通过对柴油机活塞的系统润滑，能够减弱整机的震动幅度吗？
文 |江语迟
编辑 | 江语迟
序
自内燃机问世以来，因其效率高和动力强的优势，蒸汽机的地位很快就被其所取代，内燃机在交通运输、发电、军事等领域都得到了十分广泛的应用。
从内燃机的发展历史和趋势不难看出，柴油机在诸多大型内燃机产品中的比重不断增大，逐渐成为众多工程师研究的主要对象。
但是现阶段的柴油机仍然有很多的问题有待解决，类似于如何平衡柴油机的动力性、经济性和排放性，找到一个合适的运行状态，这是目前对柴油机研究的重点和难点。
近年来，不断涌现出了很多的柴油机新技术，诸如电控、增压、高压共轨等技术的应用，使柴油机的功率大幅增加，这同样也对柴油机的可靠性提出了更为严格的要求。
与此同时，伴随着全球汽车保有量的迅猛增加，能源危机与环境问题日益凸显，开展“节能减排”技术研究，成为了当下内燃机领域的研究重点及热点。
而对柴油机的优化研究，也从以往几个特殊的工况性能，包括经济性能、动力性能、排放性能、噪声问题等，逐渐发展到对整个运行工况点性能的全面优化。
那么，通过探究润滑系统，能够对柴油机整体和各个系统的性能提升带来提升吗？
润滑系统的理论研究
在实际运行过程中，发动机运行时，发动机内曲轴、凸轮轴和活塞等部件的运动速度很高，这就导致曲轴和凸轮轴的轴颈与轴承、活塞环与气缸壁、正时齿轮副等金属，摩擦表面之间的相对运动速度也很高。
这些金属表面做相对运动时，摩擦的动作会产生大量的热量，高温会加速零部件工作表面的磨损，进而导致这些零部件的使用寿命缩短，更有甚者还会使某些零件的工作表面融化，导致发动机运行异常。
同时，摩擦也会使发动机的功率损失增大，使发动机的经济性下降。
因此，我们研究团队认为，需要对发动机内，有相对运动的摩擦表面进行润滑，以确保发动机能够正常运行。
也就是使用某种润滑剂包裹这些零部件的摩擦表面，使这些做相对运动的金属摩擦表面之间，充盈一层润滑油膜，避免两个金属表面直接接触，而这层润滑油膜，可以使摩擦表面做相对运动时，摩擦的阻力降低，从而减缓零件的磨损、减少摩擦损失功率。
事实上，润滑系统的作用，是在发动机运转时，将一定量具有适当温度的洁净润滑油，连续不断地分配到各个相互接触，以及相对运动的传动部件的摩擦面上。
并在这些摩擦表面之间，形成具有一定厚度的油膜，实现液体摩擦，从而降低发动机工作时的摩擦阻力，减少发动机运行时的功率消耗，减轻发动机内零件的磨损，以保证发动机的可靠性和耐久性。
由于发动机各个零部件的工作条件各不相同，对具有不同载荷和不同相对运动速度的零部件，需要使用不同的方法来进行润滑，而发动机的润滑方式可以分为下面三种：压力润滑、飞溅润滑、润滑脂润滑。
在柴油机润滑系统中，使用较多的是压力润滑和飞溅润滑这两种润滑方式，因此，我们研究团队在此，具体分析的是压力润滑方式。
柴油机的润滑油在润滑系统中，以每小时100次以上的频率循环流动，润滑油的工作条件比较恶劣。
而润滑油在循环过程中，经常与高温金属壁面和空气接触，不断被氧化变质，由气缸窜入曲轴箱中的油气、废气和金属磨屑、积碳等，也会对润滑油造成严重污染。
除此之外，润滑油在工作时，其温度变化范围比较大，发动机启动时环境温度有时会低于0℃，柴油机正常运行时，主油道润滑油平均温度有时甚至可以高达125℃，润滑油在循环过程中，还会与温度高达180℃~300℃的零部件直接接触，吸收的热量很大。
因此，润滑油的质量对柴油机润滑系统性能的影响很大，润滑性能又会进一步影响柴油机的安全性和可靠性，这就对润滑油的质量提出了十分严格的要求。
而柴油机润滑系统，是由各种润滑零部件、连接润滑零部件的润滑油输送管道，以及各个轴承的润滑间隙，共同组成的多分路循环系统。
本次研究中，我们团队所分析的四缸柴油发动机，使用的就是强制供油润滑系统：机油泵为润滑系统提供驱动压力，将润滑油主动输送到柴油机需要润滑的部位。
理论上，柴油机的润滑系统，按照润滑油工作时的循环方向依次有以下结构部件：油底壳、机油集滤器、机油泵、限压阀、机油冷油器、机油滤油器、活塞冷却喷嘴、润滑油管路及各个轴承的间隙。
而柴油机润滑系统，在具体润滑工作中的过程通常为：机油通过机油泵从油底壳被抽出，经过机油压力调节阀，限制机油泵出口处机油的最高压力后，被输送到机油冷却器进行冷却。
机油冷却到规定温度后，再经过机油滤清器来过滤机油内部杂质，随后被输送到主油道及副油道。
随后，主油道上有时也会有一个限压阀，来进一步限制主油道的机油压力，当主油道机油压力过高时，限压阀打开，部分机油通过旁路流回油底壳，以降低机油压力。
未从限压阀流回油底壳的机油，经主油道和副油道输往各个轴承，以及有润滑需要的零部件，来完成润滑或冷却工作，形成润滑系统的分支循环系统。
在此之后，润滑系统内的大部分机油，会被用于曲轴的润滑以及活塞的冷却：流经主油道的机油被泵，被送到各个主轴承间隙形成油膜，来润滑主轴承，其中有部分机油通过主轴承轴颈内部的旋转油孔，被输送到连杆大头端轴承的间隙，来对连杆轴承进行润滑。
而还有一部分机油，经凸轮轴取油孔路输向凸轮轴承，来对凸轮轴承进行润滑，流经副油道的机油则会被活塞冷却的喷嘴，喷向活塞内部的冷却腔体中，对活塞进行冷却。
最后一部分机油会通过发动机缸，其缸体内的油路输往气缸盖，完成对摇臂轴承及气门机构的润滑后流回曲柄箱，而后回落到油底壳。
除此之外，空压机轴承、增压器轴承和定时齿轮也有各自的润滑油支路，下图为发动机润滑系统的示意图，包含了发动机润滑系统中的基本零部件。
由图可知，齿轮式机油泵的使用性能，取决于齿轮与泵体的配合间隙，一般来说，齿轮与泵体的径向间隙不大于0.20mm，齿轮端面间隙不大于0.05-0.20mm。
若齿轮间隙过大会导致机油压力下降，机油泵的泵油量降低，齿轮式机油泵有性能可靠、功率损耗小、机械效率高、泵油压力高等优点，因而得到了较为广泛的应用。
在该实验中，我们团队主要研究的四缸柴油发动机润滑系统，正是使用的齿轮式机油泵，机油泵被安装在发动机体前端的齿轮室中，如下图所示，机油泵由发动机的传动齿轮系统驱动，完成润滑系统的供油。
通过对柴油机润滑系统进行了一些理论研究，我们研究团队主要探究了柴油机润滑系统的作用、润滑方式，以及润滑油的性能，详细了解柴油机润滑系统中，主要零部件的作用和工作原理。
还分析了润滑系统设计与仿真过程中，三个主要的评价参数，以及润滑系统涉及到的一些流体力学知识，为后续对润滑系统的建模仿真和分析优化提供了理论支持。
润滑模型搭建及仿真结果分析
由于柴油机润滑系统的油路复杂，需要润滑的零部件很多，因此在建立仿真模型前需要绘制出整个润滑系统的油路结构分布示意图，如下图所示。
润滑系统示意图中，各个润滑零部件的相对位置、数量，机油管路的连接与分布等，都应与实际发动机上的润滑系统结构保持一致。
图中柴油机润滑系统的循环路径为：机油被安装在发动机前端的机油泵从油底壳抽出，经过机油泵加压泵出后，先通过安装在机油泵和机油冷却器之间的限压阀，对机油压力进行调节。
若机油压力过大，限压阀的阀门会被顶开，将有部分机油回流至机油泵进油口，从而降低机油泵出口的机油压力。
随后，机油流入机油冷却器进行换热冷却，冷却后的机油再通过机油滤清器，完成对机油杂质的过滤，过滤后的机油被输向柴油机机体的内部油道，开始对柴油机零部件进行润滑或冷却。
除此之外，涡轮增压器也从机油滤清器出口处取油润滑，再由管道将多余机油排回油底壳。
由于机体内有主、副两条主要油道，机油先进入装有活塞冷却喷嘴的副油道，再通过柴油机后端盖板上的油路，继续将机油输向主油道。
因此可知，副油道的作用就是为活塞冷却喷嘴供油，机油经活塞冷却喷嘴喷向活塞内部的内冷油腔，对活塞进行冷却，随后落回油底壳。
而主油道的机油主要分为两路：一路是通过下行的轴承油孔输向主轴承和凸轮轴承，对主轴承和凸轮轴承进行压力润滑，主轴承间隙内的部分机油，再通过轴颈内部的油孔旋转流向连杆大端轴承，对连杆大端轴承进行压力润滑。
另一路机油则是通过机体内的上油孔，流经缸垫输往缸盖，对安装在缸盖上的摇臂及挺杆等构件进行润滑。
通过模拟可知，机油泵为润滑系统提供机油压力，确保对机油泵模型的准确建模，是保证润滑系统仿真精度的重点。
而机油泵通常使用机油泵转速、机油流量和压力升高值的关系，来对其性能进行描述，如下图所示：
在大多数时间里，限压阀处于关闭状态，只有当机油压力超过一定数值时，限压阀内的弹簧被压缩，阀门才会开启，部分机油从限压阀流出，使系统内的机油压力降低。
随着机油压力逐渐降低，弹簧的压缩量也逐渐减小，限压阀又逐渐关闭，使润滑系统内的机油压力始终处在设计范围内，以保证润滑系统工作正常。
润滑系统的影响机理及优化方案
在这里，我们研究团队将对机油泵、限压阀、活塞冷却喷嘴，以及主轴承等零部件逐个进行分析，探究其对润滑系统工作压力、流量等性能的影响机理，同时结合分析结果对现有润滑系统提出优化方案，并对优化后的润滑系统进行验证。
从上述对仿真结果的分析得知，在此我们研究团队提出的润滑系统，其主油道和副油道机油压力接近，因此在更换机油泵对机油压力造成的影响时，主要对主油道的机油压力进行分析，后续分析机油压力时，也都将主油道压力作为分析重点。
分别使用两款机油泵仿真得到的主油道压力如上图所示。
从机油压力的变化趋势来看，使用2#机油泵的润滑系统，在中低转速时主油道压力明显比使用1#机油泵时，主油道压力更大。
但是随着发动机转速增加到1800r/min后，两款机油泵造成的主油道压力差异并不大，在额定转速2700r/min时，主油道压力的差异仅有2%。
机油泵出口流量增加，并不能表示润滑系统中，各个零部件的机油流量都有同等范围的提升。
根据对机油压力的分析可知，更换更大能力的机油泵，只能使限压阀开启前的机油压力得到提升，对限压阀开启后的主油道压力影响不大，而活塞冷却喷嘴、主轴承等部件的机油流量，与主油道压力息息相关，因此各个零部件的机油流量变化情况还需进一步分析。
从上述分析可得，当只更换大流量机油泵，而不对润滑系统做出其他改变时，机油泵对润滑系统的影响要，分为限压阀开启前和限压阀开启后两部分来讨论：
限压阀开启前，提升机油泵能力可以提高主油道压力，增大各零部件的机油流量。
限压阀开启后，机油泵对主油道压力和除限压阀以外，零部件的机油流量的影响并不大。
通过结合分析结果，通过对限压阀开启压力，和活塞冷却喷嘴的出口直径进行优化，达到提升活塞冷却喷嘴机油流量的目的。
最后，我们研究团队对优化后润滑系统的机油压力、机油流量和轴承油膜特性，进行了分析，并与优化前的仿真结果进行对比，分析结果表明：
优化后的润滑系统各个指标均符合设计要求，能够满足本柴油机的润滑性能。
结语
在该研究中，我们研究团队通过对某四缸柴油机的润滑系统，进行建模仿真并利用试验数据对模型校准，得到了润滑系统工作压力、机油流量等性能，随发动机转速变化的仿真结果。
对仿真结果进行分析后，探究润滑系统中几个主要因素，对润滑系统工作压力，和机油流量等性能的影响机理，最后结合分析结果对润滑系统进行优化，并对优化方案进行验证。