发动机润滑系统的研究与进展（分享）

yongjiayan

良好的发动机润滑系统具有润滑、冷却、防锈及去污等功能。现代发动机润滑系统结构日超复杂，这不仅是为扩大润滑系统结构日趋复杂，这不仅是为了扩大润滑系统工作可靠性、使用保养的简化自动化以及提高机油使用期限和降低机油消耗量都有积极的作用[1]。
    减少机油消耗一直是动机开发研究中一个非常重要的课题[2-4]，但我国过去对减少机油消耗的研究没有给予足够的重视。试验表明，一台中速发动机每年的机油费用约占燃油费用的4%[5]，此外，润滑系统中机油泵的驱动率也具有降低燃油消耗的一种潜力，最高可达3%。从环保性出发，有关试验证实，发动机PM排放的形成与其机油消耗有很大的关系。而对发动机PM排放的控制是有长期性法规的。可见，润滑系统的研究设计对于发动机工作的可靠性、经济性与环保性都有重大影响。本研究对发动机润滑系统的主要研究内容和方法的进展情况进行了比较详细的介绍，并对其中存在的问题和解决方案进行了分析和探讨。
    1 发动机润滑系统研究的内容和方法
    1.1 研究内容
    目前，国内外主要是对润滑系统各组成部分，或者是发动机零部件关键界面上摩擦与润滑现象以及整个润滑系统的性能进行研究。研究的最终目标是为了合理供油，优化发动机机油分配系统，即设计恰当的润滑滤清系统，减小机油网络的液压阻力，改善每一个耗油部位的耗油特性和确定机油泵容量使之满足关键耗油部位的要求等。
    1.1.1 润滑系统部件及关键润滑点流压特性
    发动机润滑系统是由众多的部件以及局部结构组成的，包括机油箱、机油泵、机油滤清器、机油散热器、各机油管路、主轴承、凸轮轴承及各附件润滑轴承等。其中，很多系统部件流压特性的数学描述是建立在经验公式基础上的，需要附以相应的试验数据来确定表达式中的某些参数；而机油管路和主轴承等结构形式更是复杂，不同的结构形式需要有相应的描述方式。本文介绍一种带有环槽结构的轴承在润滑时的流压特性关系式。
   




    式中，Q为通过轴承的流量；△p为轴承进油压力与环境压力的差值；ε为一载荷周期内偏心率的均值；α为油槽宽度；μ为润滑油动力黏度；ι和D分别表示轴承的长度和直径；c为半径间隙。
    1.1.2 润滑油路
    发动机润滑系统的油路主要由主油道之前的供油系统以及主油道之后的耗油系统两大部分组成。外部供油系统的研究与设计内容主要体现在其组成部件的选择和性能匹配上；耗油系统主要是由众多润滑点组成的油路网络，该油路网络依据设计要求不同也有多种布局方式，油路网络整体可以看成由许多不同子系统组合而成的，图1为其中一种典型的子网络油路。
   



    在油路网络中，各润滑点的机油消耗量随油路尺寸、各润滑点与系统部件之液力特性及网络平衡状况而定，其油路特性分析与电路分析有很多相似之处。
    在对整个复杂的油路网络分析过程中，可以利用电路网络分析中的有关方法，将整个油路网络系统抽象成由多个液阻构成的液阻网络系统。对于这里的液阻来说，通过液阻的流量Q与压差△p多为非线性关系。液阻网络系统在满足一定条件下，同样具有类似于电路网络中串、并联的相关特性，依据这一特性，可以将发动机润滑系统的组成部件、局部结构以及各润滑点分别抽象成具有不同阻力特性的液阻，建立液阻网络模型。利用该网络模型可以很直观地去分析和观察机油的流动状况。
    1.2 研究方法
    早期润滑系统的研究设计采用的是经验设计与试验相结合的方法；随着计算机技术的发展和广泛应用，网络法原理辅以先进的计算工具（高性能计算机软、硬件）则成为目前润滑系统分析计算的主要手段。
    1.2.1 经验设计法
    现常用的经验设计方法有英国RICARDO和奥地利AVL两大公司所推荐的方法，二者都是通过计算循环油量的经验公式来估算选定机油泵容量。RICARDO法是以发动机全速运转时单位时间内流经主油道的机油量作为循环油量；AVL法则以润滑间隙的总量来计算循环油量。
    1.2.1.1 RICARDO经验设计方法
    经验设计过程中内燃机润滑系统的基本参数是单位时间内流经主油道的机油量，称为循环油量。RICARDO公司定义的循环油量包括内燃机各种轴承形成承载油膜所需要的润滑油量和冷却油量。对于喷油冷却活塞的机型，还需要计人冷却喷嘴的喷油量，但不包括经过离心式滤清器和调压阀的旁通油量。
    RICARDO法以内燃机全速时循环油量Ve为设计依据，对于活塞不采用喷油冷却的机型，Ve/Pe。的范围为22L/（kW.·h）～26L/（kW·h）；对于活塞采用喷油冷却的机型Ve/Pe，的范围为25 L/（kW·h）～30 L/（kW·h）。
    对于增压柴油机，按不增压时的功率来计算循环油量，机油泵的实际供油量Vp为Ve的1.5倍～2倍。
    再根据机油泵效率η便可以确定机油泵之理论供油量yt=Ve/η。
    1.2.1.2 AVL经验设计方法
    AVL的循环油量定义与RIDADO方法相同，但AVL是以润滑间隙的总量为依据计算循环油量。据AVL推荐，在最低工作转速时，每平方毫米的间隙面积需机油泵供油量为3L/（mm2·h），因此有
    Vp=b·S。 （2）
    式中，b润滑单位间隙面积的油量，取为3L/（mm2·h）；S为内燃机需要润滑的各种轴承最大间隙的总面积。，
    所谓最大间隙，即指孔取最大值和轴取最小值时的间隙。对喷油冷却活塞机型还要计人冷却喷嘴的流量，可以用试验比较的方法或估算的方法获得流量数值。AVL推荐的内燃机活塞冷却喷嘴总油量为5.44L/（kW·h），并规定增压发动机以不增压时功率计算。
    1.2.1.3 目前国内采用的经验设计方法
    目前，国内采用的经验方法主要是根据功率来计算机油循环流率。现代内燃机的机油约要带走燃料总发热量的1.5%～3%，据此推荐的各种机型循环流率为汽油机20L/（kW·h）～35L/（kW·h）；柴油机25L/（kW·h）～45L/（kW·h）；用机油削却活塞的柴油机45L/（kW·h）～55L/（kW·h）。
    增压柴油机由于向增压器供给机油，所以可以功率来计算机油的循环流率。在各种油温下机制磨损、轴承间隙增大后，为能保证机油仍保持一定的压力，上述循环流率的推荐值已经达到实际从各涮滑点与冷却点泄露出的循环油率的2倍～3.5倍月正常情况下，多余的机油从调压阀和限压阀泄出。
    1.2.2
    网络法网络法最早于20世纪70年代由美国FORD公司提出。发动机的润滑系统是一个由许多部件增局部结构构成的非常复杂的油路网络系统，是一个变载、变速、变温、变阻的非线性油路网络；在分析研究润滑系统时，可将其各部分描述成独立的流动阻力系统，然后用节点和线连成一个复杂的模拟网络系统。图2为某发动机润滑系统网络模拟分析示意图，该系统中网络节点数很多，各支路都有各自的液力特性，且随系统布置不同网络结构特性亦发生变化。对于所建立的流动网络模型，可利用质量守恒、能量守恒原理以及相关润滑点上的润滑模型来确定节点上的流压关系。
   



    1.2.3 外部特性法
    20世纪80年代初期，张健航等人在基于对润网络特性的分析基础上，提出了用于分析内燃机润滑系统的一种新方法——外部特性法。外部特性法是在经验设计、网络模拟、试验测试的基础上建立的，该方法指出，可以用润滑系统性能在外部的表现特征，即主油道油压与负荷、转速、油温的关系p=f（Pe，n，T）/（Pe，n，T）来分析系统中的内在状态，以研究各零部件的性能匹配。在给定功率、油温的情况下，则有声P＝f（n），即主油道油压为转速的函数。此即为润滑系统外部特性法的核心。
    由外部特性法得到的外部特性曲线可以反映各蛾力特性的匹配状况，因而可以借此来分析各组成的液力特性及匹配关系，亦可以从外部特性曲线来分析润滑系统的适应性与合理性。当测定了内燃机高油温与低油温、新滤芯与堵塞芯等几种外部特性曲线之后，则可以得到随内燃机转速而异的油压变化范围，以观察发动机油压是否在许可范围内，从而达到对润滑系统的分析与评价之目的。
    2 存在的问题和解决方案
    经验设计法在实际应用中有很多的不足之处。润滑系统是由各种部件组成的，不同同型号部件的液力特性亦相差甚远；系统布置形式可多种多样，在经验设计中并无提供部件选型及参数确定的方法，在实际设计中只能依赖设计师成功设计发动机的经验和样机试验中确定的合适结构及参数。另外，系统的选型和布置也与机油泵的容量密切相关，对一台全新发动机的设计估算与实际情况有较大的差别是不可避免的。
    网络法设计研究润滑系统时多是按照全负荷工况运行条件要求进行的，以满足发动机对机油压力和机油体积流量的要求。由于这种设计方法一般都把尺寸设计的过大（尤其是机油泵工作能力方面）而存在许多弊端，如增加功耗和机油耗等。
    外部特性法的核心是通过实测检查主油道（即进入各润滑点之前的油道）的油压在给定的特征转速下是否符合要求，如不符合则调整润滑系统设计直到满足要求。这种方法是针对已有发动机（无论是新机或老机）的基于试验的判别性设计方法，没有考虑主油道之后的各摩擦点对润滑要求的差异，因此，从严格意义上来看，它只适用于单缸机，而且供油量一般较大。
    上述问题集中起来突出表现在供油是否合理的问题上，这一方面要求润滑系统组成部件和润滑点在选择和设计上要保证机油润滑的品质；另一方面就是供油量要合理，既要满足润滑系统实现可靠润滑的最大需求，也不能过多的供油。目前，良好的机油冷却过滤系统和合理的润滑部位结构设计已经取得很大进展，但在确定合理供油量的问题上依然偏向保守设计，存在供油量过大的问题。
    进行可控供油量的发动机润滑系统设计分析，实现按需分配机油的研究对于保证内燃机工作的可靠性，提高其环保性和经济性都有着重大意义，而且有十分广泛的应用前景。这一新的研究思路已经引起众多研究人员的重视。使用可调型机油泵便是一种很好的例子。前不久，德国的Schwadulapp M提出了使用智能型和可调型元件的设想，并采用一种可调型机油泵，在所考察的发动机上取得了很好的试验效果。图3为一台排量为4L的V型8缸铝发动机机油泵驱动功率消耗的情况。在标定转速下，机油泵的驱动功率可减小60%左右。即使在行驶循环有关的转速范围内，机油泵驱动功率也可显著减小。在新欧洲行驶循环下摩擦平均压力下降70%，对应汽车燃油消耗下降2%左右。
   



    3 结束语
    有效的润滑系统研究设计对于保证发动机工作的可靠性、经济性与环保性都有重要意义。实现可控供油量发动机润滑系统的研究思路虽然在理论分析和技术实现上都存在很大难度，具有很大的挑战性，但其潜力是诱人的，在实践中具有很好的研究和应用前景，这需要在综合各种设计研究方法优点的基础上，进行进一步的系统分析和试验研究，其具体方案有待于进行更深入的研究。

wfc_lb

比较深奥,看来我们的认知还是较为肤浅

wchai

怎么ricardo给这么多公司做了分析？
还是我们是同单位的？

lishaoke12

还是说的比较具体的，但你我对这方面不太了解，看看也算是长知识吧

bingfzr

从发动机是怎么来的到怎么没的，当然这是要付钱的。

haotian0734

未来的发展趋势是变排量机油泵，排量可变，按需分配油量（油压），节能环保。

laohaier

讲得很好，学习了

奶茶悠悠

能加个qq吗 1072425495  研究方向是发动机润滑

奶茶悠悠

haotian0734 发表于 2-5-2013 15:07
未来的发展趋势是变排量机油泵，排量可变，按需分配油量（油压），节能环保。

我正在做这个项目  给你qq号了  1072425495  交流下