新型机油流量优化凸轮喷淋润滑器的开发

【日】 Y.Hikita M.Kawahara N.Noguchi



零部件

新型机油流量优化凸轮喷淋润滑器的开发

【日】 Y.Hikita M.Kawahara N.Noguchi

发动机的凸轮轴驱动进排气门往复运动。“凸轮喷淋润滑器”是向凸轮轴上各个凸轮提供机油的装置。常规的凸轮喷淋润滑器带有几个相同尺寸出油口的油管，出油口负责向每个凸轮提供机油。来自气缸盖的机油通过喷淋润滑器油管中点位置供油。靠近供油点的出口机油流量大，远离供油点的出口机油流量小，每一出口的机油流量分布不均匀。开发了一种新的凸轮喷淋润滑器，具有2个特征：(1) 将机油通道分为几个支流，形状类似多角状仙人掌；(2) 凸轮轴轴颈中的通孔使气缸盖向凸轮喷淋润滑器的供油具有间歇性。新的凸轮喷淋润滑器可将机油非常均匀地提供给各个凸轮，减少了机油浪费，凸轮喷淋润滑器的机油总流量可大幅减小90%。由此可以设定较小的发动机机油泵出口机油流量，机油泵的驱动转矩减小，最终降低发动机燃油消耗量。

机油流量优化 凸轮喷淋润滑器

0 前言

近年来，石油价格受各方面因素影响并不稳定，从环境角度而言，需降低CO2排放。在此环境下，需要逐年减少车用发动机的燃油消耗量，降低发动机各零部件的摩擦损失，需要发动机机油泵高效地为发动机各个零部件提供润滑机油。

发动机中的机油流量测量结果如图1所示。可变配气机构大都采用液压装置，因此，即使发动机转速低于2000r/min，配气机构也需要一定量的机油润滑。在这种发动机中，采用可变流量机油泵，可以保证发动机在低速工况下的机油流量和油压。

采用专用的机油流量传感器，测量发动机机油流量的具体分布[1]。通过观察机油流动[2]、测量滑动表面的温度和数值分析，研究曲轴轴承附近机油流量的优化。本文重点研究凸轮轴附近机油流量的优化，减少凸轮喷淋润滑器的机油浪费。

通过优化各个零部件的机油流量，可减少发动机所用的机油流量总量，因此，可减少机油泵的出口油量。在某些情况下，可采用可变油量机油泵。

1 传统凸轮润滑装置的机油流动验证

在凸轮轴机油流动优化之前，通过透明的气缸盖罩可视化研究，验证传统的凸轮轴机油流动。采用1台直列4缸、2.0L排量的发动机进行拖动试验，发动机仅安装了配气机构，未安装曲轴和活塞连杆组。

图2示出装有透明气缸盖罩的配气机构试验台架。通过电机和正时链驱动进排气凸轮轴运转。将机油油压调节为发动机油压，供给到气缸盖。

发动机转速在1000r/min及其以上时，凸轮轴旋转使机油大量撒向透明罩，所以并未清晰地观察到罩内情况。此外，只进行了简单的可视化研究。常规的凸轮喷淋润滑器为简单的管状结构，几个相同尺寸的出油口对应每个凸轮进行供油(图3)。来自气缸盖的机油在凸轮喷淋润滑器供油管前端中央供油，机油沿着路径流动，到达排气侧的8个出油口。进气侧也有8个相同布置在排气侧的出油口。为易于观察机油流量分布，将机油油压调节为发动机油压，直接供给凸轮喷淋润滑器。

图4示出机油温度25 ℃和供油压力400kPa的可视化研究结果。供油点附近的出口机油流量大，远离供油点的出口机油流量小。但这种传统凸轮喷淋润滑器调整了远端出油口的供油量，可以满足每个凸轮的润滑要求。供油点附近的出口机油流量过大而造成浪费，因此，必须减小这部分机油流量。

2 新式凸轮喷淋润滑器设计

为减少机油浪费，研究了凸轮喷淋润滑器的新设计，如图5所示。新开发的凸轮喷淋润滑器为板状结构，装于凸轮轴承座的凸轮盖之上。为在二维平面上形成可弯曲的油道，将预先开槽的平板折叠压制成形。此外，为防止相对板之间机油泄漏，采用卷圆压力机在几十个点上进行折压。2块相对的预先开槽平板形成油道。

图5仅示出了排气侧的油道。来自气缸盖的机油在发动机前端和后端之间的中点供油。新开发的凸轮喷淋润滑器有2个设计思路：(1) 将油流均匀分配到8个出口；(2) 研究减少机油总流量的方法。

2.1 凸轮喷淋润滑器内的油道设计

如图6所示，研究分析了3种油道设计方案。为防止杂质颗粒堵塞油道，每1种油道的截面积均大于1mm2。图6(a)中示出有8个出口的简单宽直型油道，类似于常规凸轮喷淋润滑器，预计机油流量分布不均匀。图6(b)示出逐步分叉的二分支型油道，预计各个出油口的机油流量分布均匀。图6(c)示出包含宽通道和窄通道的多角仙人掌型油道，预计各个出油口的机油流量均匀分布。通过计算流体力学(CFD)分析，研究了上述3种型式的设计，对比结果示于图7。在CFD分析条件中，机油温度设定为 25 ℃，机油黏度为0.063Pa·s，供油压力为25kPa。从发动机前端到后端，出口位置由A-H表示。

如图7所示，二分支型和多角仙人掌型油道都可以均匀分配油量。所开发的凸轮喷淋润滑器由预先开槽的板折叠构成，油道形成与密封能力密切相关。在凸轮喷淋润滑器板上的几十个点上进行卷边压接，从而获得密封能力。卷边压接需要一些空间，尤其是在机油通道之间。通过产品的工程试验，新式凸轮喷淋润滑器选择了多角仙人掌型的油道设计。

2.2 凸轮喷淋润滑器出油口设计

凸轮喷淋润滑器出油口初始设计示于图8。预先开槽的上板和下板被卷边压接成形，油道末端和出油口相连接。采用这种初始设计的出油口后，对机油流动方向进行了可视化研究(图9)。结果表明，由于机油穿过内部油道末端时的流动惯性，出油口的机油流动偏离了垂直方向。在这种情况下，凸轮可能得不到润滑。

出油口的改进设计结构如图10所示。这种型式的润滑器在下板上有1个储油器，这种结构可以将惯性流转换为垂直流(图11)。如图12和图13所示，CFD分析验证了这些现象，机油温度设定为80 ℃，机油黏度为0.011Pa·s，出油口机油流量为0.02L/min。

在图12和图13中，为验证出油口的机油流动方向，对出油口的机油流速进行了平均化处理，出口机油流速的水平分量和竖直分量都以散点的形式标出(图14)。初始设计的出油口机油流偏向角超过9°，出油口改进设计后，机油流偏向角在±1°范围内。研究发现，储油器可有效地将层流惯性流转换为垂直流。

2.3 凸轮喷淋润滑器供油路线设计

研究考虑了减少凸轮喷淋润滑器机油总量的方法。凸轮轴轴颈内的通孔构成了凸轮喷淋润滑器的供油路线，因此机油供给具有间歇性。无须制造极窄细的油道，便可以将机油供给量降为最小，通过调整间歇期的长短来改变机油流量。

3 新式凸轮喷淋润滑器的效果

将新开发的凸轮喷淋润滑器安装于配气机构。验证了机油温度在80 ℃和6 ℃时的机油流量分布效果(图16)。就常规凸轮喷淋润滑器而言，发动机前端附近机油流量过量而造成浪费。新开发的凸轮喷淋润滑器可以向各个凸轮均匀地分配机油，即使在机油低温6 ℃时也可以分配得很均匀。H点位置的流量为0.006L/min。在一些发动机耐久性试验中，新式凸轮喷淋润滑器可以满足每个凸轮的润滑要求。

因为凸轮的润滑状态主要为边界润滑，少量油流足以使滑动面保持湿润。

图17示出采用新开发的凸轮喷淋润滑器后，机油流量分布的效果。图中虚线框表示机油流量减小量。机油温度在80 ℃时，机油流量减少1.0L/min。

因此，为了保持油压与常规发动机相同，可以减小发动机的机油泵流量，机油泵的驱动转矩随之减小，最终可以降低燃油消耗量。在日本JC08工况试验中，典型1.8L排量、直列4缸发动机的燃油消耗预计可降低0.1%。

4 结语

(1) 通过对气缸盖罩内的机油流动进行可视化观察，发现凸轮喷淋润滑器的机油流量过量而造成浪费，尤其是发动机前端附近。

(2) 凸轮喷淋润滑器的新型油道(多角仙人掌型)，可均匀分配各个出油口的机油流量。

(3) 凸轮轴轴颈内的通孔构成了凸轮喷淋润滑器的供油路线，机油供给具有间歇性。无需制造极窄细的油道，便可将供油量降为最低。

(4) 新设计的凸轮喷淋润滑器可优化机油流量分配，进而降低发动机燃油消耗。

[1] Nakase T, Saito T, Kato N,et al. The oil flow measuring method in engine lubrication[C]. JSAE Paper 9839056.

[2] Nemoto S, Kawata K, Kuribayashi T,et al. A study of engine oil aeration[C]. JSAE Review 18, 1997:271-276.

高英英 译自 SAE Paper 2014-01-2851

张然治 校

虞 展 编辑

2015-06-02)