發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)預(yù)供機(jī)油泵的開發(fā)研究

1、中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)燃燒節(jié)能凈化分會(huì)2014年學(xué)術(shù)年會(huì)CSICE2014-027發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)預(yù)供機(jī)油泵的開發(fā)研究侯升1，侯偉放2（1玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西 玉林 537005； 2廣西有色金屬集團(tuán)匯元錳業(yè)有限責(zé)任公司，廣西 來賓 546138）摘要：根據(jù)混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常需要起動(dòng)的使用特點(diǎn)，需要在發(fā)動(dòng)機(jī)上設(shè)計(jì)一套電動(dòng)預(yù)供機(jī)油泵系統(tǒng)，目的是在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前， 預(yù)先給發(fā)動(dòng)機(jī)提供一定壓力的機(jī)油，以使發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)各運(yùn)動(dòng)部件都得到可靠的潤滑。本文介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)預(yù)供機(jī)油泵的開 發(fā)過程，首先利用 CAE 仿真軟件建立模型，對(duì)潤滑系統(tǒng)進(jìn)行一維模擬計(jì)算，得到電動(dòng)預(yù)供機(jī)油泵相關(guān)參數(shù)。然后通過實(shí)測(cè)驗(yàn)證， 用一套可變流量

2、機(jī)油泵系統(tǒng)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，測(cè)出需要開發(fā)的電動(dòng)預(yù)供機(jī)油泵的實(shí)際供油量，并與 CAE 計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核，最終 確定電動(dòng)預(yù)供機(jī)油泵的性能參數(shù)為：在機(jī)油溫度 80，機(jī)油壓力 100KPa 時(shí)，電動(dòng)預(yù)供機(jī)油泵流量為 24.5L/min。關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)； 電動(dòng)預(yù)供機(jī)油泵；匹配發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)預(yù)供機(jī)油泵（簡稱預(yù)供油泵，下同）的作用是在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前，預(yù)先給發(fā)動(dòng)機(jī)提供一定壓 力一定流量的機(jī)油，以使發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)各運(yùn)動(dòng)部件都 得到可靠的潤滑。在混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，大型船電類發(fā) 動(dòng)機(jī)或需要經(jīng)常起動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，一般都需要匹配預(yù)供 油泵系統(tǒng)。本文主要探討預(yù)供油泵的開發(fā)過程，為其 它預(yù)供油泵的開發(fā)提供參考。預(yù)供油泵系統(tǒng)一般是從油底殼吸取

3、機(jī)油，機(jī)油經(jīng) 預(yù)供油泵加壓后，流到機(jī)油濾清器前端，經(jīng)機(jī)油濾清 器過濾后，機(jī)油流入主油道，后從主油道流到各潤滑 點(diǎn)，最后流回油底殼形成完整的循環(huán)回路。在發(fā)動(dòng)機(jī) 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)預(yù)供油泵是不工作的，發(fā)動(dòng)機(jī)靠自身機(jī)油泵供 油潤滑；在發(fā)動(dòng)機(jī)暫時(shí)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，預(yù)供油泵根據(jù)需 要開始供油。本次開發(fā)的預(yù)供油泵是匹配玉柴 YC6J170-31（ J0300）混合動(dòng)力柴油機(jī)，此機(jī)型主要配套新能源后 置客車系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表 1。表 1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)機(jī)潤滑系統(tǒng)基礎(chǔ)上，附加一套預(yù)供油泵系統(tǒng)，以便在發(fā)動(dòng)機(jī)暫時(shí)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，有安全的起動(dòng)油壓，以 保證發(fā)動(dòng)機(jī)有可靠的潤滑。本文重點(diǎn)介紹了預(yù)供油泵的開發(fā)過程，首先利 用 C

4、AE 仿真軟件，根據(jù)潤滑系統(tǒng)各零部件的圖紙尺 寸和技術(shù)條件建立潤滑系統(tǒng)計(jì)算模型，通過 CAE 仿 真計(jì)算得到預(yù)供油泵的溫度，壓力，流量等相關(guān)參 數(shù)。然后利用一套可變流量機(jī)油泵系統(tǒng)在相關(guān)發(fā)動(dòng) 機(jī)上進(jìn)行模擬實(shí)測(cè)驗(yàn)證，測(cè)出預(yù)供油泵的實(shí)際溫度，壓力，流量等相關(guān)參數(shù)，并與 CAE 仿真計(jì)算結(jié)果 相互校核，最終確定需要開發(fā)的預(yù)供油泵的性能參 數(shù)，為樣泵的試制提供依據(jù)。1預(yù)供油泵的 CAE 仿真計(jì)算1.1計(jì)算模型CAE 仿真分析采用的分析軟件是一維流體仿真分析軟件 FLOWMATER，計(jì)算模型是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)各零部件實(shí)際尺寸建立潤滑系統(tǒng)一維模型，模型 真實(shí)反映了發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)各零部件潤滑節(jié)點(diǎn)和機(jī) 油管路

5、分布狀態(tài)。本次 CAE 仿真分析主要考慮的零部件有凸輪軸 軸承，曲軸主軸承，連桿軸承，搖臂軸承，活塞冷 卻噴鉤，增壓器等消耗機(jī)油較多的零部件的潤滑。 模型忽略了燃油泵、氣泵、齒輪系統(tǒng)等消耗機(jī)油較 少的零部件的潤滑。潤滑系統(tǒng)計(jì)算模型的管網(wǎng)圖如 圖 1 所示。根據(jù)混合動(dòng)力后置客車運(yùn)行特點(diǎn)，此款混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)需要經(jīng)常暫停和起動(dòng)，所以需要在原發(fā)動(dòng)176名稱單位參數(shù)機(jī) 型YC6J170-31氣缸數(shù)6缸徑×行程mm105×125排量L6.494標(biāo)定功率/轉(zhuǎn)速kW/(r/min)147/2500最大扭矩/轉(zhuǎn)速Nm/(r/min)730/14001600最高空車轉(zhuǎn)速r/min2800中國內(nèi)

6、燃機(jī)學(xué)會(huì)燃燒節(jié)能凈化分會(huì)2014年學(xué)術(shù)年會(huì)CSICE2014-027V-流體速度，單位 m/s，計(jì)算得 1.167m/s。按上述公式分別計(jì)算得機(jī)油冷卻器和機(jī)油濾清 器的流阻系數(shù)為 3.6 和 113。1.3.2 活塞冷卻噴鉤的流阻系數(shù)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)活塞冷卻噴鉤圖紙尺寸和 技術(shù)要求，根據(jù)公式 1 計(jì)算得出活塞冷卻噴嘴的阻 力系數(shù)為 35。1.3.3 軸承間隙及軸承載荷軸承載荷為估計(jì)值，發(fā)動(dòng)機(jī)靜止時(shí)，給軸承載 荷 10N，各軸承轉(zhuǎn)速 10rpm；發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)，各主軸 承及連桿軸承載荷取 2500N，軸承間隙根據(jù)圖紙的尺 寸及裝配技術(shù)條件計(jì)算得出。14 CAE 計(jì)算結(jié)果潤滑油溫度分別按：80，8

7、5，90設(shè)置； 主油道靜態(tài)壓力按 1.0bar；怠速主油道機(jī)油壓力按 1.5bar。利用 CAE 仿真軟件,分別模擬計(jì)算出預(yù)供油 泵機(jī)油流量數(shù)值，結(jié)果如表 2 所示：表 2 系統(tǒng)所需機(jī)油流量值：圖 1 一維潤滑系統(tǒng)模型圖（部分）12 設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)模型中各管路的壓力損失，大小取決于流體類型、溫度、流量、管路的結(jié)構(gòu)以及粗糙度。本計(jì)算為穩(wěn) 態(tài)計(jì)算，其系統(tǒng)參數(shù)包括：潤滑油牌號(hào)：15W/40； 潤滑油溫度：80，85，90； 曲軸箱壓力：1bar；怠速轉(zhuǎn)速：按 650r/min 估算； 靜態(tài)轉(zhuǎn)速：按 10 r/min 進(jìn)行估算。15 小結(jié)根據(jù)以上 CAE 計(jì)算結(jié)果，不同的機(jī)油溫度不同的機(jī) 油壓力對(duì)應(yīng)著不

8、同的機(jī)油流量。在發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)下，當(dāng)機(jī) 油溫度 80，機(jī)油壓力 1.0bar 時(shí)，預(yù)供油泵所需的機(jī) 油流量為 17L/min。2試驗(yàn)驗(yàn)證313 設(shè)置系統(tǒng)零部件參數(shù)1.3.1 機(jī)油冷卻器和機(jī)油濾清器流阻系數(shù)由于 CAE 仿真計(jì)算沒有考慮到燃油泵、氣泵、齒輪系及其它消耗機(jī)油較少的零部件的潤滑，同時(shí)靜態(tài)壓力 計(jì)算也超出軟件的使用范圍，而預(yù)供油泵正是在發(fā)動(dòng)機(jī) 靜態(tài)下工作的，故很有必要進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證，以校核 CAE 仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性，并最終確定預(yù)供油泵的相關(guān)參數(shù)， 為樣泵的試制工作提供準(zhǔn)確的參數(shù)。在預(yù)供油泵沒有進(jìn)行試制之前，如何測(cè)出預(yù)供油泵 的流量參數(shù)呢？我們自制了一套可變流量機(jī)油泵系統(tǒng) 進(jìn)行模擬試驗(yàn)，目的是

9、利用可變流量機(jī)油泵來調(diào)節(jié)機(jī)油 流量，測(cè)出潤滑系統(tǒng)在某一溫度，某一壓力下所需要的 機(jī)油流量，從而測(cè)出預(yù)供油泵的供油參數(shù)。2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)原理系統(tǒng)原理圖如下圖 2 所示，虛線方框即是可變流量 機(jī)油泵系統(tǒng)，此系統(tǒng)外接在發(fā)動(dòng)機(jī)上。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油冷卻器和機(jī)油濾清器集成一體，根據(jù)機(jī)油冷卻器和機(jī)油濾清器圖紙尺寸和技術(shù)要求，在機(jī) 油流量為 22L/min時(shí)，機(jī)油冷卻器和機(jī)油濾清器壓降 分別不大于 2kpa和 63kpa，流通內(nèi)孔半徑為 10mm，流 通截面積為 314mm2，機(jī)油冷卻器和機(jī)油濾清器的阻力 系數(shù)k按下列公式推算：k = 2DP 式 1rV 2k-液體阻力系數(shù)；P-機(jī)油壓降，單位 Pa；r -機(jī)油密度

10、，這里取 818.8395kg/m3；177增壓器活塞冷卻噴鉤連桿軸承搖臂軸承主軸承凸輪軸承T/靜態(tài) Q/(L/min)怠速 Q/(L/min)801725851826901927中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)燃燒節(jié)能凈化分會(huì)2014年學(xué)術(shù)年會(huì)CSICE2014-027變頻器流量計(jì)電動(dòng)機(jī)油泵主油道機(jī)油濾清器機(jī)油冷卻器機(jī)油泵油底殼吸油盤圖 2 系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)工作原理如下：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā) 動(dòng)機(jī)依靠自身機(jī)油泵正常供油，機(jī)油循環(huán)路徑為油 底殼-機(jī)油泵-機(jī)油冷卻器-機(jī)油濾清器-主油道-各 潤滑表面-油底殼。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)暫時(shí)停機(jī)時(shí)，切換到外 接的可變流量機(jī)油泵系統(tǒng)進(jìn)行供油，此時(shí)機(jī)油循環(huán) 路徑為油底殼-電動(dòng)機(jī)油泵-流量

11、計(jì)-機(jī)油濾清器-主 油道-各潤滑表面-油底殼。從系統(tǒng)原理圖可以看出，當(dāng)調(diào)整變頻器的頻率，即可調(diào)整電動(dòng)機(jī)油泵的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)整機(jī)油泵的 壓力流量值。利用這樣一套系統(tǒng)，我們可以很方便 地測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)在某一溫度，某一壓力下， 發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)時(shí)所需要的機(jī)油流量值，從而測(cè)出預(yù)供 油泵的流量特性參數(shù)。2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)準(zhǔn)備試驗(yàn)系統(tǒng)如下圖 3 所示，發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在試驗(yàn)臺(tái) 架上并與測(cè)功機(jī)相連接，可變流量機(jī)油泵系統(tǒng)與發(fā) 動(dòng)機(jī)進(jìn)行外部連接，可變流量機(jī)油泵系統(tǒng)由變頻器 1，電動(dòng)機(jī)油泵 2，機(jī)油流量計(jì) 3 及相關(guān)的連接管路等 組成。在試驗(yàn)過程中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，外接的可變 流量機(jī)油泵系統(tǒng)不工作，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)暫停時(shí)，外接的 可

12、變流量機(jī)油泵系統(tǒng)開始供油。通過此套試驗(yàn)系統(tǒng)，我們可以方便地測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)時(shí)，預(yù)供油泵的 溫度-壓力-流量等相關(guān)參數(shù)。圖 3 試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖2.3 試驗(yàn)過程整個(gè)試驗(yàn)過程模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在客車上的使用情況進(jìn) 行，首先起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)按中等負(fù)荷轉(zhuǎn)速運(yùn)行,當(dāng) 機(jī)油溫度到達(dá)某個(gè)試驗(yàn)值時(shí)，停下發(fā)動(dòng)機(jī)，切換上外接 的可變流量機(jī)油泵系統(tǒng)進(jìn)行供油，測(cè)出此時(shí)的機(jī)油溫度-壓力-流量等相關(guān)參數(shù)。2.3.1 曲軸轉(zhuǎn)角與供油量關(guān)系試驗(yàn)考慮到曲軸轉(zhuǎn)角可能對(duì)預(yù)供油流量產(chǎn)生的影響，首 先進(jìn)行了曲軸轉(zhuǎn)角與供油量關(guān)系試驗(yàn)，在機(jī)油溫度 50，機(jī)油壓力 100KPa 狀態(tài)下，不同的曲軸轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的 機(jī)油泵流量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如下表 3 所示：表

13、3 曲軸轉(zhuǎn)角與供油量關(guān)系小結(jié)：從以上數(shù)據(jù)可以看出，不同的曲軸轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)不同的預(yù)供油泵機(jī)油流量,其中最大流量的曲軸轉(zhuǎn)角為 45°。為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)的要求，應(yīng)取最大流量 的曲軸轉(zhuǎn)角作為測(cè)量預(yù)供油泵流量的依據(jù)。2.3.2 預(yù)供油泵供油量試驗(yàn)試驗(yàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)下進(jìn)行，先起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)機(jī)油 溫度到達(dá)試驗(yàn)溫度時(shí)，停下發(fā)動(dòng)機(jī)，用外接的預(yù)供油泵 系統(tǒng)進(jìn)行供油，測(cè)量在 45°曲軸轉(zhuǎn)角下不同溫度不同 壓力下對(duì)應(yīng)的預(yù)供油泵流量，具體數(shù)據(jù)見下表 4。178/ (°)V/(L/min)V/(°)V/(L/min)01522514.54516.627014.59015.73151

14、4.813514.636015.118015中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)燃燒節(jié)能凈化分會(huì)2014年學(xué)術(shù)年會(huì)CSICE2014-027表 4 供油量試驗(yàn)參 考 文 獻(xiàn)1楊連生，內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)，北京，機(jī)械工業(yè)出板社，19812 Flowmater Intenertion L td CompanyReference Help 2002Flowmater從試驗(yàn)結(jié)果看出，相同機(jī)油溫度下，隨著機(jī)油壓力升高，機(jī)油流量幾乎正比例增大。機(jī)油溫度-壓 力-流量關(guān)系曲線如下圖 4 所示：流量 L/min壓力 kPa圖 4 溫度-壓力-流量關(guān)系2.4試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果表明，不同的機(jī)油溫度，不同的機(jī)油 壓力對(duì)應(yīng)不同的預(yù)供油泵流量，當(dāng)機(jī)油溫度 80°C，機(jī)油壓力 100KPa 時(shí)，對(duì)應(yīng)的預(yù)供油泵流量為23.5L/min。3對(duì)比結(jié)果分析在機(jī)油溫度 80，靜態(tài)壓力 1.0bar 時(shí)，CAE 仿真計(jì)算預(yù)供油泵機(jī)油流量為 17L/min，而實(shí)際測(cè) 試結(jié)果，預(yù)供油泵機(jī)油流量為 23.5L/min，分析認(rèn) 為，由于 CAE 仿真模型中未考慮燃油泵、氣泵等 消耗機(jī)油較少的零部件的潤滑，故 CAE 仿真計(jì)算 比實(shí)測(cè)結(jié)果偏小，模型及計(jì)算有待進(jìn)一步完善。4總結(jié)論根據(jù) CAE 仿真計(jì)算和模擬測(cè)量結(jié)果，此款發(fā)動(dòng) 機(jī)的預(yù)供油泵最終確定的性能參數(shù)為：在 80機(jī)油 溫度下，機(jī)油