【技术】机油泵的选型与验证

润滑系统的主要作用是在发动机工作时,将足量、足压、适当温度的清洁润滑油输送到摩擦表面上,以减小摩擦阻力、降低功率消耗,实现发动机工作可靠及耐久的目的。若润滑系统中主油道压力达不到设计值时,会造成发动机润滑不良,影响发动机的正常工作,甚至会造成发动机严重损害,使发动机提前报废。所以发动机润滑系统的设计也就尤为重要。

本文利用一维与三维联合仿真分析方法对某增压车型润滑系统进行建模,确定系统机油泵性能需求,然后依据机油泵几何模型对机油泵进行CFD分析,验证机油泵性能是否符合设计要求,最后在发动机台架上进行润滑系统试验,验证润滑系统油压是否满足设计要求。

为确定准确的机油泵性能需求,根据该机型概念设计阶段的润滑系统管路几何模型搭建系统一维分析模型,润滑系统仿真流程如图1所示,首先根据几何模型确定管路尺寸,然后搭建润滑系统模型,将各边界条件输入到润滑系统模型中,进行润滑系统1D分析,根据系统压力分布情况确定该系统机油泵性能需求。该机型润滑系统部件包括:曲轴轴承、连杆轴承、凸轮轴轴承、活塞冷却喷嘴、增压器、机油泵、机油滤清器、机油冷却器、链条张紧器、链条润滑喷嘴、真空泵润滑喷嘴、可变正时系统、油路控制阀及单向阀等。基于润滑系统管路模型搭建润滑系统一维分析模型,分析模型的搭建依据专业流体分析软件Flowmaster,该软件是一款面向工程的流体系统仿真软件,广泛应用于设计和分析复杂的流动、传热等问题,主要用于压力、温度、流量和传热量参数预测。

图1 润滑系统仿真分析流程

该机型润滑油类型为5W-30型机油,该机油黏温特性如图2所示,油冷器流阻特性如图3所示,基于各边界建立润滑系统分析模型,如图4所示,模型对系统各主要部件进行标注。

图2 5W-30机油黏温特性

图3 油冷器流阻特性

图4 润滑系统一维分析模型

计算工况为热怠速工况,保证系统主油道油压大于100kPa时的机油泵性能为9.3L/min,即机油泵校核性能为13.3mL/rev。将该流量输入到计算模型中,运算模型得到系统压力分布情况,此时泵后油压为1.35bar,主油道油压为1.08bar,主油道油压满足压力需求。

确定机油泵性能之后进行机油泵选型,选用结构紧凑、吸油真空度高、NVH性能好的转子式机油泵。利用Pumplinx软件对机油泵进行CFD分析,该软件具备专业的泵阀模板,可快速完成计算模型及边界条件设置。模板针对不同类型的泵阀CFD 模拟将对应的流程和规范内置到PumpLinx 软件中,使CFD模拟的设置简单化,保证了计算的准确性和可靠性。对该机油泵几何模型进行处理并进行流体网格的划分,如图5为该机油泵的网格模型,图中将机油泵分为三个区域。设置机油泵进出口边界,进行CFD分析,得到机油泵流体分析结果,如图6为机油泵表面压力分布图。图7为监测出口每一转平均体积流量,根据稳定结果可知,该型机油泵每转平均体积流量最终稳定在14mL/rev,满足机油泵校核性能,可使润滑系统主油道油压满足设计目标。

图5 CFD分析模型

图6 压力分布

图7 平均流量监测

制作机油泵快件之后进行机油泵单体性能试验,试验数据如表1所示,为了验证机油泵单体性能,在原机油泵分析模型的基础上利用阀模块进行机油泵限压阀的建模,其中弹簧刚度为8400N/m,弹簧质量为0.017kg。计算转速为2000rpm,增加限压阀后的计算结果如图8所示,从图中可以看出限压阀开启后,油液由高压区泄露至低压区。

图8 增加限压阀后压力分布

表1 单体性能试验与仿真结果对比

表1为计算结果与试验数据对比,根据对比可知,在限压阀未开启时,仿真结果与试验数据符合较好,因模型未考虑端面间隙,所以后面两个点仿真结果略高于试验数据。当限压阀开启之后,仿真结果低于试验数据,偏差略大,通过分析知,因为该机油泵在试验过程中存在弹簧偏磨问题,增加阀门下行阻力,造成试验数据偏高。

图9 机油泵单体性能试验与仿真对比

确定润滑系统机油泵性能及系统布置,完成发动机润滑系统设计,制作机油泵快件,进行发动机稳态机油压力分布试验,验证系统设计能否满足要求。试验设备主要包括电涡流测功机、燃油恒温、水恒温、机油恒温、油耗仪和防爆轴流通风机等,试验台架如图10所示,进行发动机在不同转速下的润滑系统试验,检测主油道压力分布情况。

图10 润滑系统试验台架

控制发动机的转速,使发动机转速由怠速升至额定转速,共监测11个点的压力值,具体数值如表2所示,如图11为主油道油压随转速变化的情况,其中怠速点主油道油压为1.2bar,油压满足设计要求,说明机油泵选型符合要求,润滑系统设计合理。

表2 系统压力随转速变化情况

图11 稳态油压分布曲线

为设计合理的润滑系统,本文进行一维与三维的联合仿真,确定机油泵性能需求并验证选型机油泵能否满足设计要求,确定机油泵几何结构及系统管路模型,最后进行润滑系统试验以验证系统的有效性。

本文主要结论如下:

1)首先通过润滑系统一维分析进行机油泵性能校核,确定机油泵的能为13.3mL/rev;

2)利用机油泵CFD分析确定机油泵每转平均体积流量为14mL/rev,满足系统要求;

3)根据机油泵单体性能试验数据和仿真结果对比可知,两者符合较好,说明仿真具有较高的精度;

4)最后进行润滑系统试验,监测结果可知怠速工况下主油道油压为1.2bar,说明机油泵选型符合要求;

5)通过仿真分析手段可以快速的确定系统需求,为产品开发提供有效手段,缩短产品开发周期。

本文作者 王次安 国内某主机厂用户 主要研究方向为发动机冷却系统和润滑系统设计及分析