郭良銳，何志良，何炎迎，吳廣權(quán)，占文鋒

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434)

隨著我國(guó)汽車行業(yè)的發(fā)展，排放和油耗法規(guī)日益嚴(yán)苛，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦，提升發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的能力是改善燃油經(jīng)濟(jì)性的有效途徑。提升潤(rùn)滑系統(tǒng)性能的方法主要包括以下幾個(gè)方面：使用低黏度、高黏度指數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油；使用全可變機(jī)油泵代替固定排量機(jī)油泵；使用低摩擦技術(shù)。

在降低機(jī)油黏度方面，寧李譜、丁月蕾研究了0W-20機(jī)油對(duì)汽油機(jī)摩擦損失的影響。根據(jù)整車NEDC循環(huán)數(shù)據(jù)處理得到發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況，即機(jī)油溫度分別為60 ℃，80 ℃，100 ℃，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別為800 r/min，1 000 r/min，1 200 r/min，1 600 r/min，2 000 r/min，2 400 r/min和2 800 r/min。通過(guò)模擬計(jì)算得到NEDC工況下摩擦扭矩減少比例。結(jié)果表明，與5W-30機(jī)油相比，摩擦損失降低5%～7%，整車NEDC循環(huán)油耗降低1.5%。

倪偉，龐淑娟在研究可變機(jī)油泵對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)速為2 000 r/min及油溫為90 ℃時(shí)，摩擦功降低1.07%。在轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，油溫為90 ℃，平均有效壓力為0.2 MPa工況下，系統(tǒng)機(jī)油壓力每降低0.1 MPa，燃油消耗率可降低6 g/(kW·h) 。表明使用可變機(jī)油泵在降低機(jī)油壓力的同時(shí)，能夠降低整機(jī)摩擦功，降低整機(jī)對(duì)機(jī)油流量的需求，進(jìn)而降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗。

在降低摩擦方面，張敬東通過(guò)使用發(fā)電機(jī)單向離合器、優(yōu)化前端輪系布局減少惰輪的使用、降低皮帶張力等措施，優(yōu)化前端輪系的設(shè)計(jì)方案。試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后整機(jī)摩擦功降低3%～5%，NEDC循環(huán)下整車百公里油耗降低1.3%～1.5%。

梅本付等通過(guò)建立某直列3缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸動(dòng)力學(xué)仿真模型，對(duì)曲軸摩擦功影響因素進(jìn)行研究。結(jié)果表明，油溫從40 ℃—110 ℃—150 ℃變化時(shí)，曲軸摩擦功先降低后升高，在110 ℃油溫時(shí)曲軸摩擦功最低。主油道機(jī)油壓力從310 kPa升高到400 kPa時(shí)，曲軸摩擦功降低10%，且機(jī)油溫度較低時(shí)，機(jī)油壓力對(duì)曲軸摩擦功影響較大。表明發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，合理地控制發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度和機(jī)油壓力能夠降低摩擦，改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性。

1 潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合以上提高潤(rùn)滑系統(tǒng)性能、降低摩擦功的措施及以往發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)某新一代發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)時(shí)，采用高M(jìn)o含量的0W-20發(fā)動(dòng)機(jī)油降低摩擦功，具體機(jī)油參數(shù)見(jiàn)表1。配合使用全可變機(jī)油泵和機(jī)油冷卻器，對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)機(jī)油溫度進(jìn)行精確控制，并對(duì)機(jī)油壓力進(jìn)行多級(jí)調(diào)節(jié)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)部分工況時(shí)的摩擦功。

表1 0W-20機(jī)油參數(shù)

降低潤(rùn)滑系統(tǒng)對(duì)機(jī)油流量的需求能夠降低機(jī)油泵功耗，該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣采用電動(dòng)VVT，并在電動(dòng)VVT入口油道處、缸蓋液壓挺柱油道入口處、平衡軸油道入口處增加機(jī)油節(jié)流閥，在排氣凸輪軸第一軸頸增加機(jī)油密封環(huán)并取消正時(shí)鏈條冷卻噴嘴，使?jié)櫥到y(tǒng)機(jī)油需求量最優(yōu)。與以往2.0 L排量發(fā)動(dòng)機(jī)相比，機(jī)油泵最大排量降低約30%。

發(fā)動(dòng)機(jī)最關(guān)鍵的摩擦副是缸孔-活塞環(huán)，其顯著影響發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量及效率。該發(fā)動(dòng)機(jī)使用低張力活塞環(huán)，活塞裙部采用樹脂涂層降低活塞與缸套之間的摩擦損失。進(jìn)排氣凸輪軸第一軸頸采用滾動(dòng)軸承，以此降低凸輪軸滑動(dòng)摩擦損失。為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化并降低整機(jī)摩擦功，采用電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)和電子水泵，從而取消附件輪系，使整機(jī)摩擦功最優(yōu)。

潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。該潤(rùn)滑系統(tǒng)采用先濾清器后冷卻器的結(jié)構(gòu)布局，平衡軸油道位于濾清器和冷卻器之間。連桿軸承采用一拖二的結(jié)構(gòu)，第二主軸承為第一和第二連桿供油，第四主軸承為第三和第四連桿供油。缸蓋采用液壓挺柱油路和VVT油路分離設(shè)計(jì)，液壓挺柱油道入口處設(shè)置有節(jié)流閥，為確保VVT快速響應(yīng)，VVT油道入口無(wú)節(jié)流閥。

圖1 潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)試驗(yàn)

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)及測(cè)試設(shè)備

發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)試驗(yàn)需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵、活塞冷卻噴嘴、軸瓦間隙、節(jié)流閥尺寸等進(jìn)行選配，機(jī)油泵、活塞冷卻噴嘴、節(jié)流閥等均選擇極限性能件，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)最終總間隙為94.5%。測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

測(cè)試臺(tái)架采用220 kW AVL電力測(cè)功機(jī)，扭矩測(cè)量精度小于等于±0.1%FS，轉(zhuǎn)速測(cè)量精度小于等于±1 r/min。控制系統(tǒng)型號(hào)為PUMA OPEN1.5，控制精度小于等于±0.2%FS。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

首先測(cè)試了潤(rùn)滑系統(tǒng)在不同機(jī)油溫度下的機(jī)油壓力分布及機(jī)油流量，并與定排量機(jī)油泵進(jìn)行對(duì)比。測(cè)試并研究了排氣凸輪軸第一軸頸增加密封環(huán)對(duì)機(jī)油壓力和機(jī)油流量的影響。為了探究發(fā)動(dòng)機(jī)低溫狀態(tài)下的潤(rùn)滑系統(tǒng)機(jī)油流量和機(jī)油壓力，使用高黏度機(jī)油代替測(cè)試低溫時(shí)潤(rùn)滑系統(tǒng)機(jī)油壓力分布及機(jī)油流量。機(jī)油冷卻器是影響機(jī)油溫度的重要因素，測(cè)試了不同功率機(jī)油冷卻器對(duì)機(jī)油溫度的影響，包括對(duì)機(jī)油升溫速度的影響和穩(wěn)態(tài)工況下機(jī)油溫度的影響。最后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖摩擦功進(jìn)行分解測(cè)試,并對(duì)比了不同機(jī)油加注量情況下的整機(jī)倒拖摩擦功。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 潤(rùn)滑系統(tǒng)壓力及流量測(cè)試結(jié)果

由于使用全可變機(jī)油泵配合比例電磁閥，潤(rùn)滑系統(tǒng)機(jī)油壓力可進(jìn)行多級(jí)調(diào)節(jié)。圖2和圖3分別示出主油道機(jī)油溫度為125 ℃和40 ℃時(shí)不同壓力模式下的主油道機(jī)油壓力和機(jī)油流量。各轉(zhuǎn)速下在滿足潤(rùn)滑系統(tǒng)最低油壓要求的情況下，黑色陰影部分代表與采用全可變機(jī)油泵相比，定排量機(jī)油泵的機(jī)油壓力冗余，而紅色陰影部分代表采用定排量機(jī)油泵時(shí)的機(jī)油流量冗余。從圖2和圖3對(duì)比可以看出，機(jī)油溫度越低，采用定排量機(jī)油泵時(shí)的壓力和流量冗余越大。這是因?yàn)闄C(jī)油溫度較低時(shí)機(jī)油黏度更大，潤(rùn)滑系統(tǒng)機(jī)油流動(dòng)阻力大，機(jī)油泵固定排量時(shí)更易達(dá)到較高的機(jī)油壓力。此時(shí)采用變排量機(jī)油泵能夠在安全的情況下降低機(jī)油壓力，降低機(jī)油泵功耗。對(duì)于混合動(dòng)力專用發(fā)動(dòng)機(jī)而言，由于發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁啟停，與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比機(jī)油溫度較低，所以采用全可變機(jī)油泵能夠降低機(jī)油泵功耗，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率。

圖2 潤(rùn)滑系統(tǒng)壓力及流量(125 ℃)

圖3 潤(rùn)滑系統(tǒng)壓力及流量(40 ℃)

圖4示出高壓模式下，不同機(jī)油溫度時(shí)主油道機(jī)油壓力和機(jī)油流量對(duì)比。在低轉(zhuǎn)速時(shí)，機(jī)油溫度越低，機(jī)油壓力越高。在低轉(zhuǎn)速全可變機(jī)油泵未改變排量時(shí)，機(jī)油溫度90 ℃，125 ℃，140 ℃時(shí)的機(jī)油流量相當(dāng)。這是因?yàn)樵谵D(zhuǎn)速低于1 500 r/min時(shí)，為滿足潤(rùn)滑系統(tǒng)壓力，機(jī)油泵為全排量運(yùn)行，且未達(dá)到系統(tǒng)壓力上限，所以機(jī)油流量相當(dāng)。

圖4 高壓模式機(jī)油壓力及流量對(duì)比

3.2 排氣凸輪軸第一軸頸有無(wú)密封環(huán)時(shí)油壓及流量對(duì)比

圖5示出140 ℃油溫下排氣凸輪軸第一軸頸有無(wú)密封環(huán)時(shí)機(jī)油壓力和機(jī)油流量對(duì)比。凸輪軸增加密封環(huán)后，機(jī)油泵未改變排量時(shí)主油道和VVT入口油壓升高，凸輪軸有密封環(huán)時(shí)VVT入口油壓整體高于無(wú)密封環(huán)時(shí)的機(jī)油壓力。凸輪軸增加密封環(huán)后，機(jī)油流量降低，轉(zhuǎn)速在5 000～6 000 r/min區(qū)間時(shí)，機(jī)油流量降低約10%。這是因?yàn)榕艢馔馆嗇S增加密封環(huán)后，減少了系統(tǒng)對(duì)機(jī)油流量的需求，增大了潤(rùn)滑系統(tǒng)阻力，機(jī)油泵在全排量情況下工作，提高了系統(tǒng)機(jī)油壓力。

圖5 有無(wú)密封環(huán)時(shí)油壓及流量對(duì)比

3.3 不同功率機(jī)油冷卻器測(cè)試結(jié)果

為了對(duì)比不同功率機(jī)油冷卻器對(duì)機(jī)油升溫速度和冷卻液升溫速度的影響，分別使用在特定工況點(diǎn)換熱功率為6.4 kW和8.1 kW的機(jī)油冷卻器進(jìn)行試驗(yàn)，并與無(wú)機(jī)油冷卻器時(shí)的升溫速度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖6，其中0 kW代表無(wú)機(jī)油冷卻器。使用換熱功率6.4 kW和8.1 kW的機(jī)油冷卻器時(shí)，機(jī)油升溫速度和冷卻液升溫速度相近。與無(wú)機(jī)油冷卻器相比，使用換熱功率為6.4 kW的機(jī)油冷卻器能夠提高機(jī)油升溫速度，但冷卻液升溫速度降低。當(dāng)目標(biāo)溫度為80 ℃時(shí)，機(jī)油升溫速度提高9.1%，冷卻液升溫速度降低15.5%。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在熱機(jī)階段，通過(guò)機(jī)油冷卻器使用冷卻液加熱機(jī)油。

圖6 不同功率機(jī)油冷卻器升溫對(duì)比

圖7示出使用不同功率機(jī)油冷卻器時(shí)穩(wěn)態(tài)工況下油底殼機(jī)油溫度對(duì)比。在1 500 r/min和2 000 r/min常用轉(zhuǎn)速下，將冷卻液出水溫度控制在105 ℃時(shí)，相比無(wú)機(jī)油冷卻器，使用機(jī)油冷卻器能夠使油底殼機(jī)油溫度提高5～8 ℃，使機(jī)油黏度降低、摩擦功減少。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為5 000 r/min時(shí)，使用機(jī)油冷卻器能夠使油底殼機(jī)油溫度降低10～20 ℃，可防止高速高負(fù)荷時(shí)機(jī)油溫度過(guò)高，從而降低機(jī)油氧化速度。相同轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、冷卻液出水溫度時(shí)，使用6.4 kW和8.1 kW機(jī)油冷卻器時(shí)油底殼機(jī)油溫度相近。

圖7 不同功率機(jī)油冷卻器油溫對(duì)比

使用不同功率機(jī)油冷卻器，對(duì)比機(jī)油升溫速度和冷卻液升溫速度，結(jié)果見(jiàn)圖8。使用機(jī)油冷卻器能夠提高機(jī)油升溫速度，但冷卻液升溫速度降低。而機(jī)油冷卻器功率對(duì)機(jī)油升溫速度和冷卻液升溫速度影響不大。

圖8 不同功率機(jī)油冷卻器升溫速度對(duì)比

3.4 整機(jī)倒拖摩擦功試驗(yàn)結(jié)果

圖9示出機(jī)油溫度為90 ℃時(shí)該發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)平均摩擦有效壓力(FMEP)。對(duì)比以往機(jī)型，該發(fā)動(dòng)機(jī)FMEP減小約50%，且小于廣汽數(shù)據(jù)庫(kù)中所有機(jī)型的FMEP。

圖9 整機(jī)倒拖摩擦功

圖10示出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min、機(jī)油溫度90 ℃時(shí)各部分摩擦功占比。可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)各部分摩擦功中，活塞連桿倒拖摩擦功占比最大，為43.5%，其次分別是曲軸和正時(shí)配氣機(jī)構(gòu)。

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)各部分摩擦功占比

試驗(yàn)過(guò)程中，為了對(duì)比不同機(jī)油加注量對(duì)整機(jī)倒拖扭矩的影響，分別添加了3.3 L，3.8 L，4.3 L和4.8 L機(jī)油，對(duì)整機(jī)倒拖扭矩進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖11。隨著機(jī)油加注量的增加，整機(jī)倒拖扭矩增加，當(dāng)機(jī)油加注量超過(guò)3.8 L時(shí)，整機(jī)倒拖扭矩明顯增加，這是因?yàn)槠胶廨S位于油底殼中，當(dāng)機(jī)油加注量較大時(shí)，平衡軸平衡塊攪拌機(jī)油，導(dǎo)致倒拖扭矩增加，且轉(zhuǎn)速越高，機(jī)油加注量增加導(dǎo)致的倒拖扭矩增加越明顯。

圖11 不同機(jī)油加注量下的整機(jī)倒拖扭矩

4 結(jié)論

a) 與采用全可變機(jī)油泵相比，機(jī)油溫度越低，采用定排量機(jī)油泵時(shí)的壓力和流量冗余越大；

b) 排氣凸輪軸第一軸頸增加密封環(huán)后，VVT入口機(jī)油壓力提高，潤(rùn)滑系統(tǒng)機(jī)油流量需求降低，當(dāng)機(jī)油溫度為140 ℃時(shí)，機(jī)油流量需求降低10%；

c) 當(dāng)潤(rùn)滑系統(tǒng)使用機(jī)油冷卻器時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度相同的情況下，能夠使低速小負(fù)荷時(shí)的油底殼機(jī)油溫度提高5～8 ℃，使高速大負(fù)荷時(shí)的油底殼機(jī)油溫度降低10～20 ℃；

d) 在發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)階段，使用機(jī)油冷卻器能夠提高油底殼機(jī)油溫度的升溫速度，但冷卻液升溫速度降低，機(jī)油冷卻器的功率對(duì)機(jī)油升溫速度和冷卻液升溫速度影響不大；

e) 在分解摩擦功試驗(yàn)中，機(jī)油溫度90 ℃情況下，該發(fā)動(dòng)機(jī)與以往發(fā)動(dòng)機(jī)相比，F(xiàn)MEP約降低50%；在2 000 r/min時(shí)，活塞連桿FMEP占比最大，約43.5%，其次分別是曲軸和正時(shí)配氣機(jī)構(gòu)；

f) 當(dāng)平衡軸布置于油底殼中時(shí)，隨著機(jī)油加注量的增加，由于平衡塊攪動(dòng)機(jī)油，使得整機(jī)倒拖扭矩增加，當(dāng)機(jī)油加注量超過(guò)3.8 L時(shí)，倒拖扭矩顯著增加。