柴油機(jī)機(jī)油冷卻濾清模塊的優(yōu)化設(shè)計

崔永，郭瑞，申加偉，成敬敏

(1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061)

0 前言

內(nèi)燃機(jī)的節(jié)能降耗一直是汽車行業(yè)追求的目標(biāo)[1-2]。在“2020中國汽車工程學(xué)會年會暨展覽會(SAECCE 2020)”期間，《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》正式發(fā)布。其中，在商用車領(lǐng)域，預(yù)計到2035年，載貨汽車機(jī)油耗率較2010年下降15%～20%，客車機(jī)油耗率較2019年下降20%～25%。不同黏度的機(jī)油在機(jī)械損失及機(jī)油耗率方面都有不同的表現(xiàn)[3-4]。在歐美市場，已有眾多原始設(shè)備制造商(OEM)使用黏度級別為0W-20的機(jī)油[5]，甚至在此基礎(chǔ)上，研發(fā)出一系列專用機(jī)油；在亞洲市場，日本已經(jīng)開始使用16級甚至8級機(jī)油[6]。斯特里貝克曲線理論[7]是業(yè)內(nèi)廣泛熟知的摩擦理論，其清晰表征了發(fā)動機(jī)各系統(tǒng)潤滑狀態(tài)變化過程和摩擦因數(shù)的變化規(guī)律。機(jī)油黏度較大時，油膜厚度和強(qiáng)度都較好，但摩擦因數(shù)和能耗也會增加；機(jī)油黏度較低時，油膜的強(qiáng)度下降，在柴油機(jī)高速、高負(fù)荷運轉(zhuǎn)下油膜易破裂，摩擦表面磨損加劇。因此，在較寬的工況范圍內(nèi)保證機(jī)油黏度，同時兼顧低能耗和高可靠性，已成為柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)的研究方向之一[8]。

本文在對柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)尤其是機(jī)油黏度與溫度關(guān)系分析的基礎(chǔ)上，在機(jī)油冷卻濾清模塊上集成機(jī)油節(jié)溫器，其目的是：① 提高柴油機(jī)在低速、低負(fù)荷區(qū)域的機(jī)油溫度，降低機(jī)油黏度，減小摩擦損失，優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)部流動阻力，降低機(jī)油泵泵送功率；② 保證柴油機(jī)在高速、高負(fù)荷區(qū)域的機(jī)油及時冷卻，提高機(jī)油黏度以保證潤滑可靠性。

1 設(shè)計方案

本文使用的機(jī)油冷卻濾清模塊采用了先濾清器、后冷卻器的布置方式，通過在濾清器后、冷卻器前集成布置機(jī)油節(jié)溫器實現(xiàn)對機(jī)油冷卻濾清模塊的優(yōu)化，整體設(shè)計方案如圖1所示。機(jī)油冷卻濾清模塊有濾后出口和出油口。機(jī)油冷卻器和機(jī)油節(jié)溫器并聯(lián)在濾后出口和出油口之間，濾后出口、機(jī)油冷卻器和出油口形成常開回路。濾后出口、機(jī)油節(jié)溫器和出油口形成可調(diào)節(jié)回路，如圖2所示。

圖1 機(jī)油冷卻濾清模塊優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)對比

圖2 集成了機(jī)油節(jié)溫器的機(jī)油冷卻濾清模塊結(jié)構(gòu)

不同狀態(tài)下機(jī)油節(jié)溫器的工作原理如圖3所示。機(jī)油溫度較低、閥門處于關(guān)閉狀態(tài)時，機(jī)油節(jié)溫器蠟包無法膨脹，閥門和閥座間存在較大間隙，沿程阻力系數(shù)較低，所形成的油道為旁通油道；機(jī)油冷卻器內(nèi)部布置有提高換熱性能的翅片，具有較高的沿程阻力系數(shù)，所形成的油道為冷卻油道。機(jī)油冷卻器和機(jī)油節(jié)溫器并聯(lián)，濾后機(jī)油大部分通過旁通油道到達(dá)出油口，隨后進(jìn)入主油道參與摩擦副潤滑，即相當(dāng)于旁通油道短接了機(jī)油冷卻器，從而避免了過多機(jī)油參與油-水熱交換過程，使油溫保持在高位。同時，機(jī)油冷卻器流動阻力因流量減少而大幅降低，反映為機(jī)油泵出口壓力的降低。

圖3 不同狀態(tài)下機(jī)油節(jié)溫器的工作原理圖

潤滑系統(tǒng)為柴油機(jī)整機(jī)提供安全服務(wù)保障，其中機(jī)油冷卻器的設(shè)計非常重要，這決定了柴油機(jī)低速、低負(fù)荷工況區(qū)域的大小。例如，起重機(jī)和攪拌車等工程專用車在吊裝或攪拌工況下，發(fā)動機(jī)85%以上時間處于萬有特性曲線左下角區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷都很低，機(jī)油從活塞內(nèi)冷油道和軸承摩擦等渠道獲取的熱量有限，因此無需通過油-水熱交換降溫。

油溫升高時，機(jī)油節(jié)溫器蠟包受熱相變，膨脹后閥門逐漸打開。在此過程中，旁通油道分配的油流量逐漸降低，而冷卻油道的油流量逐步加大。

油溫較高時，機(jī)油節(jié)溫器閥門全開，旁通油道完全關(guān)閉，全部油流參與油-水熱交換，因此機(jī)油得以冷卻，油溫得到控制。與使用更低黏度機(jī)油相比，在熱量來源一致、機(jī)油溫度相同的情況下，選用黏度等級相對較高的機(jī)油，柴油機(jī)工作時產(chǎn)生的油膜更厚，潤滑效果更好。機(jī)油節(jié)溫器啟閉狀態(tài)下機(jī)油冷卻濾清模塊的油流方向如圖4所示。

圖4 機(jī)油冷卻濾清模塊的油流方向

2 CFD仿真分析

機(jī)油節(jié)溫器閥門設(shè)計初開溫度為105 ℃，全開溫度為115 ℃，全開升程為11 mm。為探測不同工況下機(jī)油節(jié)溫器的進(jìn)出口壓降、機(jī)油流量分配及流速分布情況，進(jìn)行了CFD仿真分析，結(jié)果見表1。從表1可知，機(jī)油溫度越低，旁通油道的機(jī)油流量占比越大。為了提升旁通油道流量占比，工況5和工況6增加了機(jī)油冷卻器流動阻力設(shè)計，流動阻力分別增加20%和30%。兩路流體域的壓力分布及流速分布仿真見圖5和圖6。

表1 不同工況下機(jī)油節(jié)溫器進(jìn)出口壓降及機(jī)油流量分配

圖5 兩路流體域的壓力分布仿真

圖6 兩路流體域的流速分布仿真

當(dāng)機(jī)油溫度為30 ℃時，模擬原地室溫啟動發(fā)動機(jī)，此時流經(jīng)旁通油道的機(jī)油流量占比約為83%，即僅有17%左右的機(jī)油流經(jīng)機(jī)油冷卻器；相比旁通油道，冷卻油道的機(jī)油流速極低。當(dāng)機(jī)油溫度為100 ℃時，機(jī)油節(jié)溫器初開溫度前流經(jīng)旁通油道的機(jī)油流量占比已降至51%，即約有49%的機(jī)油流經(jīng)機(jī)油冷卻器，可以有效地控制機(jī)油溫度，使冷卻油道流速與旁通油道流速基本相當(dāng)。當(dāng)機(jī)油溫度為110 ℃時，機(jī)油節(jié)溫器半開時的混合循環(huán)狀態(tài)下流經(jīng)旁通油道的機(jī)油流量占比約為43%，即接近60%的機(jī)油參與油-水熱交換，抑制了油溫的上升，冷卻油道的流速略高于旁通油道。當(dāng)機(jī)油溫度為120 ℃時，機(jī)油節(jié)溫器完全關(guān)閉時全部機(jī)油流經(jīng)機(jī)油冷卻器，旁通油道流量為零，設(shè)計上等效于集成機(jī)油節(jié)溫器前的機(jī)油模塊。

機(jī)油冷卻器翅片為多孔開窗結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的流動阻力對黏度的敏感性極高。通過優(yōu)化翅片開窗規(guī)格及密度等方式提升機(jī)油冷卻器流動阻力，可實現(xiàn)機(jī)油冷卻器關(guān)閉時分配效果的進(jìn)一步提升，但效果不太明顯。所以仍采用原有機(jī)油冷卻器方案。

3 試驗驗證

3.1 零部件測試驗證

以機(jī)油模塊總成流動阻力為指標(biāo)，快速成型樣件，在機(jī)油體積流量為110 L/min的條件下，分析優(yōu)化方案在降低流動阻力方面的效果，結(jié)果見表2?；诠ぱb的便捷性，測試環(huán)節(jié)所用流動阻力指標(biāo)是指整個機(jī)油模塊進(jìn)油口與出油口間的壓力損失，主要包括機(jī)油濾清器前后端流動阻力、機(jī)油冷卻器前后端流動阻力及中間管道流動阻力，而CFD仿真中的進(jìn)出油口流動阻力專指機(jī)油冷卻器前后端流動阻力，且這正是優(yōu)化前后的差異部分，因此用機(jī)油模塊總成流動阻力差異可以評估優(yōu)化效果。由表2可知，優(yōu)化結(jié)果與CFD仿真趨勢基本吻合。

表2 機(jī)油模塊優(yōu)化前后流動阻力對比

機(jī)油泵泵送功率可用實際供油量和機(jī)油泵出口壓力的乘積表示。機(jī)油溫度30 ℃時機(jī)油模塊流動阻力由498 kPa降至290 kPa。機(jī)油泵泵送功率預(yù)計下降22%(假設(shè)流量不變、主油道油壓450 kPa為邊界，估算機(jī)油泵出口壓力分別為950 kPa與740 kPa)。機(jī)油溫度100 ℃時機(jī)油模塊流動阻力由204 kPa降至169 kPa，降幅較大。機(jī)油溫度110 ℃時優(yōu)化前后的機(jī)油模塊流動阻力基本相近，結(jié)合機(jī)油節(jié)溫器零部件開啟特性曲線分析認(rèn)為，機(jī)油溫度110 ℃對應(yīng)升程比較接近于全開升程，即閥門和閥座間的間隙較小。機(jī)油溫度115 ℃時優(yōu)化結(jié)果對機(jī)油模塊流動阻力無影響，全部機(jī)油流經(jīng)機(jī)油冷卻器，邊界條件完全一致。

3.2 臺架試驗驗證

優(yōu)化前后兩種結(jié)構(gòu)在典型工況下的機(jī)油溫度及機(jī)油耗率差異如圖7所示。由圖7可知，隨著機(jī)油溫度升高、機(jī)油耗率與負(fù)荷率強(qiáng)相關(guān)。優(yōu)化后在低扭矩區(qū)機(jī)油耗率降低1.8 g/(kW·h)左右，在中扭矩區(qū)機(jī)油耗率降低0.1～0.5 g/(kW·h)，在高扭矩區(qū)機(jī)油耗率基本持平；優(yōu)化后在低扭矩區(qū)機(jī)油溫度提升1.8 ℃左右，在中扭矩區(qū)機(jī)油溫度提升4.0 ℃左右，在高扭矩區(qū)機(jī)油溫度提升5.0 ℃以上。分析原因主要為：負(fù)荷率越高，通過燃燒室和軸承傳遞給機(jī)油的熱量越高；機(jī)油溫度越高，同等溫差帶來的黏度絕對差值逐漸減小，對潤滑效果影響不明顯；在低負(fù)荷區(qū)，雖然溫度差異相對不明顯，但是黏度的絕對差值相對較大，對摩擦功及機(jī)油耗率的影響較大。該結(jié)論對于指導(dǎo)機(jī)油節(jié)溫器的選用具有參考價值，如起重機(jī)等長期運行在低負(fù)荷區(qū)的專用車適宜采用該優(yōu)化方案，而持續(xù)大功率輸出動力的發(fā)電機(jī)等由于閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，優(yōu)化效果不明顯。

圖7 典型工況優(yōu)化前后機(jī)油耗率及機(jī)油溫度對比

3.3 行車試驗驗證

在應(yīng)用優(yōu)化方案前后，起重機(jī)配套發(fā)動機(jī)的機(jī)油溫度統(tǒng)計結(jié)果如圖8所示。在運行工況相似的情況下，使用優(yōu)化后的機(jī)油節(jié)溫器，機(jī)油溫度分布范圍約提升8 K；由于起重機(jī)負(fù)荷率偏低，機(jī)油節(jié)溫器的初開溫度有繼續(xù)優(yōu)化調(diào)整的空間，可以進(jìn)一步提升機(jī)油溫度及減摩降耗效果。

圖8 優(yōu)化前后路試車輛機(jī)油溫度分布占比統(tǒng)計

4 結(jié)論

基于熱管理和可靠性差異化需求，設(shè)計開發(fā)了一款集成機(jī)油節(jié)溫器的柴油機(jī)機(jī)油冷卻濾清模塊，通過CFD仿真和快速成型樣件驗證了該優(yōu)化設(shè)計的效果，并進(jìn)行了臺架及整車端測試，得出以下結(jié)論。

(1)基于熱管理差異化需求，理論上可以通過機(jī)油節(jié)溫器有效調(diào)控機(jī)油溫度，即在低速、低負(fù)荷工況區(qū)提升機(jī)油溫度實現(xiàn)較低的摩擦損失及泵送功率，在高速、高負(fù)荷工況區(qū)機(jī)油充分參與油-水熱交換，保證了柴油機(jī)的可靠性。

(2)臺架功能試驗驗證了機(jī)油節(jié)溫器的節(jié)油效果，得出機(jī)油耗率與負(fù)荷率強(qiáng)相關(guān)的結(jié)論，其中低負(fù)荷區(qū)機(jī)油耗率降低約2.0 g/(kW·h)，基于此建議對照路譜分布合理配置機(jī)油節(jié)溫器。

(3)通過行車試驗證明，在起重機(jī)等工程專用車上，使用優(yōu)化后的機(jī)油節(jié)溫器可使機(jī)油溫度提升約8 K，并具有進(jìn)一步的優(yōu)化空間。