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CFD在发动机润滑系统整改中的应用机械网信息流

2018-02-13 22:27:53

CFD在发动机润滑系统整改中的应用

本文对基于Flowmaster软件建立的某型发动机润滑系统的一维仿真模型进行整改,模拟润滑系统在不同整改方案下的运行状态,通过对系统中机油压力和机油流量的分布状况,评估了润滑系统整改方案的可行性。

润滑系统压力分布是判断发动机润滑系统工作性能的关键参数,同时也是发动机安全监控的重要指标。如果发动机润滑系统油压过低,将会对发动机造成很大的损害,甚至会使发动机提前报废。

本文所介绍的发动机为四缸机,为了有效地提高发动机的功率,降低燃油消耗减少排放,决定在原机型基础上增加VVT技术。针对发动机的设计更改,计划采取以下两种布置方案,即:原型机润滑模型上增加VVT,保留平衡轴; 原型机润滑模型上增加VVT,取消平衡轴。

通过Flowmaster软件建立发动机润滑系统模型,分别对原机型及两种整改方案进行了计算分析,评估系统的压力和流量分布状况。为方便阐述,本文所涉及的压力均为绝对压力。

一维仿真模型的建立

本次计算发动机润滑系统的循环结构示意图如图1所示,润滑系统中主要包括了供油系统、VVT油路、主轴承及连杆系统、进排气凸轮轴、平衡轴、摇臂和活塞冷却喷嘴等部件。原发动机润滑系统中无VVT油路系统,方案一中囊括了VVT油路系统,方案二中取消平衡轴系统油路。

1. 供油系统

在发动机润滑系统中,润滑油经机油泵从油底壳抽出,该机油泵为齿轮型机油泵。齿轮式机油泵的供油量与油泵的转速成正比,但是实际供油量还受到油泵的泄露影响,为防止润滑系统中油压过高,在供油系统中设有泄压阀,开启压力为4bar(1bar=0.1MPa)。

2. 回油系统

发动机润滑系统中,润滑油经过各润滑部件最终流向发动机油底壳。在计算中均假设润滑油流经润滑部件后,进入一个压力为1bar的无限大空间。

3. 计算原理

Flowmaster流体计算软件采用节点压力网络算法,其基本思想是将内流系统抽象离散化为由节点和元件组成的网络。节点代表实际内流系统中各物理部件的进出口,而元件代表实际内流系统中的各物理部件。

计算结果

1. 计算与试验对比

为了保证数值计算的准确度,本文首先将原模型计算结果与试验结果进行对比,如图2所示。从图2中可以看出随着发动机转速的增加试验与计算的油压均不断的增加,二者的变化趋势相同,且相同转速下计算与试验所得油压差别不大,说明本论文的计算模型和模型参数的填写准确可靠。

2. 压力分布计算结果

图3、图4和图5所示为原状态及两种整改方案下,系统的油压分布状况。从计算结果来看,三种工况下系统压力并未出现明显变化:原机型系统油压最大,方案二次之,方案一系统油压最低,但是三者相差不大。

原因分析:系统中增加VVT出油口,VVT的泄油量较大对整个系统起到较大的泄压作用,故而增加VVT系统的油压降低。方案二增加VVT取消平衡轴后,相同转速下VVT的泄流能力大于平衡轴,故系统的油压也较整改前低,但高于方案一。

通常,在发动机低速空转时,系统机油压力不应低于1.5~2bar,图4显示发动机转速1000r/min时,主油道油压均在2bar左右。而且随发动机转速的提升,系统油压不断的增加,因此可以看出润滑系统油压能够满足发动机运行需求。

2. 流量分布计算结果

图6显示了三种工况下润滑系统主油道机油流量对比,从中可以看出发动机转速2000r/min以下时,三种工况系统流量相差不大;而2000r/min以上时系统流量差异较大,方案一系统机油流量最大,方案二次之,原模型机油流量最少。

原因分析:匹配该机型的泄压阀开启压力为4bar左右,从压力分布图3来看,发动机转速2000r/min左右时达到泄压阀开启压力。泄压阀开启前,系统机油流量仅与发动机转速有关,

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因此在发动机转速2000r/min以下时,三种工况系统机油流量差别不大;泄压阀开启后,因增加VVT出油口降低了系统油压,相同转速下,系统油压降低势必导致泄压阀泄流机油量减少,从而进入系统的机油量增加,正如图6所示状况。

图7显示了方案一和方案二中VVT的机油流量,从中可以看出方案二中VVT的机油流量略大于方案一,根据VVT设计要求系统的油压及机油流量均能满足VVT的设计需求。

结语

在润滑系统中增加机油润滑部件,将会降低系统的机油压力,因此在润滑系统设计中,应对润滑部件的泄流能力进行确认分析。

在发动机润滑系统设计中,CFD分析可以为润滑系统的设计提供理论依据,保证设计工作的准确可靠。此次的计算结果表明:设计的两种润滑方案均能满足发动机正常的润滑要求,设计更改未对润滑系统产生不良的影响。


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