发动机润滑系统AMESim 1维模型建立与仿真.docx

發動機潤滑系統AMESim 1維模型建立與仿真1. 前言潤滑系統主要提供發動機內部元件間 潤滑及冷卻，以避免運轉時因內部元件摩 擦而損壞，潤滑系統的組成主要有油泵、 油道等元件組成，透過潤滑系統提供正常 油壓及油量之潤滑油，得以確保發動機能 正常運轉；LMS Imagine.Lab AMESim軟體 是針對液壓系統模擬及分析之1維仿真軟 體，透過圖控式的方式來建模，可有效縮 短建模的時程，且其運算精度甚高，故利 用AMESim來完成發動機潤滑系統相關計 算，實為一有效方法2. 發動機潤滑系統簡介本文仿真對象為直列式4缸2.0L渦 輪增壓汽油發動機，發動機基本規格如表(1) 所示，其潤滑系統迴路系利用油泵將機 油從油底殼送至冷卻器及濾清器，再到平 衡軸及主油道，主油道分流至主軸頸、連 桿大端、渦輪及缸頭，至缸頭油路沿缸體 前端兩側分別送至進氣側及排氣側，並提 供進/非氣OCV閥及凸輪軸所需潤滑油， 最後回流至油底殼，依上述流程由油底殼 重新泵送至引擎各部繼續完成下一個循環 本文仿真發動機潤滑系統迴路圖如圖(1) 所示表(1)發動機基本規格Specificationf engineBoremm86Strokemm86Number of cylinder——4DisplacementC・C・1998Firing Order1-3-4-2圖(1)潤滑系統迴路圖3. 潤滑系統1維仿真模型建立 本章節主要介紹潤滑系統1維仿真模型 建構方法及步驟，建模使用工具為LMS Imagine. Lab AMESim R，發動機潤滑系 統模型包含機油泵、機油冷卻器、機油濾 清器、平衡軸、主軸承、連桿大端軸承、 活塞冷卻噴嘴、進、排氣凸輪軸及其他 (VVT、TC、張力器等)等元件，如圖(2為 本次仿真發動機潤滑系統示意圖。

AMESim 軟體中是以不同液壓元件搭配 直管、彎管、T型管等各式管路完成模型 的建立，在建立模型前需先清楚了解潤滑 油在發動機內部作動情況及各元件相對位 置及元件特徵參數，建模過程中所需幾何 尺寸可由3D模型量測得知，若有元件的 實驗數據，易可提升模型的準確性，如此 方可完成完整潤滑系統仿真模型圖(2)潤滑系統示意圖本文中仿真過程亦將熱對系統影響列為 考量因素之一，故主要使用Thermal Hydraulic Thermal Hydraulic Resist及nee Signal, Con t等元件庫進行仿真模型建立， 以下將之對潤滑系統各部建模方法進行說 明：(1)機油(oil)機油型式模型如圖(3所示，其係使用 Thermal-hydraulic fluid pre來宣告潤 滑油型式，AMESim提供常見潤滑油種列 供選擇，亦可由使用者依自訂潤滑油特性 建立特性表，再輸入模型中，本文中模型 式此用5W40之機油進行仿真，機油溫設 定為120C)Oil 5W40圖(3)機油型式AMESim模型(2) 機油泵(oil pump)機油泵為潤滑系統液壓源主要將機油 從油底殼輸送至潤滑系統各部潤滑，本文 中所使用機油泵為轉子式固定容積泵 (Volume trie pump油泵由曲軸直接驅動。

建模時利用 fixed displacement thermal hydraulic mot來完成如圖(4所示為機油泵模型圖⑸機油泵性能測試機台圖⑹機油泵性能特徵曲線機油泵模型建立時須先透過實驗取得油 泵的性能曲線圖(P-Q curve再將性能資料 利用AMESim內建Table edit建立油泵性 能特徵曲線以供建模使用如圖(5所示為 機油泵測試機台，圖(6為機油泵性能特徵 曲線圖(4)機油泵模型值圖(7)機油冷卻器等效模型圖(9)活塞冷卻噴嘴等效模型圖(10)冷卻噴嘴特徵曲線(3) 機油冷卻器(oil cooler)發動機運轉時機油溫度會上升，若不進 行油溫控制將會導致潤滑系統失效，造成 發動機損毀，故於迴路中增加冷卻器以確 保機油能在正常工作溫度範圍機油冷卻器模型，係先建立一簡易等效 模型如圖(7所示，調整模型中equivalent orifice diamefje其 輸出特徵曲線(P-Q curve與單件實測特徵曲線相符，如圖(8) 所示，此時簡易模型中直徑即為機油冷卻 器等效直徑，可做為潤滑系統模型的輸入 值圖(8)機油冷卻器特徵曲線(4)活塞冷卻噴嘴(Piston Cooling Jet)(5)主軸承(Main Bearing)主軸承功用主要支撐曲軸並承受汽缸內 爆炸壓力，其模型如圖(11所示，模型中X 端□為負荷，Y端□為受力曲軸轉角，負 荷及受力曲軸轉角可透過實驗或其他相關 分析軟體求得，本文中數據是利用AVL EXCITE 軟體計算求得，主軸承負荷計算 結果如表(2)所示，表(3)則為主軸承受力角 度(相對曲軸位置)，主軸承受力與受力角 度計算後需建立數據料庫以供仿真時查詢 計算使用。

活塞冷卻噴嘴主要在對活塞進行冷卻， 當供油壓達設定油壓，閥門開啟進行噴油 動作，完成噴油後油壓低於回位彈簧彈力 時閥門關閉冷卻噴嘴建模方式與機油冷卻器相似 首先建立簡易等效模型如圖(9)所示，調整 模型中壓力梯度使其輸出特徵曲線能與實 測數據相符如圖(10)所示，此壓力梯度即 為等效值，可做為潤滑系統模型的輸入圖(11)主軸承模型表(2)主軸承負荷Eftfiirr： SfwJ 〔E)Rm■亦0①MB1MBSMB3MB4MB5IM8919.5■矽』941D596EEL■,.?-.l:?■■.■'.：■:-：..!131321一;亠j.■■„401113KS51TTT4312736」172S7.61.3112J53C01123717717210555^亦観g11珈.防工i9®S51603U9830.7iasi.31^16j表(3)主軸承受力角度Edeiix：speedCrank anagk 他g)MEI1 It!MB4Ill 一1000331.22312151.215143JOO.336.2335A136.2［磁J3623000■3l0.fi■：■1611605■WOfi\":J■■■-:!：■ ■■l> ::■■■:■■-.:5■-!：■ .2l> ::■■■:■■■■■:■- ■<■- :.i:.'..-1J「：(6)連桿大端軸承(Con-rod Bearing)連桿系將汽缸爆炸壓力傳遞至曲軸，大 端軸承透過曲軸內部油道進行潤滑以確保 正常作動。

其模型如圖(12所示，模型中X端口為 負荷，Y端□為受力曲軸轉角，負荷及受 力曲軸轉角可透過實驗或其他相關分析軟 體求得，本文中數據是利用AVL EXCITE 軟體計算求得，連桿大端軸承負荷計算結 果如表(4)所示，表(5)則為軸承受力角度 (相對曲軸位置)，軸承受力與受力角度計 算後需建立數據料庫以供仿真時查詢計算 使用拐軸用以連接曲軸頸及曲軸銷，內部鑽 有油孔以供應連桿大端軸承機油，建模時 需使用旋轉油管完成建模，圖(13)為拐軸 仿真模型連桿大端軸承與主軸承模型差異在於供 油方式差異，連桿大端軸承機油由軸頸內 往外供油，而主軸承是由外部油道往軸頸 處供油建模時需使用正確模型圖(12)連桿大端軸承模型表(4)連桿大端軸承負荷Engine stsedFoieoe (N)CBlCB2CI3二 digLBQ3L.5IT3I..L|莎|..「230022834.623834 j622834.622834J&■-J.026917.72593342593342268(1633:山：勿」：/Jr.JjrIP19955IMTlQ='.'r表(5)連桿大端軸承受力角度Engine speedCrank aragle (deg)CBl|：：LCZ：41LUJ321.215122'：0?図二1562J35.2"胪M0j6lu'f160l6.-D.r■KO?3122LC2216&6Jd 2.2500034 L8丨讥:61^■m-i1"：?'：.：■；(7)進/排氣凸輪軸進/排氣凸輪軸主要用來開啟進/排氣 門，凸輪軸上有5個軸頸，每個軸頸皆由 缸頭油道提供機油進行潤滑，圖(14)為凸圖(14)進/排氣凸輪軸頸模型發動機潤滑系統建模及利用上述等元件 組合而成，搭配元件特性資料及實驗結果 完成建模，以本文為例，最終為成潤滑系統模型如圖(15)所示。

由圖中可發現，發動機轉速2000rpm 之後 仿真結果較實測結果高(兩者相差約0.96 Bar(@5600rpm)此部分之差異可以上述微 調之方式以獲得改善)■ * 4 ・ @ >j.j_! i— - < .圖(15)潤滑系統AMESim仿真模型4. 模型仿真與驗證圖(18)第五軸頸供油壓缸頭排氣側油壓分布狀況如圖(19)所示 結果顯示仿真結果與實側結果相似仿真模型的可靠性需由實驗結果來驗證 本章節主要針對潤滑系統仿真結果與實際 測試結果差異進行說明 4.1油壓及油量結果說明圖(16)所示為機油泵出口壓力比較圖，由圖可發現仿真結果與實側結果相似Ci Pkimp Outlrt{Pl|--y• ■ ♦icm 2000 3.™ 4xa socoEn^nd GpKd |rpm|圖( 16)機油泵出口壓力Cylinder Head Eiilhaufl Eide〔P町圖(19)缸頭排氣側油壓圖(20)、(21)為流量仿真與實測結果，由 結果可發現oil cool處流量差異較大，此 部分差異同主油道壓力及第五軸頸壓力微 調方式進行，而渦輪供油量仿真與實測結 果相近主油道油壓分布狀況如圖(17)所示，發 動機轉速2000 rpmz後仿真結果較實測結 果高，兩者相差約o.91 Bar(@5600rpm)此 部分之差異可以微調各轉速下機油泵出口 至主油道之管路流阻以獲得改善。

En 一也站』舟匸匚gIM CSI Fl&w Rmtl 2CKCJ 3 DOO 4OXJ SCOO SDOOEng,lna spNd {rp^ml胡曷iin Galltfry Presiurtf- (PClIL)mm 0 4 PH 0圖(20) oil coo流el圖( 17)主油道壓力第五軸頸供油壓分布狀況如圖(18)所示Turb口 ail Feed Flew iRateE^glrw 聊丹 |rpm)圖(21)渦輪供油量由上述結果可發現仿真模型與實測結果 再某些觀測點壓力分佈仍有些差異，但基 本上其變化趨勢是正確的，這表示仿真結 果仍有某種程度上參。