05-润滑系统及冷却系统设计

润滑系统及冷却系统设计内燃机的润滑和冷却系统内燃机的润滑和冷却系统都属于辅助系统，内容较多，但是作为内燃机设计者来说主要是提出总体设计方案和主要设计参数，其余部件如润滑油油泵、水泵、散热器、风扇等由供应商根据设计参数制造提供。第一节润滑系统一、润滑系统的任务和设计要求润滑系统的主要任务供应一定数量的机油至摩擦表面，并起冷却和清洁磨粒的作用，还增加了活塞和活塞环的密封性；在个别情况下，它还担负起受热零件（如活塞）的冷却和传力控制（如液压挺柱、可变配气机构）的任务。润滑系统对内燃机的性能指标和工作可靠性也有很大影响。润滑不良的内燃机在运转过程中的机械损失和磨损很大，严重的影响了内燃机的动力性和经济性，甚至使内燃机不能正常工作。为使内燃机润滑良好，必须使用合适的机油。但是，机油在内燃机不断工作的过程中，会被从空气中吸收的尘土以及内燃机本身的燃烧产物和磨损产物所污染，并在高温影响下逐渐变质。因此，润滑系统中必须用专门的机油滤清器不断地对机油进行滤清，在必要时采用强制冷却装置（如机油冷却器），使机油温度不超过允许的数值。现代内燃机的转速和功率不断提高，热负荷也愈来愈高，对润滑系统的设计和研究工作也愈来愈受到重视。一个良好的润滑系统，应满足下列各项要求：1）保证以一定的油压、一定的油量供应摩擦表面。2）能够自动滤清机油，保持机油的清洁。3）能够自动冷却机油，保持油温。4）消耗功率小，机油损失量小。5）无堵油、漏油现象，工作可靠；维护、修理方便。现代内燃机一般采用复合式润滑方案。对径向负荷大、相对摩擦速度快的部位，采用压力润滑，如主轴承、凸轮轴承、摇臂轴等，这些部位采用压力润滑的另一个原因是这些部位能够开设油道。对于不容易开设油道的摩擦表面往往采用飞溅润滑方式，如气缸和活塞、活塞销与销座、凸轮与挺柱等。二、润滑系统总体方案三、润滑系统的主要设计参数选择润滑系统的主要设计参数包括循环机油量、机油压力、机油温度、油底壳储油量、润滑油泵泵油量、润滑系统消耗功率等。1.循环机油量循环机油量（不包括经过细滤器、调压阀旁通掉的油量）由必须被机油带走的热流量计算。一般（11-1）式中，φf为每小时加入内燃机的热量（kJ/h）。由内燃机原理知（11-2）式中，Pe为有效功率（kW），以下同。fc%)20~%15(eefP3600有效热效率所以循环机油量（11-3）式中，ρ为机油密度，一般取ρ=0.85kg/L；c为机油的比热容，一般c=1.7~2.1kJ/（kg·℃）；△t为机油进出口的温差，一般取8~15℃。柴油机汽油机4.033.0eeePP)280~160(360035.0~025.002.0~015.0ctcqcVc根据前面计算的φc范围和机油参数范围，可得qVc（L/min）的经验计算式如下：不用机油冷却活塞时（11-4）用机油冷却活塞时（11-5）式中，Pe为有效功率（kW）。2.机油压力主油道压力（早期）eVcPq)28.0~12.0(eVcPq)28.0~12.0(eVcPq)57.0~42.0(eVcPq)57.0~42.0(高速强化（增压）柴油机汽油机MPMPMPpy9.0~6.06.0~3.03.0~2.03.机油温度为了保证轴承等摩擦副在良好的工况下工作，同时也为了保证机油不过早氧化变质、保持一定的粘度，还必须控制机油的工作温度。对于巴氏合金轴承：T≤100℃。对于铅青铜合金轴承：T≤110℃，热负荷特别高的柴油机不应超过150℃。油底壳内机油温度：T≤95~105℃.4.油底壳储油量对油底壳储油量的要求为：一次注油后，能够使用足够长的时间，使发动机能够在这段时间内连续运转。同时还要考虑机油自然散热的条件，以较低的循环率保证机油的散热效果。一般，希望机油的循环次数ny≤3次/min。统计资料表明，油底壳的机油容量V0（L）为（经验公式）固定和农用车用柴油机车用汽油机eeePPPV)54.0~27.0()27.0~14.0()16.0~07.0(0不同排量汽车发动机的机油容量参数数据为：排量/L机油容量V0/L0.5~22~52~53~6＞5≥6四、机油泵的选择高速内燃机广泛使用外啮合齿轮式和内啮合转子式机油泵。机油泵的选择要根据机油循环量确定。第二节冷却系统一、冷却系统的作用和设计要求1.作用内燃机运转时，与高温燃气相接触的零件受到强烈的加热，如不加以适当的冷却，会使内燃机过热，充气效率下降，燃烧不正常，机油变质和烧损，零件的摩擦和磨损加剧，引起内燃机的可靠性、耐久性、动力性和经济性全面恶化。如果冷却过强也不行，会使摩擦损失散热损失增加。因此，冷却系统的作用就是使内燃机在各种环境和工况下都能够在合适的温度下工作。2.设计要求1）内燃机在各种工况、气候下都能正常工作。2）本身消耗功率小。3）拆装维修方便。4）使用可靠、寿命长、成本低。二、冷却系统的总体设计方案和参数选取1.冷却方式（1）蒸发式水冷却（开式、闭式）局部热点冷却不可靠，需常加水。（2）强制式水冷却闭式强制冷却系统由缸体和缸盖的水套、水泵、风扇（风扇离合器）散热器组成。2.闭式强制冷却系统原始参数（1）冷却系统散走的热流量估算（11-6）式中，A为比例系数，指传给冷却系统的热量占燃料热能的百分比；Hu为燃料低热值（kJ/kg）；ge为燃料消耗率［g/(kW·h)］；Pe为有效功率（kW）。3600ueewHPAg柴油机汽油机25.0~18.03.0~23.0A现在，内燃机上采用废气再循环和增压技术的越来越多，循环的废气和增压空气都需要进行中间冷却，这样就加大了冷却系统的散热任务，因此比例系数A在采用上述技术措施的情况下应该都取上限或者更高。（2）冷却水循环量qV（m3/s）（11-7）式中，△tw为冷却水在内燃机中循环时的容许温升（°），△tw=0~12℃；ρw为水的密度（kg/m3）；cw为水的比定压热容［kJ/(kg·℃)］，cw=4.187kJ/(kg·℃)（3）冷却空气需要量它根据散热器的散热量决定。（11-8）式中，△ta为散热器前后空气温度差，一般为10~30℃；ρa为空气密度，一般为1.01kg/m3；cp为空气的比定压热容，一般为1.047kJ/(kg·℃)。（4）泵水量式中，ηV为水泵的容积效率，主要考虑泄漏情况，一般取0.6~0.85.三、散热器的结构设计要点散热器有上贮水箱、下贮水箱和散热器芯部组成。目前常用的散热器芯部结构分管片式和管带是两种。水管一般都是扁平形，以减小空气阻力，增加传热面积，减小冻裂的危险。管外的大量散热片或散热带是为了增加对空气的传热面积。paawVactqVVwVpqq1.计算散热器的正面积根据冷却空气量，正面积AR（m2）为式中，qVa为冷却空气量（m3/s）；ua为冷却空气流速（m/s）。在车用发动机中，AR=0.2~0.4m22.车用散热器的水管数式中，qVw为冷却水循环量；uw为冷却水流速；Af0为每根水管的截面积。3.确定传热系数常规计算时，传热系数（KR）根据散热器特性曲线查取，如图11-1所示。传热系数还可以利用CFD方法，通过水、固体、空气流固耦合模型仿真计算得到，这样得到的传热系数更接近于实际。aVaRuqA0fwVwAuqt4.计算散热器的散热表面积A式中，△t为冷却水和冷却空气的平均温差。四、冷却系统的调节冷却系统的任务时保证内燃机在任何情况下都能保持合适的工作温度。当工况改变时，例如当转速不变而负荷改变时，机件的受热量随着平均有效压力的增加而增加，但因风扇转速和水泵转速不变，它们的偏风量和泵水量也不变，因而冷却系统的散热能力也不变。所以，按大负荷设计的冷却系统，在小负荷时就可能过冷；按小负荷设计的冷却系，在大负荷时就可能过热。当内燃机负荷一定而转速变化时，机件的受热强度一定，但因扇风量和泵水量分别于风扇的转速和水泵的转速成正比，冷却系统的散热能力也近似与转速成正比。因此，按高转速设计的冷却系统，低转速时就可能过冷而按低转速设计的冷却系统，高转速又可能过热。tKAR当外界大气温度变化时也直接影响到冷却系统的散热能力，气温高时散热困难，容易过高；气温冷时，散热容易，也容易过冷。因此，内燃机冷却系统一般按高温气候条件下额定功率工况设计。在其他工况下，如果出现过冷，则对冷却系散热能力进行调节。除节温器外，现在更多的是利用可变扇风量的变速风扇进行冷却强度的调节。比如，硅油风扇离合器、电磁风扇离合器、机械风扇离合器、电控风扇等。这些措施的采用，不但调节了冷却系统的冷却强度，而且减小了冷却系统消耗的功率。图11-2所示为一种以高粘度硅油为传递转矩介质并利用散热器后气流温度自动控制的硅油风扇离合器结构。带有散热片的前盖1与从动板6之间的空间为储油室，从动板与离合器壳体8之间的空间为工作室。从动板上有一小孔，在常温下被控制阀片5挡住，因此储油室内的硅油不能进入工作室，工作室内没有硅油，硅油风扇离合器处于分离状态。驱动轴12与水泵轴相连，风扇装在离合器壳体上。当发动机工作时，驱动轴转动，风扇随着离合器壳体在驱动轴上打滑。这时使风扇及壳体转动的力矩就是轴承Ⅱ及密封毛毡圈10的摩擦力矩，数值很小，所以风扇转速n很低（图11-3中曲线1C）。随着发动机温度的升高，通过散热器的气流温度tk也随之增高，离合器前的螺线形双金属感温器3在气流温度的影响下产生偏转，通过阀片传动销4带动控制阀片转动一个角度，当tk＞65℃时，从动板上的进油孔完全打开。于是储油室内的硅油就从进油孔流入工作室，离合器接合，风扇转速提高（图11-3中曲线1B）。进入工作室的硅油受离心力的作用甩向外周，再通过从动板上接近外周处的回油孔和单向阀7回到储油室，不断循环，进行散热避免了长期工作硅油的温度过高。当发动机温度下降时，控制阀片把进油孔关闭，储油室内的硅油不能进入工作室，而工作室的硅油继续从回油孔返回储油室，最后工作室里的硅油甩空，离合器又恢复到分离状态。单向阀防止分离状态和静止状态储油室内的硅油流入工作室。在从动板的回油孔旁，有一个刮油凸起13伸入到工作室的缝隙内，其作用是使离合器转动时回油孔一侧的液体压力升高，使硅油从工作室流回储油室的速度加快，提高离合器的灵敏度。从图11-3所示的功率特性3A和3B可知，硅油风扇离合器接合时，风扇功率消耗可节约50%左右，分离（3C）时可节约85%以上。因此，发动机装上硅油风扇离合器之后，可以节约燃料消耗5%左右。图11-4所示为风扇噪声测定结果。当不用离合器时，风扇转速与驱动轴转速一样（图11-3中曲线1A），风扇噪声较高。但当用离合器时，风扇最高转速不超过2200r/min（图11-3中曲线1B），噪声有明显下降。硅油风扇离合器现在已经大量应用，它的硅油泄露问题也已经得到了很好的解决。工作中的主要缺点是硅油的充填和留空过程所需时间长，致使啮合反应速度比较慢。采用电控阀片装置，可提高啮合反应速度，是解决问题的有效办法。出于节油和排放控制精度的需要，在重型货车上已经开始使用电控硅油风扇离合器，这种离合器根据冷却水温度，通过电磁阀的开断时间来控制离合器的反应灵敏度。五、风扇的计算为了强制足够的空气量通过散热器，必须在冷却空气道中安置风扇。在水冷内燃机上广泛采用前后都无导流罩的轴流式风扇，风扇主要根据所需要的扇风量来选择。水冷内燃机风扇的外径首先由散热器芯部的正面积决定，然后再决定其他参数和尺寸。而风冷内燃机风扇从风扇外形尺寸要尽可能小出发，首先确定工作轮内径的尺寸，然后再计算其他参数和尺寸，这两种风扇的设计程序不同。下面是水冷内燃机风扇计算的举例。1.确定风扇的扇风量qVa2.确定风扇的压力ppaawVactq1pppR式中，△PR为散热器的阻力，当ρaVa为10～20kg/（m2·s）时，管片式散热器的阻力为100~500Pa；△P1为除散热器以外的所有阻力，△Pl约为（0.4～1.1）。3.按照总布置和散热器芯部尺寸确定风扇外径D2风扇轮叶扫过的环面积等于散热器