【日】 Y.Hikita M.Kawahara N.Noguchi

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零部件

新型機油流量優(yōu)化凸輪噴淋潤滑器的開發(fā)

【日】 Y.Hikita M.Kawahara N.Noguchi

發(fā)動機的凸輪軸驅動進排氣門往復運動?！巴馆唶娏軡櫥鳌笔窍蛲馆嗇S上各個凸輪提供機油的裝置。常規(guī)的凸輪噴淋潤滑器帶有幾個相同尺寸出油口的油管，出油口負責向每個凸輪提供機油。來自氣缸蓋的機油通過噴淋潤滑器油管中點位置供油?？拷┯忘c的出口機油流量大，遠離供油點的出口機油流量小，每一出口的機油流量分布不均勻。開發(fā)了一種新的凸輪噴淋潤滑器，具有2個特征：(1) 將機油通道分為幾個支流，形狀類似多角狀仙人掌；(2) 凸輪軸軸頸中的通孔使氣缸蓋向凸輪噴淋潤滑器的供油具有間歇性。新的凸輪噴淋潤滑器可將機油非常均勻地提供給各個凸輪，減少了機油浪費，凸輪噴淋潤滑器的機油總流量可大幅減小90%。由此可以設定較小的發(fā)動機機油泵出口機油流量，機油泵的驅動轉矩減小，最終降低發(fā)動機燃油消耗量。

機油流量優(yōu)化 凸輪噴淋潤滑器

0 前言

近年來，石油價格受各方面因素影響并不穩(wěn)定，從環(huán)境角度而言，需降低CO2排放。在此環(huán)境下，需要逐年減少車用發(fā)動機的燃油消耗量，降低發(fā)動機各零部件的摩擦損失，需要發(fā)動機機油泵高效地為發(fā)動機各個零部件提供潤滑機油。

發(fā)動機中的機油流量測量結果如圖1所示?？勺兣錃鈾C構大都采用液壓裝置，因此，即使發(fā)動機轉速低于2000r/min，配氣機構也需要一定量的機油潤滑。在這種發(fā)動機中，采用可變流量機油泵，可以保證發(fā)動機在低速工況下的機油流量和油壓。

采用專用的機油流量傳感器，測量發(fā)動機機油流量的具體分布[1]。通過觀察機油流動[2]、測量滑動表面的溫度和數(shù)值分析，研究曲軸軸承附近機油流量的優(yōu)化。本文重點研究凸輪軸附近機油流量的優(yōu)化，減少凸輪噴淋潤滑器的機油浪費。

通過優(yōu)化各個零部件的機油流量，可減少發(fā)動機所用的機油流量總量，因此，可減少機油泵的出口油量。在某些情況下，可采用可變油量機油泵。

1 傳統(tǒng)凸輪潤滑裝置的機油流動驗證

在凸輪軸機油流動優(yōu)化之前，通過透明的氣缸蓋罩可視化研究，驗證傳統(tǒng)的凸輪軸機油流動。采用1臺直列4缸、2.0L排量的發(fā)動機進行拖動試驗，發(fā)動機僅安裝了配氣機構，未安裝曲軸和活塞連桿組。

圖2示出裝有透明氣缸蓋罩的配氣機構試驗臺架。通過電機和正時鏈驅動進排氣凸輪軸運轉。將機油油壓調節(jié)為發(fā)動機油壓，供給到氣缸蓋。

發(fā)動機轉速在1000r/min及其以上時，凸輪軸旋轉使機油大量撒向透明罩，所以并未清晰地觀察到罩內(nèi)情況。此外，只進行了簡單的可視化研究。常規(guī)的凸輪噴淋潤滑器為簡單的管狀結構，幾個相同尺寸的出油口對應每個凸輪進行供油(圖3)。來自氣缸蓋的機油在凸輪噴淋潤滑器供油管前端中央供油，機油沿著路徑流動，到達排氣側的8個出油口。進氣側也有8個相同布置在排氣側的出油口。為易于觀察機油流量分布，將機油油壓調節(jié)為發(fā)動機油壓，直接供給凸輪噴淋潤滑器。

圖4示出機油溫度25 ℃和供油壓力400kPa的可視化研究結果。供油點附近的出口機油流量大，遠離供油點的出口機油流量小。但這種傳統(tǒng)凸輪噴淋潤滑器調整了遠端出油口的供油量，可以滿足每個凸輪的潤滑要求。供油點附近的出口機油流量過大而造成浪費，因此，必須減小這部分機油流量。

2 新式凸輪噴淋潤滑器設計

為減少機油浪費，研究了凸輪噴淋潤滑器的新設計，如圖5所示。新開發(fā)的凸輪噴淋潤滑器為板狀結構，裝于凸輪軸承座的凸輪蓋之上。為在二維平面上形成可彎曲的油道，將預先開槽的平板折疊壓制成形。此外，為防止相對板之間機油泄漏，采用卷圓壓力機在幾十個點上進行折壓。2塊相對的預先開槽平板形成油道。

圖5僅示出了排氣側的油道。來自氣缸蓋的機油在發(fā)動機前端和后端之間的中點供油。新開發(fā)的凸輪噴淋潤滑器有2個設計思路：(1) 將油流均勻分配到8個出口；(2) 研究減少機油總流量的方法。

2.1 凸輪噴淋潤滑器內(nèi)的油道設計

如圖6所示，研究分析了3種油道設計方案。為防止雜質顆粒堵塞油道，每1種油道的截面積均大于1mm2。圖6(a)中示出有8個出口的簡單寬直型油道，類似于常規(guī)凸輪噴淋潤滑器，預計機油流量分布不均勻。圖6(b)示出逐步分叉的二分支型油道，預計各個出油口的機油流量分布均勻。圖6(c)示出包含寬通道和窄通道的多角仙人掌型油道，預計各個出油口的機油流量均勻分布。通過計算流體力學(CFD)分析，研究了上述3種型式的設計，對比結果示于圖7。在CFD分析條件中，機油溫度設定為 25 ℃，機油黏度為0.063Pa·s，供油壓力為25kPa。從發(fā)動機前端到后端，出口位置由A-H表示。

如圖7所示，二分支型和多角仙人掌型油道都可以均勻分配油量。所開發(fā)的凸輪噴淋潤滑器由預先開槽的板折疊構成，油道形成與密封能力密切相關。在凸輪噴淋潤滑器板上的幾十個點上進行卷邊壓接，從而獲得密封能力。卷邊壓接需要一些空間，尤其是在機油通道之間。通過產(chǎn)品的工程試驗，新式凸輪噴淋潤滑器選擇了多角仙人掌型的油道設計。

2.2 凸輪噴淋潤滑器出油口設計

凸輪噴淋潤滑器出油口初始設計示于圖8。預先開槽的上板和下板被卷邊壓接成形，油道末端和出油口相連接。采用這種初始設計的出油口后，對機油流動方向進行了可視化研究(圖9)。結果表明，由于機油穿過內(nèi)部油道末端時的流動慣性，出油口的機油流動偏離了垂直方向。在這種情況下，凸輪可能得不到潤滑。

出油口的改進設計結構如圖10所示。這種型式的潤滑器在下板上有1個儲油器，這種結構可以將慣性流轉換為垂直流(圖11)。如圖12和圖13所示，CFD分析驗證了這些現(xiàn)象，機油溫度設定為80 ℃，機油黏度為0.011Pa·s，出油口機油流量為0.02L/min。

在圖12和圖13中，為驗證出油口的機油流動方向，對出油口的機油流速進行了平均化處理，出口機油流速的水平分量和豎直分量都以散點的形式標出(圖14)。初始設計的出油口機油流偏向角超過9°，出油口改進設計后，機油流偏向角在±1°范圍內(nèi)。研究發(fā)現(xiàn)，儲油器可有效地將層流慣性流轉換為垂直流。

2.3 凸輪噴淋潤滑器供油路線設計

研究考慮了減少凸輪噴淋潤滑器機油總量的方法。凸輪軸軸頸內(nèi)的通孔構成了凸輪噴淋潤滑器的供油路線，因此機油供給具有間歇性。無須制造極窄細的油道，便可以將機油供給量降為最小，通過調整間歇期的長短來改變機油流量。

3 新式凸輪噴淋潤滑器的效果

將新開發(fā)的凸輪噴淋潤滑器安裝于配氣機構。驗證了機油溫度在80 ℃和6 ℃時的機油流量分布效果(圖16)。就常規(guī)凸輪噴淋潤滑器而言，發(fā)動機前端附近機油流量過量而造成浪費。新開發(fā)的凸輪噴淋潤滑器可以向各個凸輪均勻地分配機油，即使在機油低溫6 ℃時也可以分配得很均勻。H點位置的流量為0.006L/min。在一些發(fā)動機耐久性試驗中，新式凸輪噴淋潤滑器可以滿足每個凸輪的潤滑要求。

因為凸輪的潤滑狀態(tài)主要為邊界潤滑，少量油流足以使滑動面保持濕潤。

圖17示出采用新開發(fā)的凸輪噴淋潤滑器后，機油流量分布的效果。圖中虛線框表示機油流量減小量。機油溫度在80 ℃時，機油流量減少1.0L/min。

因此，為了保持油壓與常規(guī)發(fā)動機相同，可以減小發(fā)動機的機油泵流量，機油泵的驅動轉矩隨之減小，最終可以降低燃油消耗量。在日本JC08工況試驗中，典型1.8L排量、直列4缸發(fā)動機的燃油消耗預計可降低0.1%。

4 結語

(1) 通過對氣缸蓋罩內(nèi)的機油流動進行可視化觀察，發(fā)現(xiàn)凸輪噴淋潤滑器的機油流量過量而造成浪費，尤其是發(fā)動機前端附近。

(2) 凸輪噴淋潤滑器的新型油道(多角仙人掌型)，可均勻分配各個出油口的機油流量。

(3) 凸輪軸軸頸內(nèi)的通孔構成了凸輪噴淋潤滑器的供油路線，機油供給具有間歇性。無需制造極窄細的油道，便可將供油量降為最低。

(4) 新設計的凸輪噴淋潤滑器可優(yōu)化機油流量分配，進而降低發(fā)動機燃油消耗。

[1] Nakase T, Saito T, Kato N,et al. The oil flow measuring method in engine lubrication[C]. JSAE Paper 9839056.

[2] Nemoto S, Kawata K, Kuribayashi T,et al. A study of engine oil aeration[C]. JSAE Review 18, 1997:271-276.

高英英 譯自 SAE Paper 2014-01-2851

張然治 校

虞 展 編輯

2015-06-02)