm，采用二级机油泵，两个口向外储油罐泵机油的出口，机油在储油罐中降温后通过与集滤器相连的机油泵抽进发动机润滑主油道进行润滑。考虑到油底壳密封性，图中油底壳外形由逆向扫描轮廓建立的三维模型，在出油口和废油口出设计集油槽，利于机油的顺畅循环。

（三）储油罐设计

油气分离形式有惯性分离，纤维过滤分离，旋流分离等。气液惯性分离是应用气流急速转向使气液运动轨迹不同而分离，但其对于较小的液滴分离效果较差，且要求较高的入口流体速度才能达到较好效果，将这种分离方式作为机油罐入口与壁面的初分离可有效去除较大液滴。过滤分离通过过滤介质将气体中的液滴分离出来介质主要用金属丝网和玻璃纤维，适用于较小流速时的分离，可布置在机油罐顶部溢流口处有效分离小液滴。气液离心分离利用流体旋转产生的离心力来分离气 流中的液滴，它有分离时间短，设备体积小等优势，十分适合完成机油罐的油气分离功能，故选择旋流分离。储油罐体积3.14L。考虑整车结构布局设计其直径为100mm，高度410mm。为加快润滑油冷却，在储油罐外部增设散热片，考虑到轻量化问题储油罐材料为全铝材料。

储油罐晃动分析：将机油填充至油罐三分之一高度约为1.08L，进行模拟。①前进加速度5m/s2，时间持续1s；②极速转向时前进加速度-10m/s2，侧向加速度为20m/s2，持续时间0.5s。

三、与上年度湿式油底壳对比

（一）平稳性能

干式油底壳较往年所做的湿式油底而言，高度矮了30mm，降低发动机的重心。对于湿式油底壳而言，赛车在高速过弯的工况下，侧向会产生一个很大的加速度（约2G），此时机油由于惯性作用，开始往靠转弯方向相反的方向移动，赛车在行使过程中不稳定。

（二）润滑效果

采用湿式油底壳的赛车在高速过弯的工况下，机油往开始转弯的反向移动，导致吸油不充分；此外由于润滑油是直接回落到下部油底壳中的，油液中含有过多的气体，导致发动机传动部件受润滑部件的润滑效果不理想。采用干式润滑油底壳将机油内的气体分离。干式润滑系统机油由外部回路，且在储油罐上设有散热片，能更好的将油液的温度降低。故而采用干式润滑时机油的润滑效果更好。