柴油机润滑系统

青 岛 工 学 院毕 业 论 文 （ 设 计 ）柴油机解剖、测绘及润滑系统学生姓名 陈济臣 学号 200904105238 指导教师 李建华 学 院 机电工程学院 专 业机械设计制造及其自动化年级 2009 级答辩日期 年 月 日 青 岛 工 学 院柴油机解剖、测绘及润滑系统 完成日期： 指导教师签字： 答辩小组成员签字： I摘 要柴油机在机械领域上应用广泛，尤其是汽车行业，柴油机主要由机体部分、主运动部分、燃油系统、配气系统、活塞连杆部分、冷却系统、润滑油系统组成、在柴油机工作的过程中并不是把所有的能量都转化成了有用“功” ，因为在机器运转的过程中有部分能量随着零件之间的摩擦而转化成热能流失，为了降低摩擦，必须有一润滑系统来润滑各个零件。润滑油的主要作用有润滑、冷却、防锈、清洁、密封和缓冲等作用，而润滑系统的任务就是把润滑油运送到各个必要的部位，减少摩擦减少能量的损失。油泵以一定压力将润滑油从油底壳中吸入，通过滤清器和调节阀后送往主油道，再从各主油道进入各主轴承、连杆轴承、曲轮轴轴承、齿轮轴孔及齿轮室喷油咀。目前，柴油机向高强度发展，对润滑系统及机油的要求也随之不断握高。关键词：柴油机；润滑系统；润滑；摩擦；供油 IIAbstractDiesel engine is widely used in mechanical field, especially in the auto industry, diesel engine is mainly composed of the body part, main motion parts, fuel system, distribution system, the piston connecting rod parts, cooling system, lubricating oil system composition, the diesel engine work process and not all the energy into useful work, because in the process of the machine is running a portion of the energy is converted into heat energy by friction between parts, in order to reduce the friction, there must be a lubrication system to lubricate each part. Lubricating oil is the main function of lubrication, cooling, antirust, clean, sealed and buffer etc, and the task of the lubrication system is to get oil to all the necessary parts, reduce friction loss of energy. Pump at a certain pressure to lubricating oil from the oil sump suction, after filter and regulator to the main oil way, again from the main oil passage into the main bearing, connecting rod bearing, wheel bearing, gear shaft hole and gear room spray nozzle. At present, the diesel engine to the high strength development, demand for oil lubrication system and grew with high grip. Key words：Diesel engine; Lubrication system; Lubrication；friction ; Oil supplyIII目 录1 绪论 .11.1 柴油机润滑系统的研究背景和意义 .11.2 润滑系统设计基本流程 .21.3 提出课题 .22 润滑系统的基本组成与要求 .32.1 储油装置 .32.2 机油输送装置 .32.3 机油冷却和过滤装置 .32.4 限压阀 .42.5 曲轴箱通风装置 .43 润滑系统的总体设计方案 .53.1 润滑系统的总体布置选型 .53.2 润滑系统的主要参数 .63.2.1 循环油量计算 .63.2.2 机油压力 .63.2.3 机油温度 .63.2.4 油底壳储油量 .74 机油泵 .84.1 机油泵的设计及选择 .85 机油冷却装置 .115.1 机油冷却器及机油散热器 .116 结论及展望 .136.1 结论 .136.2 车用柴油机的发展前景 .13参考文献 .14致谢 .15柴油机解剖、测绘及润滑系统11 绪论 1.1 柴油机润滑系统的研究背景和意义随着汽车行业的发展，国内外对润滑油的研究越来越深入，对高性能润滑油需求越来越多样化。在机体工作时，润滑油充其每一个空隙间隔，减少各零件之间的摩擦。柴油机机体表面金属之间不但会增大柴油机的功率消耗，而且由于摩擦产生的大量热量也会导致零件工作表面烧坏，使柴油机不能正常运转。为了保证发动机正常工作，必须加以润滑油对各部件加以保护，把损耗降到最小，使柴油机性能和寿命增加。润滑油会在零件表面产生一层油膜，不仅能减少零件之间的摩擦和磨损而且还能带走热量减少腐蚀性磨损，延长内燃机使用寿命。此外，润滑系统对内燃机的性能指标和工作可靠性也有重大的影响。润滑不良的内燃机在运转过程中的机械损失和零件的磨损很大，严重影响了内燃机的动力性和经济性，甚至使发动机不能正常工作。现代柴油机的功率和寿命不断提高，热负荷和强化程度也愈来愈高，润滑系统的设计和研究工作也引起很大的重视。一个良好的润滑系统，应满足下列各项要求：（1）油量和压力要适当，以保证润滑油顺利的通过油道进入零部件之间。（2）能自动的调控油温，有效的降低柴油机的机体温度。（3）滑油滤清器能有效的清楚油中杂质，保持润滑油的清洁性。（4）油路通畅，不会被堵，能及时的送油补油。（5）润滑油系统本身消耗功率要小，油量消耗要少。（6）修理和维护方便。国内外润滑油出名企业有很多例如德国福特、埃克森美孚、壳牌、嘉实多、雪佛龙、法国道达尔、卢克石油、中国长城、中国昆仑、日本石油、等，随着润滑油在汽车上的广泛运用各大企业对它的研究更加重视。伴随着中国汽车行业的发展，我国对润滑油的销量逐年增加，同时润滑油的质量达到了前所未有的水准，有些已走进国外销售全世界。发动机的润滑方式主要有三种，第一压力润滑，在一定的压力下将润滑油注入零件空隙，润滑各个部位。此润滑方式结构复杂，但润滑效果好、可靠，具有清洗和冷却作用。第二飞溅润滑，部分零件在运转过程中引起油滴飞溅，达到零件部位，次润滑方式结构简单，消耗功率小但润滑不可靠且容易造成氧化和污染。第三是综合润滑，此润滑结构简单可靠，消耗小，综合性能好。润滑油系统的重要性越来越突出，对它的研究人们更是深入，它给汽车行业带柴油机解剖、测绘及润滑系统2来的不仅仅是效率的提高和能源的节约，更重要的是汽车的寿命和安全性，让人们更舒服更愿意去享受汽车带来的舒适。1.2 润滑系统设计基本流程目前国内各润滑系统的设计和开发大多仍采用较为传统的开发技术，其基本流程是：（1） 根据所研制的发动机的型号、性能指标，确定润滑系统形式和系统原理图。（2） 根据国内外相当功率型式的发动机参数及经验公式，估算循环润滑油的需求量和组成系统的机油泵、调压阀等零部件的要求。（3） 方案权衡选择，选取一、两个方案，综合可靠性、可操作性、可维修性等方面进行论证、比较。确定一计方案。（4） 样机试验后，调整零件参数再试验并最终达到要求。1.3 提出课题四缸机要达到 200 马力的指标，必然使整机热负荷和零部件可能的磨损大大增加，因此润滑系统对柴油机的性能指标和工作可靠性影响愈加重要。保证润滑系统稳定良好地工作，可以降低柴油机的磨损，减少故障，增加整机耐久性，从而确保产品足够的竞争力。新机型的研制要求对其润滑系统做出可靠的设计和评价，因此提出本课题，同时作为该产品润滑系统研究开发的启动项目，也为以后新产品的开发探索提供新思路并积累经验。本课题的主要研究内容包括：（1）明确柴油机构成。（2）明确润滑系统的构成及各部分作用。（3）润滑系统的总体布置选型。（4）确定润滑系统的主要参数。（5）选择机油泵。（6）选择机油滤油器。柴油机解剖、测绘及润滑系统32 润滑系统的基本组成与要求2.1 储油装置储油装置主要由油底壳，柴油集滤器等组成 10，油底壳主要就是储存润滑油它由薄钢板冲压而成，与机体紧密结合防止油泄漏。柴油集滤器它安装在油底壳润滑油的入口，用来去除润滑油中的杂质。机油集滤器有浮动、式和固定式两种 5。浮式的集滤器能随着油底壳油平面高低浮动，始终浮浮在油面上，用来吸取纯净的润滑油，油底壳还起到为润滑油散热的作用。浮式集滤器浮在油面上，以此吸入油面的泡沫而使柴油压力下降，可靠性比较差。而固定式集滤器的浮筒淹没在油面下，他工作可靠，但缺点是容易吸入油底壳的杂质。2.2 机油输送装置机油输送主要由机油泵提供动力，机油泵按其结构不同可分为齿轮式和转子式，车轮式又分内接和外接齿轮两种形式。（1）外接齿轮式机油泵是为了防止在轮齿之间径向间隙内的油压过高而引起的工作阻力加大和机油泵轴衬套加快磨损，在泵盖上加工有卸压槽，使齿轮径向间隙内的机油经卸压槽流入油腔。（2）内接齿轮式机油泵，外齿轮是主动轮，套在曲轴钱端 2，通过花键套直接由曲轴驱动。内齿轮为从动轮，安装在机油泵体内，泵体固定在发动机机体前端。主动轮带动从动轮旋转，进油量由小变大，逐渐进油：出油量逐渐由大变小，油压升高。（3）转子式机油泵主要由内外转子组成，内转子有多个凸轮，外形为次摆线型，固定在机油泵传动轴上，由机油泵齿轮驱动。外转子一般比内转子多一个凹齿，自由装在机油泵体内，同时与内转子啮合转动。2.3 机油冷却和过滤装置为保证柴油机零件得到可靠地润滑和延长机油使用寿命，既延长换油期限，应在润滑系统中设置冷却及滤清装置 1。冷却主要由机油冷却器完成，冷却器分为风冷和水冷。分冷式机油冷却器安放在发动机前部，结构简单，省事，靠空气冷却。水冷式机油冷却器靠冷却液冷却，以水为冷却介质，广泛用于现代水冷式柴油机上。机油集滤器在润滑油系统中扮演着重要的角色，其一般串联安装在机油泵进油口之前。它可以滤掉润滑油中的杂质、磨屑、油泥及水分等杂物，使送到各润滑部位的都是干净清洁的润滑油。柴油机解剖、测绘及润滑系统42.4 限压阀限压阀是限制润滑油系统的油压而设置的 7，使油压不超过额定的压力值。其工作原理是：当发动机润滑系统由路中油压超过额定数值时，限压阀主动打开，油从此处流出，使油压降低，当油压恢复到规定值时，限压阀关闭。2.5 曲轴箱通风装置它的作用是防止一部分可燃混合气和废气经活塞环与气缸壁间的间隙窜入曲轴箱内。可燃混合气进入曲轴箱后,其中的汽油蒸汽会凝结,并溶入润滑油中,使润滑油变稀;废气中水蒸气与酸性气体会形成酸性物质,从而对机件造成腐蚀;窜气还会使曲轴箱的压力增大,造成曲轴箱密封件失效而使润滑油透漏。为了防止这种现象,必须设置通风系统。柴油机解剖、测绘及润滑系统53 润滑系统的总体设计方案3.1 润滑系统的总体布置选型润滑系统主要采用复合式润滑系。所谓复合式润滑系，就是既用压力润滑，又用飞溅润滑。高速重负荷的摩擦表面：如曲轴主轴承、连杆轴承、凸轮轴承等用机油泵强制润滑。既用压力润滑，以保证润滑可靠，负荷轻(如气缸)、滑动速度低(如活塞销)或润滑条件有利(如凸轮与挺柱)的地方则用飞溅供油，既为飞溅润滑，以简化润滑系结构，个别零部件如水泵、发电机等轴承定期加注润滑脂进行润滑。总之，为了保证发动机的正常工作，并且减少摩损，凡是两个零件互相接触而且有相对滑动的地方，都必须加以适当的润滑。内燃机的曲轴轴承需要用较高的压力供应机油，以保证轴承工作可靠，如气门摇臂机构等，则机油的压力不需要很高，因为那儿负荷较轻。向气缸盖上的摇臂机构供油过多，往往是机油温度过高的原因之一。为此，往往在从主油道向低压润滑点供油途中，用专门的节流孔进行节流减压。有时利用凸轮轴轴颈中的油孔或槽对机油进行减压，可保证在很大转速范围内，供应稳定的低压机油。大多数内燃机均把机油贮存油底壳内，使结构简化，称为“湿”油底壳或“ 湿”曲轴箱式 13。个别的内燃机将大部分机油贮存在专门的机油箱中，称为“干”油底壳或“干”曲轴箱式。采用“干”式油底壳可使内燃机高度降低，机油工作条件得到改善（搅拌和激溅少，不易变质)，允许内燃机作大幅度的前后左右倾侧等，因此适用于高度紧凑的军用车辆，高通过性的越野车和矿山、工地用自卸车的柴油机。但由于机油泵多(至少有一级吸油泵和一级压油泵)、管路多和需要专用机油箱等，结构复杂，在一般内燃机上很少采用。机油泵一般布置在油底壳内，使吸油高度小，起动时很快能正常泵油，同时也便于对机油泵经过齿轮驱动。在设计油泵的进油管道时，应保证在停车后进油管中机油不会流光。有些大功率柴油机(D300400 毫米)的气缸表面用飞溅润滑困难时；或大型二冲程柴油机的扫气孔常被空气吹拂需要加强润滑时，常采用给油器压力润滑，它是用柱塞泵准确地将一定量的机油送至指定的摩擦表面，所以它的润滑可靠，机油消耗量少，但由于给油器和油路的结构复杂，除了上述柴油机应用外，也有在其它内燃机上采用。四缸车用柴油机的润滑系统布置如下:柴油机工作时，机油泵经集滤器从油底中吸取机油。在机油泵出口设有机油泵限压阀，避免油压过高（如在柴油机冷起动时，机油粘度很大，就可能出现过高油压） ，造成柴油机功率损失或元件损坏。被机油泵压出的机油，流经机体上的辅助油道进入机油冷却器内，保证机油温度稳定，在辅助油道上旁通出一小部分压力油，柴油机解剖、测绘及润滑系统6进行精滤，并回到油底壳循环。机油冷却后流经机油粗滤器，滤去颗粒较大的杂质后，通过主油道溢流阀对流量油压的调控，进入主油道。通过各分配油道，执行各部件的润滑任务及活塞冷却任务。3.2 润滑系统的主要参数3.2.1 循环油量计算传统的循环油量是指单位时间内流经发动机主油道的机油量，它包括供给轴承润滑和冷却所需的油量，但不包括经过机油精滤器、机油泵限压阀和发动机主油道调压阀等旁通掉的油量。至今，柴油机的循环油量都是通过机油从发动机零件上需带走的散热量 的传cQ统方法估算的。一直采用下式计算：= (0.015 0.02) cQfQ式中 每小时加入柴油机的热量, kW ；f= 3600 /feP式中 柴油机功率，kW；eP柴油机有效效率，取为0.35。则： = (160 280) cQe若用润滑油对活塞进行冷却，通过机油散出的热量可达6%左右，一般可取= (620 860) ceP代入机油密度、比热容及机油进出温差（一般815），可得循环油量：=(0.40.5) /60cVe3.2.2 机油压力为了可靠地将机油送至润滑表面，在润滑系的主油道内必须具有一定的机油压力。因此，要求机油泵泵油时应有一定的泵油压力。但当机油压力较高时，必须提高机油泵的制造精度和刚度，不然耐久性不好。因此，一般汽油机在主油道的机油压力为 0.20.3Mpa，高速柴油机为 0.30.6Mpa高速强化柴油机为0.60.9Mpa，采用离心式机油滤清器时，应取较高的机油压力。在最低转速时，机油压力不应低于 0.050.1Mpa。根据经验和实际情况可知，四缸车用柴油机的机油压力怠速时大于 0.05Mpa，标定转速时为 0.20.5Mpa。3.2.3 机油温度为了保证轴承等摩擦副在良好的工况下工作，还必须控制机油的工作温度。轴柴油机解剖、测绘及润滑系统7承的温度状况可用油膜中机油的平均温度来评定；对于铅青铜轴瓦来说，此温度一般不应超过 110，热负荷特别高的柴油机不应超过 150。对巴氏合金轴瓦则不应超过 100。同时，润滑油流过轴承的温升要在 2050的范围内。因此，机油在油底壳中的机油温度不应超过 95105，最好为 7075。当油底壳的机油温度超垃 95时，就应该在润滑系统内装置机油散热器。经验表明，机油散热器的冷却效果可以使机油温度下降 2030，效率高的机油散热器可以使机油温度下降 40。3.2.4 油底壳储油量选择油底壳的机油量 (升)时，要保证一次加油后，内燃机能够在足够长的oV时间内连续运转，并保证汽车和拖拉机的必要的行驶半径，同时，还要考虑机油的自然散热的条件。容量增大，机油在每秒钟内循环的次数既循环率 / (次秒)oVp降低( 为油底壳中机油容量 为机油泵供油油量)，机油在油底壳中停留时间愈长，oVp自然散热效果愈好，但较大的 使内燃机外形尺寸增大。oV一般机油循环率不大于 8 次分。统计表明，油底壳的机油容量为：车用汽油机 =(007016) (升)，oeP车用柴油机 =(014027) (升)V农用和固定用柴油机 =(O27054) (升)。oe式中 一内燃机有效功率(千瓦)。eP不同排量的车用发动机的机油容量也可参考下列数据：排量 052 升 =25 升oV排量 25 升 =36 升排量 5 升以上 6 升o根据四缸柴油机活塞总排量为 2.98 升，可以确定机油容量为六升，保证了行驶半径和冷却效果。柴油机解剖、测绘及润滑系统84 机油泵4.1 机油泵的设计及选择目前，高速内燃机广泛采用外啮合齿轮式和内啮合转子式两种油泵。齿轮式机油泵由两个互相啮合的齿轮组成(图 3-1)。当机油泵工作肘，机油由吸油腔被送到压油腔中。在直齿轮旋转过程中，当一个齿轮的齿正好盖在另一个齿轮的齿间时，机油没有出口，在齿轮的轴承上产生一个附加力，为了消除这个载荷，在油泵的壳体和盖上都开了一个卸载槽，机油可沿此槽流向压油腔。由于斜轮机油泵工作比较平稳和供油比较均匀，而且可以不开卸载槽，近年来得到了广泛的使用。在设计斜齿轮机油泵时，必须把齿轮的轮齿做成这样；使轮齿在任何旋转位置时，它们的接触线都能盖住整个齿的长度。只有这样才能给出必要的输油量。齿轮式机油泵结构简单，机械加工方便，工作可靠，寿命长，目此，应用很广。图 3-1 齿轮式机油泵转子式机油泵(图 3-2)，由于采用内啮合齿数很少的转子，结构紧凑。外形小，近年来在中小功率高速由燃机上应用愈来愈多，目前我国已完成转子式机油泵的系列设计，并开始大量生产。由于采用粉末冶金烧结的内外转子，保证省工省料。因此，近年来在国产内燃机新产品中大都用转子式机油泵。柴油机解剖、测绘及润滑系统9图 3-2 转子式机油泵机油泵的结构参数主要决定于机油泵的供油量。而机油泵的供油量又决定于润滑系统的循环油量。循环油量的计算已在润滑系统的主要参数一节中进行了论述。为了使机油泵的供油量在任何困难的工作条件下(如低速大负荷、油温高)都能大于润滑系需要的循环油量。以保证润滑可靠。当内燃机磨损以后，零件的配合间隙就会增加，流经该处的油量也随之增大。因此，循环油量就必须增加，否则不能保持正常的机油压力。所以要求机油泵供给更多的油量，但机油泵的供油量和供油压力又随着本身的磨损而不断降低。为了解决这个矛盾，设计机油泵时，必须考虑足够大的储备能力。尤其是热负荷重、利用机油冷却活塞或采用离心式机油滤清器的发动机，储备量更要大一些。一般机油泵的实际供油量比润滑系的循环油量大 23倍。机油泵供给的多余机油同过润滑系中的调压阀直接流回油底壳。随着发动机的磨损，回流量逐渐减少，当回油停止时。发动机也接近大修了。根据以上所述,机油泵的供油量可根据下列数据初步估计:汽车拖拉机柴油机=(23) =(0.420.84) pvcVeP齿轮泵的工作容积是齿间,它的供油量 可用下式计算 :pv=2z b (升/分)pcFpn-610式中 z齿数-齿间面积( )cF2mb齿轮厚度(mm)-机油泵转速(转/分)pn-机油泵容积效率(取 0.70.8)v在渐开线齿轮的情况下,可近似认为齿间面积等于齿面面积，既：柴油机解剖、测绘及润滑系统10= =cFh2zD2m式中 D齿轮节圆直径，D=mzh齿全高，h=2mm齿轮模数。因此公式又可写成=2 zb =0.00628 （升/分）pv2pnv-6102mbvp具体确定齿轮式机油泵结构参数时，一般选定 z 和 m，由公式计算齿轮厚壁 b， 因为 一般由机油泵的布置确定。汽油机机油泵常与分电器轴一起由凸轮轴驱动，pn故 = 0.5n(n 为发动机曲轴转速)。柴油机机油泵常由发动机的正时齿轮驱动。根据统计，一般 =10002500 转分，这主要考虑机油泵齿轮的圆周速度应小于p45 米秒，最大不能超过 10 米秒，否则机油泵的容积效率下降，而且齿轮的加工精度要求高。当 m 增大、z 减小时机油泵结构变得紧凑，但供油脉动加剧。一般 m=35 毫米，z=712，b=2050 毫米。b 越大，要求齿轮的加工精度越高。齿数 9齿轮模数 mm 3.75齿形压力角 。 20齿顶圆直径 mm 44齿轮中心距 mm 36.5齿轮径向变为系数 0.457齿轮宽度 mm 30与柴油机曲轴的转速比 1.811机油泵额定转速 r/min 4165额定转速下流量要求 L/min 95表 4-1 四缸车用柴油机机油泵结构参数表经计算可知四缸车用柴油机机油泵主要参数如表 4-1。柴油机解剖、测绘及润滑系统115 机油冷却装置5.1 机油冷却器及机油散热器由于发动机不断强化，零件的温度和机油的受热量大为增长，单靠通过油底壳和发动机其他零件的自然散热作用，不能维持最合适的机油温度时，常在润滑系统中设置机油的自制冷卸装置，对机油加强冷却。用空气冷却机油的装置一般称为机油散热器，用水冷却机油的装置则称为机油冷却器。机油散热器的结构与冷却水散热器结构相似，一般都是管片式，装在水散热器前面或后面。机油在管中流动，借风扇扇风来冷却机油。为了增加散热面积，管的周围焊有散热片。管和片常用导热性能好的黄铜制造。机油散热器结构简单，可将机油冷却到较低温度，故广泛应用于运输式发动机润滑系统但安装位置不方便 9；散热效果对大气温度变化敏感，启动时机油阻力大，影响润滑系统工作。尤其是对冷却系统没有散热器和冷却风扇的固定式内燃机不适用。机油冷却器的结构如图所示。机油自进口流入，因受隔片的限制经曲折的路线流向出口。冷却水在管内流动。管外有很多散热片以增加冷却面积。它的安装位置比较自由机油温度不随气温而变化，尤其是起动后保证机油迅速暖热，阻力小，润滑可靠。但是结构较复杂，水与油的密封要求高。在水温高的闭式冷却系统中，机油冷却器不能把机油冷却到较低的温度。图 4-1 机油冷却器结构图柴油机解剖、测绘及润滑系统12机油散热器的计算，大体上按水散热器的顺序来进行。在现代内燃机中传入机油中的热量如下：不用机油冷却活塞：=（160280） （千焦/小时）cQeP用机油冷却活塞：=（620860） (千焦/小时)ce统计表明：机油冷却器的散热面积：光滑直油管 0.027 /千瓦 2米柴油机解剖、测绘及润滑系统136 结论及展望6.1 结论车用柴油机润滑系统的设计经过总体分析、计算及设计，确定这次设计的润滑系统油路图如图所示。6.2 车 用柴 油机 的发 展前 景先进柴油机技术的应用, 使柴油机的综合性能有了极大的提高。90 年代中后期, 欧洲联盟国家车用柴油机达到了欧、欧排放标准；与 1988 年相比，2005 年轻型柴油车的微粒排放可降低 93%。在欧洲, 柴油轿车的销售量已占总销量的 1/ 3以上, 并且这一数字仍在不断增长。据预计, 整个欧洲的柴油车市场份额将很快达到 40% ,在近 10 年内,有望达到 50%。在欧洲, 90% 以上的出租车采用柴油机动力, 因为出租车更注重燃油成本。在美国, 虽然目前柴油轿车所占的市场份额还不足 1% ,但实际上,除了目前全美 94%的货物运输、60%的公共汽车都是以柴油机作为动力之外,在小轿车的柴油化方面也有进展。2002 年仅大众公司就在美国销售