小型赛车发动机干式油底壳润滑系统设计

李宇翔 钟玉华 邱咏怡

摘要：本文对小型赛车发动机干式油底壳润滑系统进行优化设计，内容包括干式油底壳外形设计，机油罐结构设计和油气分离形式，干式机油泵的选型及各零件之间油管和AN接头的选择和布置。通过对赛车发动机干式油底壳润滑系统的优化设计，降低发动机安装高度，保证发动机极限工况的润滑效果，进而优化整车重心分配，提高赛车操控性。

Abstract： This paper optimizes the design of dry sump lubrication system for small racing engines， including dry sump shape design， oil tank structure design and oil and gas separation form， dry oil pump selection and selection and arrangement of tubing and AN joints between parts. Through the optimized design of the racing engine dry sump lubrication system， the engine installation height is reduced， the lubrication effect of the engine limit working condition is ensured， and the center of gravity distribution of the vehicle is optimized to improve the handling of the car.

关键词：干式油底壳;油气分离;润滑系统

Key words： dry oil sump;oil and gas separation;lubrication system

中图分类号：U464.137                                  文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）08-0128-05

0  引言

润滑系统又是发动机动力系统重要的组成部分，其主要功能是：在发动机工作时，将足量、温度适宜、洁净无杂质的的机油送至发动机内部各个零件的摩擦表面，在其表面形成一层薄薄的油膜，从而实现液体摩擦，降低摩擦阻力，减少发动机功率消耗，降低零件的磨损。同时，在保证良好润滑效果的同时，机油还能对各零件进行冷却散热和碎屑清洁，进一步提高发动机工作的耐久性和可靠性。

1  现有润滑技术在小型赛车的不足及解决方案

小型赛车几乎都采用了摩托车发动机。摩托车在转向时一般会有压弯动作，机油依旧能在各力之间找到平衡，液面变化不大，集滤器依旧能吸到机油，所以原车湿式油底壳能保证发动机的正常运转。但当其安装在小型赛车后，其劣势主要有：

①由于原车湿式油底壳高度过高，安全结构规则[1]限制润滑系统不能低于车架最低包络面，同时位于发动机上部的进气系统也不得超出车架包络面以外。如果直接将原机的湿式油底壳安装在发动机上，发动机的安装位置会大幅度抬高，势必会影响到发动机其他系统的布置安全和合理性。同时过高的动力系统安装位置也与赛车低重心的理念相悖，不利于赛车动态表现。

②小型赛车在赛道上行驶时，随着赛车技术不断发展，其性能表现也越来越极端。各方向的加速度会直接作用在机油上，没有了原本摩托车的压弯动作，机油的液面将产生较大晃动，会出现集滤器抽不到机油，润滑系统工作暂时失效的情况。

为了解决以上两个问题，不少车队使用自制湿式油底壳来降低发动机安装高度，在油底壳内部增加阻浪结构来减少机油液面波动。但受限于发动机曲轴箱轮廓，机油液面依旧会有较大波動，发动机润滑系统依旧有工作失效的危险。原机润滑系统机油的主要储存位置是湿式油底壳，而干式油底壳润滑系统机油主要储存在机油罐内，干式油底壳只存有少量机油。机油罐设计比较自由，不必受限于发动机曲轴箱的轮廓，能够设计更优秀的阻浪结构，机油能够稳定地输送至机油泵将其加压，保证润滑系统的正常工作。

小型赛车的特点有：小型轻量化、灵活性高、操控性好、动力性能优异等。干式油底壳润滑系统的优点有[2]：

①防止机油液面产生较大波动，保证发动机润滑系统在极端工况下的正常工作;

②减少发动机曲轴箱内部的高温气体对机油的影响，防止润滑油劣化变质，延长其使用期限;

③大幅缩小油底壳容积，降低发动机结构高度，利于降低发动机安装高度，从而降低整车重心，提升车辆操控性;

④减少了发动机曲轴的飞溅，同时机油泵不断将曲轴箱内的空气和机油一同抽出，使曲轴箱内部保持负压，减少了工作阻力，提高发动机效率和功率。

⑤系统的布置较为灵活，理论上可以将机油罐布置在车辆的任何地方，利于整车配重。

干式油底壳润滑系统的缺点有：需要增加额外的机油泵和储存机油的机油罐，机构较为复杂，增加了重量，提高了制造成本。

综合来看，干式油底壳润滑系统在小型赛车上依旧是非常值得使用的，主要的适配性工作有：

①减轻整套干式油底壳润滑系统的重量，保证小型赛车的轻量化;

②机油泵会将曲轴箱内部的空气和机油一同抽出，期间机油容易和空气混合，使机油泡沫化，故需要设计一些结构如油气分离和液面联通结构来保证润滑系统功能;

③干式油底壳润滑系统的布置应结合小型赛车的结构及安全规则，优化赛车重心，提高赛车操控性。

2  干式油底壳润滑系统设计

干式油底壳润滑系统设计流程大致是：选择干式油底壳润滑系统内外油路的两种连接方式——选择干式机油泵——设计油柄——设计干式油底壳——设计油气分离机油罐——润滑外油路布置。

2.1 干式油底壳润滑系统内外油路连接方式的确定

本文使用本田CBR600摩托车发动机为例进行小型赛车干式油底壳润滑系统的适配性设计。原发动机润滑系统结构如图4。

图中，发动机润滑系统机油经过各零件的顺序为：湿式油底壳——集滤器——机油泵——泄压阀——机油滤清器——机油冷却器——主油路——各润滑油路——回落至湿式油底壳。

干式油底壳润滑系统会额外使用一个干式机油泵，一般安装在发动机原机机械水泵的位置，所以干式油底壳润滑系统会分为内油路和外油路。对于CBR600发动机，内外油路连接方法主要有两种：①通过机油滤清器;②通过原机机油泵。考虑到密封效果及改造复杂程度。故选择通过机油滤清器来连接发动机内外润滑油路。

2.2 干式机油泵的选择

干式油底壳存储机油量较少，原车机油泵无法直接将机油抽入加压，需要使用与干式油底壳润滑系统匹配的机油泵。DAILEY ENGINEERING公司有适合各类小型赛车发动机的干式机油泵可供选择，而且方案较为成熟，稳定性高，成本相对较低，适合我们对干式油底壳润滑系统进行进一步研究。CBR600发动机常用机油泵型号04-99-2295-2，图纸如图5所示。

2.3 油柄设计

油柄是连接外置油管和发动机内部油路的转接器，安装在原车机油滤清器与发动机的连接处。油柄入口选用AN8接头，在保证安装接头方便的同时减轻油柄质量，采用可焊接铝可满足要求。油柄建模如图6所示。

■

2.4 干式油底壳设计

干式油底壳设计要求主要有：

①与发动机准确安装，密封性良好，对于小型赛车而言可使用可焊接铝。

②干式油底壳有2个出油口，考虑到赛车行驶时大部分时间都在加速，机油向后聚集，且为了让机油均匀地进入2个出油口，出油口应布置为一左一右较为合适。

③机油能自然回流到2个出油口，油底壳的形状最好能向出油口倾斜。

考虑到干式油底壳需要与发动机准确安装，其轮廓需要与曲轴箱的底面轮廓相合。但发动机体积庞大且重量较大，且其过程相当繁琐，所以对原装油底壳轮廓进行三维逆向扫描，并将扫描结果导入三维软件，如图7所示。

干式油底壳不是主要储存机油的位置，所以可以做的尽可能薄且轻，从而达到赛车轻量化的目的。干式机油泵中的扫气泵接头为AN10，因此油底壳高度为接头孔直径加两个壁厚，为27.26mm。出油口布置在一左一右并避开螺栓孔的安装位置，按照发动机底部轮廓平均两个出油口机油储存的容积。为防止机油冲刷下来的碎屑损坏机油泵转子，油底壳出油口前做一个台阶，并做一段平面承接机油减缓其流速，使碎屑沉积在出油口前，方便清理。最终确定侧面形状为梯形，最终建模及外观参数如图8所示。

2.5 机油罐设计

由于干式油底壳润滑系统工作时，机油泵会把机油和空气一同抽入再泵入机油罐内，此时部分空气会溶入机油当中，若不加分离会降低机油品质，所以机油罐需要有油气分离的功能。和干式油底壳相比，机油罐能在更为极限的状况下稳住机油液面，不会出现断油现象，所以机油罐要求在赛事能达到的最大加速度时液面依旧高于出油口。为防止部分异物损害机油泵，出油口附近设置结构以阻挡其进入。

2.5.1 机油罐油气分离设计

油气分离形式[3]有惯性分离，纤维过滤分离，旋流分离等。

气液惯性分离应用气流急速转向使气液运动轨迹不同而分离，但其对于较小的液滴分离效果较差，且要求较高的入口流体速度才能达到较好效果，将这种分离方式作为机油罐入口与壁面的初分离可有效去除较大液滴。

过滤分离通过过滤介质将气体中的液滴分离出来，介质主要用金属丝网和玻璃纤维，适用于较小流速时的分离，可布置在机油罐頂部溢流口处有效分离小液滴。

气液离心分离利用流体旋转产生的离心力来分离气流中的液滴，它有分离时间短，设备体积小等优势，十分适合完成机油罐的油气分离功能，故选择管柱式气液旋流分离器（GLCC）[4]为主要分离形式。

按照赛车在直线加速5秒内发动机的高转速机油循环量，取机油罐容积3.4L。考虑轻量化和加工成本，选择铝作为机油罐加工材料。入口管和出口管均为干式机油泵同规格油管接头AN10，采用PU透明管作为视油管方便观察机油加注量和润滑系统运行情况。

入口管向下倾斜能大幅改善气液分离效果，最佳倾斜角为-27度[5]。将机油罐分为内外两腔，内腔为管柱式气液旋流分离器，外腔为机油主储存位置。机油罐三维建模如图9所示。

2.5.2 机油罐晃动分析

将机油填充至机油罐标准工作高度，至外腔高度一半（约1.7升），按照赛车的三种主要运行情况进行模拟：

①圆形绕环受到1G的侧向加速度持续5秒;

②全力刹车受到2G的纵向加速度持续2秒;

③全力出弯加速同时加速和转弯时受到2.5个G的加速度合力持续3秒。

晃动分析结果如图10，可见设计的机油罐能够满足要求。

2.6 干式油底壳润滑系统布置

小型赛车干式油底壳润滑系统机油流动顺序是：干式油底壳——干式三阶机油泵的二阶罗茨泵——机油罐——干式三阶机油泵的转子泵——油柄——机油滤清器——机油冷却器——主油路——各润滑油路——回落至干式油底壳。

按照该顺序连接管路，干式油底壳润滑系统布置装配三维图如图11所示。

3  结束语

本文对小型赛车进行了干式油底壳润滑系统的适配工作，充分发挥干式油底壳润滑系统优势的同时，也将其在小型赛车上的劣势做到最低。该系统保证了发动机在极端工况下的正常工作，能够快速进行机油油气分离，减轻各零件重量，降低系统制造成本，实现赛车轻量化，降低赛车重心，并提高发动机功率。

参考文献：

[1]李理光.中国大学生方程式汽车大赛规则.2018.

[2]葛洲扬.车用干式油底壳技术及其设计.2011.

[3]任相军.气液分离技术设备进展.2008.

[4]金向红.气液旋流分离技术的研究.2007.

[5]曹学文.新型管柱式气液旋流分离器.2002.

[6]袁海马.干式油底壳润滑系统介绍及应用.2014.

[7]孙福江.新型高效离心式气液分离器设计与试验研究.2009.

[8]倪伟.发动机油底壳的设计探讨.2012.

[9]张春花.FSAE赛车发动机干式油底壳设计.2015.

[10]Design of a Dry Sump Lubrication System for a Honda CBR600 F4i engine for Formula SAE applications， Ehsan Farkhondeh， 2006.