某1.5L汽油机润滑系统的模拟及优化.pdf

第5 3 卷第1 期 V 0 1 5 3N o 1 农业装备与车辆工程 A G R I C U L T U R A LE Q U I P M E N T V E H I C L EE N G I N E E R I N G 2 0 1 5 年1 月 J a I lu a r y 2 0 1 5 d o i 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 6 7 3 3 1 4 2 2 0 1 5 0 1 0 1 6 某1 5 L 汽油机润滑系统的模拟及优化 陶英 江帆 胡景彦 吴丰凯 洪进 3 1 5 1 0 0 浙江省宁波市宁波德来特技术有限公司 摘要 在发动机开发初期 通过F lo w m a s t e r 软件建立了某款1 5 L 汽油机润滑系统的一维仿真模型 选取转 速为7 5 0 55 0 0r m in 内的7 种不同工况 得到了主油道 缸盖油道 轴承端 曲轴 连杆大头 活塞冷却喷嘴端 等的压力和流量分布曲线 初步分析表明 发动机主油道压力不足 不能满足发动机润滑需求 同时 活塞冷 却喷嘴的流量略超出需求 采用更换新型油泵 活塞冷却喷嘴的喷嘴直径减小0 4m m 的方案进行润滑分析 得到了较满意的优化结果 关键词 汽油机 润滑系统 主油道压力 活塞冷却喷嘴 中图分类号 T K 4 0 7 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 3 3 1 4 2 2 0 1 5 0 1 0 0 6 7 0 5 S im u la t io na n dO p t im iz a t io no fL u b r ica t io nS y s t e mina1 5LG a s o lin eE n g in e T a oY in g J ia n gF a n H uJ in g y a n W uF e n g k a i H o n gJ in D L TT e ch n o lo g ie sC o L t d N in g b oC it y Z h e j ia n gP r o v in ce3 1 5 1 0 0 C h in a A b s t r a ct I nt h ein it ia lp e r io do ft h ee n g in e ao n e d im e n s io n a lm o d e lo ft h e1 5Lg a s o lin ee n g in elu b r ica t io ns y s t e mise s t a b lis h e db yt h eF lo w m a s t e rs o f t w a r e T h ep r e s s u r ea n df lo wr a t eo fm a ino il g a lle r y cy lin d e rh e a do ilg a lle r y b e a r in g cr a n k s h a f tm a inb e a r in g co n n e ct in gb igr o db e a r in g p is t o nco o lin gj e te t a l a r eca lcu la t e da n da n a ly z e dins e v e nk in d so f s p e e d sf r o m7 5 0r m int o55 0 0r m in I tp r e s e n t st h a tt h ep r e s s u r eo ft h em a ino ilg a lle r yd o e s n ts a f is f yt h elu b r ica t io ns y s t e m r e q u ir e m e n t T h ev o lu m e t r ic f lo wr a t eo ft h ep is t o nco o lin gj e te x ce e d st h ed e m a n dint h elu b r ica t io ns y s t e m T h es o lu t io no f ch a n g in gan e wp u m pa n dd e cr e a s in gt h ed ia m e t e ro fp is t o nco o lin gj e tb yO 4 m misco n s id e r e da n dm o d e le dint h ep a p e r w h ichg iv e sa na p p r o p r ia t elu b r ica t io n K e yw o r d s g a s o lin ee n g in e lu b r ica t io ns y s t e m m a ino ilg a lle r y p is t o nco o lin gj e t 0引言 发动机润滑系统不仅对曲柄连杆机构 缸体 缸盖 凸轮轴 增压器 活塞 缸套以及D V V T 起润 滑作用 还有冷却 防锈及去污作用 为了保证发 动机润滑系统的正常运行 各个油道的机油压力 流量应满足相关零件的润滑需求f 1 3 目前 国内外 主要采用试验法和网络模型分析法来分析评估发 动机润滑系统的工作性能 试验法即通过台架试 验研究 结合多工况下试验取得的油道压力特性 曲线来分析和评估润滑系统工作特性 重点考察 负荷 转速 油温等因素对油道压力的影响情况 4 1 网络模型分析法相较于试验法 可以直接进行润 滑系统设计 从定性和定量方面了解润滑系统的 流阻特性和参数变化对润滑系统流动特性的影 响 进一步优化润滑系统 合理分配机油流量和压 力 为发动机润滑系统性能优化和工程应用提供 收稿日期 2 0 1 4 1 0 2 1修回1 3 期 2 0 1 4 1 1 2 4 参考依据 降低了研发成本M 本文对某款1 5 L 汽油机的润滑系统进行一 维仿真模拟 分析不同工况下润滑系统的流量和 压力分布 初步的分析结果表明 发动机的主油道 压力不足 活塞冷却喷嘴流量略超出需求 考虑到 只更换新型机油泵 活塞冷却喷嘴的流量将远远 超出需求 通过更换新型油泵 减小活塞冷却喷嘴 尺寸的优化方法对润滑系统进行研究 1润滑系统工作原理 汽油机正常工作时 依靠发动机前端的机油链 条传动作用 机油泵以一定速度从油底壳经由机油 集滤器吸出机油 再经油冷器 机油滤清器进行冷 却和过滤 过滤后的高压机油被输送到缸体主油 道 机油从缸体主油道出发 主要采用压力和飞溅 两种润滑方式 前者主要是对主轴颈 连杆轴颈 凸 轮轴等运动摩擦副的润滑 后者是对链条 缸套 活 塞的润滑 汽油机润滑系统的机油流动如图1 农业装备与车辆工程 2 0 1 5 年 油 底 冗 鳖H 亟H 亟坩 面磊H 缸套活塞 链条 凸轮 缸套活塞 连杆轴颈 增压器 第一主轴颈 缸盖主油道 一圭塑塑 活塞冷却喷嘴 缸 体 主 油 道 图1 润滑系统的机油丽程圈 F ig 1 O ilf lo wch a r Io ft h elu b r ica t io ns y s t e m 文中针对上述发动机润滑系统的机油流程 图 将整个润滑系统分成若干个独立的元件 通过 F lo w m a s t e r 软件进行模型搭建 输入各个元件的 几何尺寸参数和压力一流量性能特l生曲线 最终求 解得出润滑系统中各关键位置的压力和流量值 2 润滑系统网络模型 2 1 一维模型理论基础 假设润滑系统中机油为连续 不可压缩流体 机油流动过程中遵循连续性方程 动量守恒方程 能量守恒方程 如下所示 连续性方程 l A a V 6A6 I 式中 A A6 矽 在a b 两点的管道截面积 和速度 动量守恒方程 掣 p F V p 批 西 2 式中 r 机油密度 J D 机油压力 r 机油 的动力粘度 二 机油的速度矢量 卜砷用 在机油上的质量力 文中取F g 能量守恒方程 争 望2 9 心a2 等 等怕 哆 3 1 y 三g 式中 p p 磊 z 6 o b 两点的压力和高度 7 机油的比重 广重力加速度 卜沿程 阻力损失与局部阻力损失之和 2 2 元件模型 2 2 1 机油泵计算模型 某1 5 L 汽油机的机油泵为变排量的容积式 泵 机油泵质量流率方程为 m p V D 陋 P 鬯产 别 式中 疬 质量流率 y D 每转机油泵的体积 排量 P 机油泵的压升 A p P 2 一P 1 厮 机 油的体积系数 C 厂一机油泵交叉E l的泄露系数 x 无量纲泵排量系数 当机油泵为定方向 定 排量时 X I 当机油泵为定方向 变排量时 0 x 1 当机油泵为方向不确定 变排量时 一1 X 1 2 2 2 管道计算模型 在发动机润滑管道内 假设机油流动为不可 压缩流体的粘性流动 此时 机油阻力损失包括沿 程阻力损失和局部阻力损失 沿程阻力损失主要 发生在直管中 局部阻力损失发生在弯管中 管道 压力计算方程为 I P l 粤掣 5 a 掣 式中 P 2 P 1 管道的出口和入E l压力卜达 西摩擦系数 己 管道的长度 m 机油的质 量流率 d 一管道直径 A 管道的截面积 2 2 3 主轴承计算模型 该款发动机的主轴承为带槽 1 8 0 1 轴承 通过 轴承上的油孔输送机油润滑运动摩擦副 流过主 轴承的机油流量方程为 Q P t 盟瓮铲 6 式中 s 偏心率比 即偏心率与径向间隙的比 值 6 轴承宽度 6 轴承槽宽 D 轴承 直径 2 3 润滑系统模型建立 以某四缸汽油机为例 发动机的排量为1 5 L 最大转速为55 0 0r m in 怠速为7 5 0r m in 最大 输出功率为9 5k W 发动机采用变排量的转子式 油泵 机油泵的理论排量为6 5m l r e v 机油型号 为S A E 5 W 4 0 主油道机油温度为1 2 0 2 参考其他 机型 汽油机润滑系统的部分参数如表1 所示 汽油机润滑系统的部分网络模型如图2 所 示 其中 图2 a 是汽油机的机油泵和滤清器 图 2 b 是主轴承和连杆轴承 图2 c 是链条喷油器 和液压张紧器 差一 第5 3 卷第1 期陶英等 某1 5 L 汽油机润滑系统的模拟及优化 表1 汽油机润滑系统部分参数 T a b 1S o m ep a r a m e t e r so ft h e g a s o lin ee n g in elu b r ica t io ns y s t e m 参数主轴承连杆轴承凸轮轴轴承 轴承直径 m m 4 54 12 7 轴承间隙 m m 0 0 1 0 0 0 3 20 0 2 1 0 0 5 0 0 0 4 4 0 0 8 7 相对径向间隙 8 5 间隙 0 0 2 900 0 4 550 0 0 30 机油密度 k m 3 7 8 0 8 机油动力粘度 P a s n 0 n 6n 4 k 连 i 杆 i 轴 承 I l 一 链条喷油器 旦一 讳 j L 一 一一卫一 降一一 里一 一 液压张紧器 图2 汽油机润滑系统部分网络模型 F ig 2P a d sn e t w o r km o d e l o fg a s o lin elu b r ica t io ns y s t e m a 机油泵及机油滤清器 b 主轴承和连杆轴承 c 链条喷油器和液压张紧器 3 计算结果分析 不同发动机转速下 汽油机润滑系统的压力一 转速曲线如图3 机油压力随转速的增大而增大 当发动机转速较低时 机油压力上升较快 主要原 因是机油压力较低时 限压阀未开启 发动机转速 较大时 限压阀逐渐打开 多余的机油从限压阀流 回油底壳 机油压力增幅变缓 额定转速 怠速时 主油道的机油压力分别为3 2 1b a r 1 0 3b a r 主油 道压力 t3 5b a r 的设计指标 额定转速下主油道 压力偏小 其他转速下油道压力满足润滑需求 三 3 兰 一 主一 7 女 0 1 I 戮 j 抓 i 图4 不同发动机转速下各处流量 F ig 4 F lo wr a t e sa td if f e r e n ts p e e d s 一 一一一 一一一 一 一一一一一一 门 一一 一 一一一一一 一 一 一一啦 一一一一一一一一一一一一一一一一 刚 10 器l 一蝤谭 令 m田 I 柳 母 甘 kr 卫 一 k k g 一 们耋搿舔 乏一 7 0 农业装备与车辆工程 2 0 1 5 薤 4 润滑系统优化方案 某款1 5 L 发动机的原润滑系统不能满足润滑 需求 在不更改其他已做设计的基础上 建议更换 同样外形尺寸的新型机油泵 理论排量8m I r e v 考虑到采用新型较大排量机油泵时 润滑系统中 各处分配的机油流量将显著增加 一方面过多的 机油流量直接增加了机油泵的功率损失和管道的 输送负担 另一方面多于需求的机油造成了不必 要的浪费 根据上述某款1 5 L 发动机的各处机油流量分 配的分析 原活塞冷却喷嘴的流量已略超过需求 流量 在新润滑系统中 活塞冷却喷嘴的流量增 加 为此将活塞冷却喷嘴的喷嘴直径减小0 4m m 不会对原有设计产生影响 采用改进的新方案后 汽油机润滑系统的压 力一转速曲线如图5 所示 与原润滑系统的压力相 比 新方案中额定转速 怠速时 主油道的机油压 力分别为3 6 2b a r 1 1 2 4b a r 已满足润滑系统的设 计指标 发动机转i 求 ir 7 m iI I 图5 不同发动机转速下各处压力 F ig 5P r e s s u r e sa td if f e r e n ts p e e d s 图6 a 显示改进方案后 发动机润滑系统中 各处的机油流量一转速曲线 机油流量分布均匀 满足发动机的润滑流量需求 不同转速下 分别采 用原活塞冷却喷嘴和新活塞冷却喷嘴计算求解得 到的机油流量一转速曲线如图6 b 所示 额定转 速时 原活塞冷却喷嘴的机油流量为6 51L m in 新活塞冷却喷嘴的机油流量为5 51L m in 原活塞 冷却喷嘴的机油流量明显超出设计需求 新活塞 冷却喷嘴的机油流量满足设计指标 验证了新方 案的可行性 e 瀛 M a in C o n 轴承流量 缸盖总流量 7 I 链条张紧器流量 7 链条喷油器流量 一增压器流量 一 荧动机转速 r n a 方案1 只更换新型机油泵 方案2 更换新型机油泵 活塞喷嘴减小O 4 r a m 一 一 一 J I I 二 1 儿J5 IJ U J4 f J J 1 1 06 J U 发动 l转速以r r a in 1 1 图6 不同转速下活塞喷嘴流量 F ig 6F lo wr a t e so ft h ep is t o nco o lin gj e ta td if f e r e n ts p e e d s a 不同发动机转速各处流量 方案2 b 不同转速下活塞喷嘴流量 5结论 1 通过F lo w m a s t e r 软件对某1 5 L 汽油机润滑 系统进行了模拟分析 得到了润滑系统中各处的 压力分布和流量分配 根据润滑系统的设计指标 额定转速下 主油道压力不足 活塞冷却喷嘴的机 油流量则略高于需求值 2 在原润滑系统的基础上 提出了更换新型机 油泵 并将活塞冷却喷嘴的喷嘴直径减小0 4m n l 的优化方案 重新对新润滑系统进行评估 分析结 果表明 新方案能够切实有效地提高润滑系统中主 油道的压力 并减小了活塞冷却喷嘴的供油量 满 足了对该款发动机润滑系统的设计指标 下转第7 6 页 加 M 加 0 一c 厂1一 删避辱暑 加 坫 m 5 0 一c隹厂l一 捌避黑暴 7 6 农业装备与车辆工程 2 0 1 5 焦 针对工作特点 造型机宜使用步进式指令等 编程方法进行软件设计 程序设计时 可采用单流 程编程形式 软件模拟调试后 固化在只读储存器 R O M 中 以便操作者及技术人员根据生产的需要 进行故障诊断或调整 编程器的模式选择开关不可置于 P R O G R A M 模式 防止造成程序的错误修改 影响正 常工作 当然有些必要的程序修改也可在 M O N I T O R 模式下进行 下面以更改计数器为例对程 序进行修改 翔 3 1 输入口令 每次编程器与P L C 连接并送电后显示屏上 出现 P A S S W O R D 提示 此时执行如下压键顺序 C L R M O N T R 口令输入完毕 对于进口的编程器此时还需 压 3 键 压 3 键后提示使用英文 不压 3 键提 示使用日文 3 2 更改计数器值 更改计数器值的操作与更改计时器的操作相 同 这里以压实时间的更改为例进行说明 执行如下压键顺序 显示屏第一行0 0 0 0 0 后 的信息提示忽略 C L R 显示屏第1 行显示0 0 0 0 0 C N T 显示屏第1 行显示0 0 0 0 0 第2 行显 示C N T 0 0 0 0 2 显示屏第1 行显示0 0 0 0 0 第2 行显示 C N T 0 0 0 2 1 显示屏第1 行显示0 0 0 0 0 第2 行显示 C N T 0 0 2 1 S R C H 显示屏第1 行显示0 0 8 5 8 第2 行显 示C N T0 0 2 1 j 显示屏第l行显示0 0 8 5 8 第2 行显示 C N T 0 0 2 1 C H G 显示屏第1 行显示0 0 8 5 8D A T A 第 2 行显示C 0 2 1 0 0 2 0 查找完毕 显示屏第l行显示的0 0 8 5 8 D A T A 修改第8 5 8 位置的数据吗 第2 行显示的 C 0 2 1 0 0 2 0 7 7 7 7 计数器2 1 当前值2S 在问号 处输入修改值 比如将时间修改为2 5s 则压键 O 0 叶 2 一 5 数值输入完成后压 W R I T E 显示屏第l行显示0 0 8 5 8C N T D A T A 第2 行显示 0 0 2 5 4结论 P L C 是一个运行速度快 拥有高级功能逻辑 选件以及定位控制系统的程序装置 水平无箱挤 压造型机利用液压系统与继电器等电器元件的配 合使用 实现对系统的灵活控制 制造过程中要熟 悉掌握P L C 机型的选择及输入 输出点的分配 软件编写完成 在总装调试之前需要进行模拟调 试 检查无误后 才能把可编程控制器接到系统 中 进行联机总装统调 解决调试时发现的软件和 硬件方面存在的问题 确保系统工作时 各操作执 行过程均有相应的指示和安全报警等信号 为安 全控制的可靠性提供必要的保障 参考文献 1 赵洪鹏 P L C 在半连续液压铸造机中的应用叨 电气时代 2 0 0 6 4 2 1 王兆义 可编程控制器教程主编 M 北京 机械工业出版社 1 9 9 2 1 3 朱绍祥 可编程序