发动机电动预供机油泵的开发研究.docx

中国内燃机学会燃烧节能净化分会2014年学术年会CSICE2014-027发动机电动预供机油泵的开发研究侯升1，侯伟放2（1．玉柴机器股份有限公司，广西 玉林 537005； 2．广西有色金属集团汇元锰业有限责任公司，广西 来宾 546138）摘要：根据混合动力发动机经常需要起动的使用特点，需要在发动机上设计一套电动预供机油泵系统，目的是在发动机起动前， 预先给发动机提供一定压力的机油，以使发动机起动时各运动部件都得到可靠的润滑本文介绍了发动机电动预供机油泵的开 发过程，首先利用 CAE 仿真软件建立模型，对润滑系统进行一维模拟计算，得到电动预供机油泵相关参数然后通过实测验证， 用一套可变流量机油泵系统进行模拟试验，测出需要开发的电动预供机油泵的实际供油量，并与 CAE 计算结果进行校核，最终 确定电动预供机油泵的性能参数为：在机油温度 80℃，机油压力 100KPa 时，电动预供机油泵流量为 24.5L/min关键词：发动机； 电动预供机油泵；匹配发动机电动预供机油泵（简称预供油泵，下同）的作用是在发动机起动前，预先给发动机提供一定压 力一定流量的机油，以使发动机起动时各运动部件都 得到可靠的润滑。

在混合动力发动机，大型船电类发 动机或需要经常起动的发动机，一般都需要匹配预供 油泵系统本文主要探讨预供油泵的开发过程，为其 它预供油泵的开发提供参考预供油泵系统一般是从油底壳吸取机油，机油经 预供油泵加压后，流到机油滤清器前端，经机油滤清 器过滤后，机油流入主油道，后从主油道流到各润滑 点，最后流回油底壳形成完整的循环回路在发动机 运转时预供油泵是不工作的，发动机靠自身机油泵供 油润滑；在发动机暂时停止运转时，预供油泵根据需 要开始供油本次开发的预供油泵是匹配玉柴 YC6J170-31（ J0300）混合动力柴油机，此机型主要配套新能源后 置客车系统，发动机主要技术参数见表 1表 1 发动机主要技术参数机润滑系统基础上，附加一套预供油泵系统，以便在发动机暂时停止运转时，有安全的起动油压，以 保证发动机有可靠的润滑本文重点介绍了预供油泵的开发过程，首先利 用 CAE 仿真软件，根据润滑系统各零部件的图纸尺 寸和技术条件建立润滑系统计算模型，通过 CAE 仿 真计算得到预供油泵的温度，压力，流量等相关参 数然后利用一套可变流量机油泵系统在相关发动 机上进行模拟实测验证，测出预供油泵的实际温度，压力，流量等相关参数，并与 CAE 仿真计算结果 相互校核，最终确定需要开发的预供油泵的性能参 数，为样泵的试制提供依据。

1预供油泵的 CAE 仿真计算1.1计算模型CAE 仿真分析采用的分析软件是一维流体仿真分析软件 FLOWMATER，计算模型是根据发动机润滑系统各零部件实际尺寸建立润滑系统一维模型，模型 真实反映了发动机润滑系统各零部件润滑节点和机 油管路分布状态本次 CAE 仿真分析主要考虑的零部件有凸轮轴 轴承，曲轴主轴承，连杆轴承，摇臂轴承，活塞冷 却喷钩，增压器等消耗机油较多的零部件的润滑 模型忽略了燃油泵、气泵、齿轮系统等消耗机油较 少的零部件的润滑润滑系统计算模型的管网图如 图 1 所示根据混合动力后置客车运行特点，此款混合动力发动机需要经常暂停和起动，所以需要在原发动176名称单位参数机 型YC6J170-31气缸数6缸径×行程mm105×125排量L6.494标定功率/转速kW/(r/min)147/2500最大扭矩/转速Nm/(r/min)730/1400～1600最高空车转速r/min2800中国内燃机学会燃烧节能净化分会2014年学术年会CSICE2014-027V-流体速度，单位 m/s，计算得 1.167m/s按上述公式分别计算得机油冷却器和机油滤清 器的流阻系数为 3.6 和 113。

1.3.2 活塞冷却喷钩的流阻系数根据发动机润滑系统活塞冷却喷钩图纸尺寸和 技术要求，根据公式 1 计算得出活塞冷却喷嘴的阻 力系数为 351.3.3 轴承间隙及轴承载荷轴承载荷为估计值，发动机静止时，给轴承载 荷 10N，各轴承转速 10rpm；发动机怠速时，各主轴 承及连杆轴承载荷取 2500N，轴承间隙根据图纸的尺 寸及装配技术条件计算得出1．4 CAE 计算结果润滑油温度分别按：80℃，85℃，90℃设置； 主油道静态压力按 1.0bar；怠速主油道机油压力按 1.5bar利用 CAE 仿真软件,分别模拟计算出预供油 泵机油流量数值，结果如表 2 所示：表 2 系统所需机油流量值：图 1 一维润滑系统模型图（部分）1．2 设置系统参数模型中各管路的压力损失，大小取决于流体类型、温度、流量、管路的结构以及粗糙度本计算为稳 态计算，其系统参数包括：润滑油牌号：15W/40； 润滑油温度：80℃，85℃，90℃； 曲轴箱压力：1bar；怠速转速：按 650r/min 估算； 静态转速：按 10 r/min 进行估算1．5 小结根据以上 CAE 计算结果，不同的机油温度不同的机 油压力对应着不同的机油流量。

在发动机静态下，当机 油温度 80℃，机油压力 1.0bar 时，预供油泵所需的机 油流量为 17L/min2试验验证31．3 设置系统零部件参数1.3.1 机油冷却器和机油滤清器流阻系数由于 CAE 仿真计算没有考虑到燃油泵、气泵、齿轮系及其它消耗机油较少的零部件的润滑，同时静态压力 计算也超出软件的使用范围，而预供油泵正是在发动机 静态下工作的，故很有必要进行实测验证，以校核 CAE 仿真计算的准确性，并最终确定预供油泵的相关参数， 为样泵的试制工作提供准确的参数在预供油泵没有进行试制之前，如何测出预供油泵 的流量参数呢？我们自制了一套可变流量机油泵系统 进行模拟试验，目的是利用可变流量机油泵来调节机油 流量，测出润滑系统在某一温度，某一压力下所需要的 机油流量，从而测出预供油泵的供油参数2.1 试验系统原理系统原理图如下图 2 所示，虚线方框即是可变流量 机油泵系统，此系统外接在发动机上发动机机油冷却器和机油滤清器集成一体，根据机油冷却器和机油滤清器图纸尺寸和技术要求，在机 油流量为 22L/min时，机油冷却器和机油滤清器压降 分别不大于 2kpa和 63kpa，流通内孔半径为 10mm，流 通截面积为 314mm2，机油冷却器和机油滤清器的阻力 系数k按下列公式推算：k = 2DP 式 1rV 2k-液体阻力系数；△P-机油压降，单位 Pa；r -机油密度，这里取 818.8395kg/m3；177增压器活塞冷却喷钩连杆轴承摇臂轴承主轴承凸轮轴承T/℃静态 Q/(L/min)怠速 Q/(L/min)801725851826901927中国内燃机学会燃烧节能净化分会2014年学术年会CSICE2014-027变频器流量计电动机油泵主油道 机油滤清器 机油冷却器 机油泵油底壳吸油盘图 2 系统原理图系统工作原理如下：当发动机正常运转时，发 动机依靠自身机油泵正常供油，机油循环路径为油 底壳-机油泵-机油冷却器-机油滤清器-主油道-各 润滑表面-油底壳。

当发动机暂时停机时，切换到外 接的可变流量机油泵系统进行供油，此时机油循环 路径为油底壳-电动机油泵-流量计-机油滤清器-主 油道-各润滑表面-油底壳从系统原理图可以看出，当调整变频器的频率，即可调整电动机油泵的转速，从而调整机油泵的 压力流量值利用这样一套系统，我们可以很方便 地测出发动机润滑系统在某一温度，某一压力下， 发动机静态时所需要的机油流量值，从而测出预供 油泵的流量特性参数2.2 试验系统准备试验系统如下图 3 所示，发动机安装在试验台 架上并与测功机相连接，可变流量机油泵系统与发 动机进行外部连接，可变流量机油泵系统由变频器 1，电动机油泵 2，机油流量计 3 及相关的连接管路等 组成在试验过程中，当发动机运转时，外接的可变 流量机油泵系统不工作，当发动机暂停时，外接的 可变流量机油泵系统开始供油通过此套试验系统，我们可以方便地测出发动机静态时，预供油泵的 温度-压力-流量等相关参数图 3 试验系统实物图2.3 试验过程整个试验过程模拟发动机在客车上的使用情况进 行，首先起动发动机，发动机按中等负荷转速运行,当 机油温度到达某个试验值时，停下发动机，切换上外接 的可变流量机油泵系统进行供油，测出此时的机油温度-压力-流量等相关参数。

2.3.1 曲轴转角与供油量关系试验考虑到曲轴转角可能对预供油流量产生的影响，首 先进行了曲轴转角与供油量关系试验，在机油温度 50℃，机油压力 100KPa 状态下，不同的曲轴转角对应的 机油泵流量的实测数据如下表 3 所示：表 3 曲轴转角与供油量关系小结：从以上数据可以看出，不同的曲轴转角对应不同的预供油泵机油流量,其中最大流量的曲轴转角为 45°为了满足发动机润滑系统的要求，应取最大流量 的曲轴转角作为测量预供油泵流量的依据2.3.2 预供油泵供油量试验试验在发动机静态下进行，先起动发动机，当机油 温度到达试验温度时，停下发动机，用外接的预供油泵 系统进行供油，测量在 45°曲轴转角下不同温度不同 压力下对应的预供油泵流量，具体数据见下表 4178θ/ (°)V/(L/min)V/(°)V/(L/min)01522514.54516.627014.59015.731514.813514.636015.118015中国内燃机学会燃烧节能净化分会2014年学术年会CSICE2014-027表 4 供油量试验参 考 文 献[1]杨连生，内燃机设计，北京，机械工业出板社，1981[2] Flowmater Intenertion L td CompanyReference Help 2002Flowmater从试验结果看出，相同机油温度下，随着机油压力升高，机油流量几乎正比例增大。

机油温度-压 力-流量关系曲线如下图 4 所示：流量 L/min压力 kPa图 4 温度-压力-流量关系2.4 试验结果试验结果表明，不同的机油温度，不同的机油 压力对应不同的预供油泵流量，当机油温度 80°C，机油压力 100KPa 时，对应的预供油泵流量为23.5L/min3 对比结果分析在机油温度 80℃，静态压力 1.0bar 时，CAE 仿真计算预供油泵机油流量为 17L/min，而实际测 试结果，预供油泵机油流量为 23.5L/min，分析认 为，由于 CAE 仿真模型中未考虑燃油泵、气泵等 消耗机油较少的零部件的润滑，故 CAE 仿真计算 比实测结果偏小，模型及计算有待进一步完善4 总结论根据 CAE 仿真计算和模拟测量结果，此款发动 机的预供油泵最终确定的性能参数为：在 80℃机油 温度下，机油压力为 100KPa 时，电动预供机油泵流 量为 24.5L/min179P/ (kPa)V/(L/min)/ 50°CV/(L/min)/ 60°CV/(L/min)/ 70°CV/(L/min)/ 80°C10014.31821.723.5。