第37卷第1期2016年2月内 燃 机 工 程
ChineseInternalCombustionEnineEnineerin ggg
Vol.37No.1
Februar.2016y
()文章编号:10-0925201601-0130-0500
370023
叶片式可变排量机油泵的研发与试验研究
倪计民1,李 锵1,石秀勇1,李金国2,黄新良2王琦玮1,
()同济大学汽车学院,上海幸福摩托车有限公司,上海2上海21.804;2.9000101
StudontheDevelomentandExerimentofVariableDislacementVanePum ypppp
111122
,,,WANeiinliaNIJiLIiaSHIXLIJiHUAiGniunNGXinnonuo -w-m-y-- QQg,gg,g
(,,;1.SchoolofAutomotiveStudiesToniUniversitShanhai201804,China gjyg
,,)2.ShanhaiXinfuMotorccleCo.Ltd.Shanhai201900,China ggyg
:tractAbsCondimsiderintheactualdemandsoneninelubricatinsstem,athreeensionalmodelwas- gggy
,adimarametersachievedbaoneensionalmodelndthenaCFDestablishedbasedonthestructure- py
,ssimulationwascarriedoutbuseofPumLinx.Accordintothesimulationandtestresultseveral ypg
’structuralotimizationschemeswereroosedandtested.Theresultsshowthatitsavailabletootimize pppp
umstructureaccordintotheCFDsimulationresults.Thefinalmodelcanavoidtheresonancethe ppg
,,freuencandmakethesealinerformancemeetthedesinreuirementsInadditionthelubricatinoil qygpgqg
/flowandthedrivetorueconsumtioncanbereducedb27.2%and21.6%resectivelat6000rmin. qpypy
摘要:结合发动机全工况对润滑油的实际需求,以一维模型计算所得的结构参数为基础,建立了可变排量叶片泵三维模型,并采用Pinx软件对其进行CumLFD计算分析。根据CFDp
提出结构改进方案并进行了试验研究。研究结果表明:根据C计算和试验结果,FD计算结果对叶片泵结构进行优化设计具有可行性,设计的机油泵样机能够满足与之配套的发动机全工/况要求,在6降低2rmin时该样机能够减少27.2%的润滑油流量,6%的驱动扭矩0001. 消耗。
关键词:内燃机;机油泵;叶片式;可变排量;CFD
:;;;;rdsICenineoilumvanetevariabledislacementCFDKewo gppyppy
:/DOI10.13949.cnki.nrc.2016.01.023jjg
中图分类号:TK402
文献标识码:A
0 概述
随着排放法规日趋严格及油价攀升,内燃机节能减排技术受到了越来越多的重视。采用可变排量机油泵能降低内燃机0.0%的燃油消5%~2.
1]
,对于长期处在高转速工况下的商用车发动机耗[
以一维模型计算所得的结构参数为基础,建立可变排量叶片泵三维模型,并采用Pinx软件对其umLp
制作样件后进行试验研究,根进行CFD计算分析,据C提出结构改进方案。FD计算和试验结果,1 可变排量叶片泵结构设计
叶片泵集成于发动机的前端盖上,由曲轴驱动。在设计初期,整车厂对该泵的设计尺寸空间进行了详细的限定,主要包括吸、排油口大小和位置,驱动
来说,采用变排量机油泵最多能降低3%的燃油
2]
。消耗[
本文结合发动机全工况对润滑油的实际需求,
收稿日期:11193201--
);)基金项目:上海市教育委员会科研创新项目(国家自然科学基金项目(XY115110611411C
,:作者简介:王琦玮(男,博士生,主要研究方向为发动机节能与排放控制技术,ai7—)E-mlwaniwei1987@hotmail.com;198gq
:,倪计民(联系人)男,教授,博导,主要研究方向为发动机节能与排放控制,ailnmwxotmail.com。E-m@hjjy
016年第1期 2内 燃 机 工 程
·131·
轴大小和位置,泵体许用设计空间等。根据上述要求、设计参数、一维仿真结果及工艺性要求,采用/IAUG等三维建模软件对可变排量叶片泵进CAT
行具体结构设计,如图1所示
。本文中将该模型用1表示。Alhap
[5]
空化模型采用文献流模型采用标准k-ε湍流模型,
[]提出的完全空化模型,具体的计算边界条件和相6
关参数见表1。
表1 计算初始边界条件
项目
计算时间类型计算时间步最大迭代次数流动介质
参数
),转数(4RolutionevR
1440 100
SAE5W30型号润滑油120℃,
2.3 计算结果与分析
对该变量叶片泵模型在选定的七个转速下进
图1 Alha1三维模型p
行计算,得到流量特性及偏心距值如表2和图3所示。
表2 Alha1出口流量及偏心距p
转速/
(·mrin-1)
700 1000 2000 3000 4000 5000 6000
出口流量/
-1)
(L·min
6.71 439. 8.051 19.62 2.882 5.202 25.50
容积效率/
%84.9 83.5 82.0 74.1 70.1 66.9 56.4
偏心距/mm2.702.702.632.111.951.801.80
从图1中可以看出,该可变排量叶片泵主要由泵体、泵盖、外调节环、调节弹簧、安全阀、反馈油道、进油口、出油口、转子、叶片及叶片底部支撑环组成。其中,转子由曲轴驱动旋转,并带动九个叶片完成吸油和压油过程。外调节环可以以支点为圆心在限定范围内摆动。当反馈油道提供的压力大于初始设定值时,外调节环沿弹簧压缩方向摆动,使其与转子之间的偏心距减小,从而改变排量。2 可变排量叶片泵CFD分析2.1 可变排量叶片泵计算模型
本文主要采用Pinx中的可变排量叶片泵umLp模块进行仿真计算。叶片泵的流体域主要包括叶片腔、吸油道、排油道及变量调节阀(外调节环外围流不同的叶片泵流体)等区域。在Pinx软件中,umLp体区域采用不同的网格划分方式。其中吸油道和排油道采用C叶片腔采用变量泵结AB网格划分技术,构化网格划分技术,调节阀采用“cumferentialCir
3]
。最终,”整个流体域的网格网格划分技术[Valve
节点数6数量为4lha1流体48个,61个。A24126
7 p
图3 A1计算出口流量特性lhap
计算得到的可变排量叶片 从图3中可以看出,
泵流量满足与之配套的发动机全工况对润滑油流量/的要求,且流量变化趋势一致。在700rmin00~20 转速范围内,叶片泵基本维持在最大偏心距位置,怠/速流量满足设计要求;在200rmin之间,000~30 偏心距值减小了0.导致叶片泵排量相对明2mm,5/显减少;在3偏心距00rmin转速范围内,000~50
值变化趋于平缓,流量稳步增加;在500000~60
域网格模型如图2所示。
图2 Alha1流体域网格模型p
/转速范围内,叶片泵已达到最小偏心距位置,rmin
排量不再变化,流量几乎不再增加。
从总体上来看,1样机计算值大于配套厂Alhap的要求,这主要是因为计算过程中进行了一些简化,计算值会大于实际值,所以出于工程应用角度,给出。一定的“余量”
2.2 计算边界条件
求解采用计算流体力学中的SLEC算法,IMP中心节点有限体积方三维湍流雷诺平均N-S方程、
法离散方程,差分格式选择二阶精度的中心差分,湍
·132·
内 燃 机 工 程2016年第1期
表3 Alha1流量及扭矩特性试验值p
3 样泵试验验证
根据三维数模图制造手工样泵,并进行流量特性试验。
3.1 试验系统及工况
试验设备为某公司的机油泵综合性能试验台),(具体试验系统如图5所示。该试验系统采用图4
、精度±0.LWGY型流量JYB型压力传感器(5%)
、传感器(精度±0.JN338型转矩转速传感器5%),(加热系统采用J精度±0.P23型温度传5%)WB-感器,并采用参数自整定PID控制技术。在本试验中,将油温控制在(120±2)℃。电动机采用三菱变。按/频器进行闭环控制,转速波动范围≤±5rnmi照计算工况对该样机进行
试验,试验
使用SAE
30润滑油。5W
机油泵转速/
(·mrin-1)
700 1000 2000 3000 4000 5000 6000
出口压力/kPa512 180 270 037 400 420 044
出口流量/
-1)(L·
min
5.8 7.7 14.7 16.6 17.6 19.22 19.22
驱动扭矩/
(N·m)0.420.550.891.121.361.742.23
图6 A
lha1流量计算值与试验值p
由于叶片泵内部压力波动的作用,泵内各零件会发生周期性振动和变形,而CFD模型将各边界层当作刚性体,忽略了部件变形对流量的影响。由图6还/可知,00in时流量值低于要求Alha1样机在60rm p
图4 机油泵综合性能试验台
值,需要对设计的可变排量叶片泵进行结构改进。4 结构优化及性能对比
4.1 结构改进方案
通过上述分析,在保持原设计最大排量不变的基础上主要对吸油腔和排油腔的结构进行改进。结构改进的具体思路是:增大吸、排油腔体积,优化腔内结构,并采用叶片腔两侧同时吸油和排油的方式,以缓解空化现象,提高容积效率并减小泵体内的压力波动。整个结构优化过程中先后设计了多种方案,本文中选取初始方案和最终方案进行对比分析,将最终方案模型用Alha3表示。p
网格数量6Alha3网格模型如图7所示,90637 p个,节点数8边界条件设45个。网格划分方法、291 置及计算工况与Alha1一致。p
图5 可变排量叶片泵性能试验系统示意图
3.2 试验结果与分析
通过机油泵台架试验,得到样机在要求的出口压力下机油泵转速与流量和驱动扭矩之间的关系,如表3所示。将Alha1的流量计算值与试验值进p
行对比,如图6所示。
通过对比分析可以看出,CFD计算值与试验值有较好的一致性,CFD计算结果能够准确反映该变量泵的变量起始点和流量变化趋势。这说明在详细设计阶段,采用CFD软件来分析叶片泵内部流动性能并进行相应的结构优化具有可行性。同时,从图其原因为:6中看出流量计算值普遍大于试验值,
图7 Alha3网格模型p
016年第1期 2内 燃 机 工 程
·133·
4.2 计算结果及对比分析
1和Alha3的流量特性及偏心距位置曲Alhapp
线如图8所示。从图8中可以看出,1与Alhap因此可认为在各转Alha3的偏心距位置几乎一致,p
/速下两个模型的排量一致。在700rmin转00~10 速范围内,两个模型的流量一致,说明在低转速时吸、排油腔的结构改变对泵的容积效率影响不大;在/00rmin转速范围内,3的流量略高1000~30Alha p
/但差别不大;当转速高于3于A1,rmin时,000lha p说明叶片泵在高转Alha3的流量明显高于A1,lhapp
速时,吸油阻力大,吸油
条件恶化,采用大的吸油腔体积及叶片腔两侧吸油的方式能够明显改善叶片泵的吸油能力,从而提高泵的容积效率。
/图9 6000rmin时空化现象对比
加入监测点的方法有效监测压力波动情况。如图10所示,在叶片泵吸、排油腔内共设置了五个监测点,其中四个监测点分别位于配流窗口的启闭位置,另/一个监测点位于排油腔出口位置。对6min000r 时Alha1与Alha3泵腔内的压力波动情况进行对pp比,如图11所示。
图10 监测点布置
图8 Alha1与Alha3流量及偏心距对比pp
Alha1和Alha3模型的出口流量和容积效率pp
/如表4所示。6rmin时,Alha3的容积效率高000 p明显高于A达69%,1。6.lhap
表4 两模型出口流量及容积效率对比
机油泵转速/
(·mrin-1)
700 1000
2000 3000 4000 5000 6000
(出口流量/L·min-1)Alha1p716. 439. 18.05 19.62 22.88 25.20 5.502
Alha3p7.03 9.66 18.81 20.36 25.64 29.15 30.24
容积效率
提高率/%4.82.44.23.81
2.
115.718.6
相lha3模型采用上下两侧同时吸油的设计, Ap
当于使叶片泵增加了一倍的吸油面积,明显改善叶片泵在高速时的吸油能力,空化现象得到缓解,如图由于叶片腔内气泡数量减少,由压力9所示。同时,
突升引起的气泡破裂并进而导致的排油腔金属表面气蚀现象得以缓解。
可以通过另外,在对叶片泵进行CFD分析时,
图11 Alha1与Alha3各监测点波动情况对比pp
从图11可以看出,3各监测点的压力波动Alhap
·134·
内 燃 机 工 程2016年第1期
。由于排油腔体积增大并采用上下明显小于A1lhap侧同时排油的方式,使测点4和测点5点的压力波动测点3点由于处在“能控制在1高压回流”a左右;05P测点位置,压力波动仍较大,但波动幅度比A1小;lhap涡流现象得到缓解,压力1点位置由于采用平缓过渡,
,有效地避免了大的波动范围控制在75089.25Pa3.~压力波动,减小吸油阻力。
/另对6rmin时两个仿真模型出口流量脉动变000 化规律进行比较,如图11的出口流量脉2所示。Alhap/,/;峰谷值差为1动范围为17~33.0Lmin3Lmin6.6.
/,峰Alha3的出口流量脉动范围为26~32.2Lmin6.p
/。其主要原因是A谷值差为5min1模型的排.6Llhap油腔体积较小且有突变结构
,容易使油液形成搅拌、漩涡等复杂流动,从而影响泵的出流流量,产生较大的流量和压力脉动。流线图如图13所示。
/流量和驱动扭矩也相应变小。6rmin时该样机000 能够减少2降低22%的润滑油流量,6%的驱动7.1.扭矩消耗,说明采用可变排量叶片泵能够为发动机节能减排带来一定的贡献。
表5 A3固定偏心距试验lhap
机油泵转速/
(·mrin-1)
700 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Alha3出口流量/p
-1)(L·min
(驱动扭矩/N·m)
最小偏心距0.190.280.631.011.381.892.42
最大偏心距最小偏心距最大偏心距
5.7 67. 6.41 25.4 3.23 7.33 37.8
2 3.2 8.3 13.9 19.9 25.4 27.8
0.44 0.53 0.93 1.45 1.88 2.44 3.06
5 结论
()1CFD计算得到的流量特性与试验结果具有
较好的一致性,能精确预测初始变量点,根据CFD计算结果对叶片泵结构进行优化设计具有可行性。()设计的A3样机能够满足与之配套的发动2lhap
/机全工况要求,在6rmin时该样机能够减少2%00027. 的润滑油流量,降低26%的驱动扭矩消耗。1.()结合分析试验观察到的样机运行状况和试3
验及计算结果发现,叶片泵内部压力峰值和压力波动对叶片泵的侧向泄漏影响较大,在设计时应使其内部压力状况符合相关标准要求。
/图10rmin时Alha1与Alha3排油腔速度流线对比3 600 pp
/图12 6000rmi
n时Alha1与Alha3出口流量对比 pp
参考文献:
[]nsPG,JohansonK.Thesstemerformancebenefitsof1va Eyp
[//,lubricationflowcontrolC]028S00472004.AE216 -- []2taleD,ProrB,GilenbachK.Adatationofavariable Syygp
//toeninelubeoilalications[C]dislacementvaneum gppppp ,S01156AE200772007.--
[]ofvaneoilY,etal.Numericalmodelin3D M,DinH,Jianan Wgggg
//,[]S01272012.AE201063umwithvariabledislacementC -- ppp []倪计民,南江,等.基于AME4Sim的叶片式可变排量机油 李锵,
():]泵产品开发[内燃机工程,80.3,34377J.201-
,LiQ,NiJM,NanJetal.Develomentofvanetevariable pypflowoilunasednSim[J].Chinesenternal p o AME Ip b,():CombustionEnineEnineerin2013,34380.77 -ggg
[]计算流体力学分析[北京:清华大学出版社,5M].4.200 王福军.
4.3 试验结果及对比分析
试验结果和C制作A
3样机并进行试验,lhaFDp
计算结果对比如图14所示。
图14 Alha3流量计算值与试验值p[]6inhalA K,AthavaleM M,LiH Y,etal.Mathematical S g
basisandvalidationofthefullcavitationmodel[J].ASME ,Trans.J.FluidsEn2002,124:617624. -g
试验结果表明A3样机的流量值能够满足lhap
配套发动机的全工况要求。此外,进一步对A3lhap样机进行定排量试验,试验结果如表5所示。从/开始,该变量泵的偏心距逐渐减小,出口rmin2000
(编 辑:许 蕾)
第37卷第1期2016年2月内 燃 机 工 程
ChineseInternalCombustionEnineEnineerin ggg
Vol.37No.1
Februar.2016y
()文章编号:10-0925201601-0130-0500
370023
叶片式可变排量机油泵的研发与试验研究
倪计民1,李 锵1,石秀勇1,李金国2,黄新良2王琦玮1,
()同济大学汽车学院,上海幸福摩托车有限公司,上海2上海21.804;2.9000101
StudontheDevelomentandExerimentofVariableDislacementVanePum ypppp
111122
,,,WANeiinliaNIJiLIiaSHIXLIJiHUAiGniunNGXinnonuo -w-m-y-- QQg,gg,g
(,,;1.SchoolofAutomotiveStudiesToniUniversitShanhai201804,China gjyg
,,)2.ShanhaiXinfuMotorccleCo.Ltd.Shanhai201900,China ggyg
:tractAbsCondimsiderintheactualdemandsoneninelubricatinsstem,athreeensionalmodelwas- gggy
,adimarametersachievedbaoneensionalmodelndthenaCFDestablishedbasedonthestructure- py
,ssimulationwascarriedoutbuseofPumLinx.Accordintothesimulationandtestresultseveral ypg
’structuralotimizationschemeswereroosedandtested.Theresultsshowthatitsavailabletootimize pppp
umstructureaccordintotheCFDsimulationresults.Thefinalmodelcanavoidtheresonancethe ppg
,,freuencandmakethesealinerformancemeetthedesinreuirementsInadditionthelubricatinoil qygpgqg
/flowandthedrivetorueconsumtioncanbereducedb27.2%and21.6%resectivelat6000rmin. qpypy
摘要:结合发动机全工况对润滑油的实际需求,以一维模型计算所得的结构参数为基础,建立了可变排量叶片泵三维模型,并采用Pinx软件对其进行CumLFD计算分析。根据CFDp
提出结构改进方案并进行了试验研究。研究结果表明:根据C计算和试验结果,FD计算结果对叶片泵结构进行优化设计具有可行性,设计的机油泵样机能够满足与之配套的发动机全工/况要求,在6降低2rmin时该样机能够减少27.2%的润滑油流量,6%的驱动扭矩0001. 消耗。
关键词:内燃机;机油泵;叶片式;可变排量;CFD
:;;;;rdsICenineoilumvanetevariabledislacementCFDKewo gppyppy
:/DOI10.13949.cnki.nrc.2016.01.023jjg
中图分类号:TK402
文献标识码:A
0 概述
随着排放法规日趋严格及油价攀升,内燃机节能减排技术受到了越来越多的重视。采用可变排量机油泵能降低内燃机0.0%的燃油消5%~2.
1]
,对于长期处在高转速工况下的商用车发动机耗[
以一维模型计算所得的结构参数为基础,建立可变排量叶片泵三维模型,并采用Pinx软件对其umLp
制作样件后进行试验研究,根进行CFD计算分析,据C提出结构改进方案。FD计算和试验结果,1 可变排量叶片泵结构设计
叶片泵集成于发动机的前端盖上,由曲轴驱动。在设计初期,整车厂对该泵的设计尺寸空间进行了详细的限定,主要包括吸、排油口大小和位置,驱动
来说,采用变排量机油泵最多能降低3%的燃油
2]
。消耗[
本文结合发动机全工况对润滑油的实际需求,
收稿日期:11193201--
);)基金项目:上海市教育委员会科研创新项目(国家自然科学基金项目(XY115110611411C
,:作者简介:王琦玮(男,博士生,主要研究方向为发动机节能与排放控制技术,ai7—)E-mlwaniwei1987@hotmail.com;198gq
:,倪计民(联系人)男,教授,博导,主要研究方向为发动机节能与排放控制,ailnmwxotmail.com。E-m@hjjy
016年第1期 2内 燃 机 工 程
·131·
轴大小和位置,泵体许用设计空间等。根据上述要求、设计参数、一维仿真结果及工艺性要求,采用/IAUG等三维建模软件对可变排量叶片泵进CAT
行具体结构设计,如图1所示
。本文中将该模型用1表示。Alhap
[5]
空化模型采用文献流模型采用标准k-ε湍流模型,
[]提出的完全空化模型,具体的计算边界条件和相6
关参数见表1。
表1 计算初始边界条件
项目
计算时间类型计算时间步最大迭代次数流动介质
参数
),转数(4RolutionevR
1440 100
SAE5W30型号润滑油120℃,
2.3 计算结果与分析
对该变量叶片泵模型在选定的七个转速下进
图1 Alha1三维模型p
行计算,得到流量特性及偏心距值如表2和图3所示。
表2 Alha1出口流量及偏心距p
转速/
(·mrin-1)
700 1000 2000 3000 4000 5000 6000
出口流量/
-1)
(L·min
6.71 439. 8.051 19.62 2.882 5.202 25.50
容积效率/
%84.9 83.5 82.0 74.1 70.1 66.9 56.4
偏心距/mm2.702.702.632.111.951.801.80
从图1中可以看出,该可变排量叶片泵主要由泵体、泵盖、外调节环、调节弹簧、安全阀、反馈油道、进油口、出油口、转子、叶片及叶片底部支撑环组成。其中,转子由曲轴驱动旋转,并带动九个叶片完成吸油和压油过程。外调节环可以以支点为圆心在限定范围内摆动。当反馈油道提供的压力大于初始设定值时,外调节环沿弹簧压缩方向摆动,使其与转子之间的偏心距减小,从而改变排量。2 可变排量叶片泵CFD分析2.1 可变排量叶片泵计算模型
本文主要采用Pinx中的可变排量叶片泵umLp模块进行仿真计算。叶片泵的流体域主要包括叶片腔、吸油道、排油道及变量调节阀(外调节环外围流不同的叶片泵流体)等区域。在Pinx软件中,umLp体区域采用不同的网格划分方式。其中吸油道和排油道采用C叶片腔采用变量泵结AB网格划分技术,构化网格划分技术,调节阀采用“cumferentialCir
3]
。最终,”整个流体域的网格网格划分技术[Valve
节点数6数量为4lha1流体48个,61个。A24126
7 p
图3 A1计算出口流量特性lhap
计算得到的可变排量叶片 从图3中可以看出,
泵流量满足与之配套的发动机全工况对润滑油流量/的要求,且流量变化趋势一致。在700rmin00~20 转速范围内,叶片泵基本维持在最大偏心距位置,怠/速流量满足设计要求;在200rmin之间,000~30 偏心距值减小了0.导致叶片泵排量相对明2mm,5/显减少;在3偏心距00rmin转速范围内,000~50
值变化趋于平缓,流量稳步增加;在500000~60
域网格模型如图2所示。
图2 Alha1流体域网格模型p
/转速范围内,叶片泵已达到最小偏心距位置,rmin
排量不再变化,流量几乎不再增加。
从总体上来看,1样机计算值大于配套厂Alhap的要求,这主要是因为计算过程中进行了一些简化,计算值会大于实际值,所以出于工程应用角度,给出。一定的“余量”
2.2 计算边界条件
求解采用计算流体力学中的SLEC算法,IMP中心节点有限体积方三维湍流雷诺平均N-S方程、
法离散方程,差分格式选择二阶精度的中心差分,湍
·132·
内 燃 机 工 程2016年第1期
表3 Alha1流量及扭矩特性试验值p
3 样泵试验验证
根据三维数模图制造手工样泵,并进行流量特性试验。
3.1 试验系统及工况
试验设备为某公司的机油泵综合性能试验台),(具体试验系统如图5所示。该试验系统采用图4
、精度±0.LWGY型流量JYB型压力传感器(5%)
、传感器(精度±0.JN338型转矩转速传感器5%),(加热系统采用J精度±0.P23型温度传5%)WB-感器,并采用参数自整定PID控制技术。在本试验中,将油温控制在(120±2)℃。电动机采用三菱变。按/频器进行闭环控制,转速波动范围≤±5rnmi照计算工况对该样机进行
试验,试验
使用SAE
30润滑油。5W
机油泵转速/
(·mrin-1)
700 1000 2000 3000 4000 5000 6000
出口压力/kPa512 180 270 037 400 420 044
出口流量/
-1)(L·
min
5.8 7.7 14.7 16.6 17.6 19.22 19.22
驱动扭矩/
(N·m)0.420.550.891.121.361.742.23
图6 A
lha1流量计算值与试验值p
由于叶片泵内部压力波动的作用,泵内各零件会发生周期性振动和变形,而CFD模型将各边界层当作刚性体,忽略了部件变形对流量的影响。由图6还/可知,00in时流量值低于要求Alha1样机在60rm p
图4 机油泵综合性能试验台
值,需要对设计的可变排量叶片泵进行结构改进。4 结构优化及性能对比
4.1 结构改进方案
通过上述分析,在保持原设计最大排量不变的基础上主要对吸油腔和排油腔的结构进行改进。结构改进的具体思路是:增大吸、排油腔体积,优化腔内结构,并采用叶片腔两侧同时吸油和排油的方式,以缓解空化现象,提高容积效率并减小泵体内的压力波动。整个结构优化过程中先后设计了多种方案,本文中选取初始方案和最终方案进行对比分析,将最终方案模型用Alha3表示。p
网格数量6Alha3网格模型如图7所示,90637 p个,节点数8边界条件设45个。网格划分方法、291 置及计算工况与Alha1一致。p
图5 可变排量叶片泵性能试验系统示意图
3.2 试验结果与分析
通过机油泵台架试验,得到样机在要求的出口压力下机油泵转速与流量和驱动扭矩之间的关系,如表3所示。将Alha1的流量计算值与试验值进p
行对比,如图6所示。
通过对比分析可以看出,CFD计算值与试验值有较好的一致性,CFD计算结果能够准确反映该变量泵的变量起始点和流量变化趋势。这说明在详细设计阶段,采用CFD软件来分析叶片泵内部流动性能并进行相应的结构优化具有可行性。同时,从图其原因为:6中看出流量计算值普遍大于试验值,
图7 Alha3网格模型p
016年第1期 2内 燃 机 工 程
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4.2 计算结果及对比分析
1和Alha3的流量特性及偏心距位置曲Alhapp
线如图8所示。从图8中可以看出,1与Alhap因此可认为在各转Alha3的偏心距位置几乎一致,p
/速下两个模型的排量一致。在700rmin转00~10 速范围内,两个模型的流量一致,说明在低转速时吸、排油腔的结构改变对泵的容积效率影响不大;在/00rmin转速范围内,3的流量略高1000~30Alha p
/但差别不大;当转速高于3于A1,rmin时,000lha p说明叶片泵在高转Alha3的流量明显高于A1,lhapp
速时,吸油阻力大,吸油
条件恶化,采用大的吸油腔体积及叶片腔两侧吸油的方式能够明显改善叶片泵的吸油能力,从而提高泵的容积效率。
/图9 6000rmin时空化现象对比
加入监测点的方法有效监测压力波动情况。如图10所示,在叶片泵吸、排油腔内共设置了五个监测点,其中四个监测点分别位于配流窗口的启闭位置,另/一个监测点位于排油腔出口位置。对6min000r 时Alha1与Alha3泵腔内的压力波动情况进行对pp比,如图11所示。
图10 监测点布置
图8 Alha1与Alha3流量及偏心距对比pp
Alha1和Alha3模型的出口流量和容积效率pp
/如表4所示。6rmin时,Alha3的容积效率高000 p明显高于A达69%,1。6.lhap
表4 两模型出口流量及容积效率对比
机油泵转速/
(·mrin-1)
700 1000
2000 3000 4000 5000 6000
(出口流量/L·min-1)Alha1p716. 439. 18.05 19.62 22.88 25.20 5.502
Alha3p7.03 9.66 18.81 20.36 25.64 29.15 30.24
容积效率
提高率/%4.82.44.23.81
2.
115.718.6
相lha3模型采用上下两侧同时吸油的设计, Ap
当于使叶片泵增加了一倍的吸油面积,明显改善叶片泵在高速时的吸油能力,空化现象得到缓解,如图由于叶片腔内气泡数量减少,由压力9所示。同时,
突升引起的气泡破裂并进而导致的排油腔金属表面气蚀现象得以缓解。
可以通过另外,在对叶片泵进行CFD分析时,
图11 Alha1与Alha3各监测点波动情况对比pp
从图11可以看出,3各监测点的压力波动Alhap
·134·
内 燃 机 工 程2016年第1期
。由于排油腔体积增大并采用上下明显小于A1lhap侧同时排油的方式,使测点4和测点5点的压力波动测点3点由于处在“能控制在1高压回流”a左右;05P测点位置,压力波动仍较大,但波动幅度比A1小;lhap涡流现象得到缓解,压力1点位置由于采用平缓过渡,
,有效地避免了大的波动范围控制在75089.25Pa3.~压力波动,减小吸油阻力。
/另对6rmin时两个仿真模型出口流量脉动变000 化规律进行比较,如图11的出口流量脉2所示。Alhap/,/;峰谷值差为1动范围为17~33.0Lmin3Lmin6.6.
/,峰Alha3的出口流量脉动范围为26~32.2Lmin6.p
/。其主要原因是A谷值差为5min1模型的排.6Llhap油腔体积较小且有突变结构
,容易使油液形成搅拌、漩涡等复杂流动,从而影响泵的出流流量,产生较大的流量和压力脉动。流线图如图13所示。
/流量和驱动扭矩也相应变小。6rmin时该样机000 能够减少2降低22%的润滑油流量,6%的驱动7.1.扭矩消耗,说明采用可变排量叶片泵能够为发动机节能减排带来一定的贡献。
表5 A3固定偏心距试验lhap
机油泵转速/
(·mrin-1)
700 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Alha3出口流量/p
-1)(L·min
(驱动扭矩/N·m)
最小偏心距0.190.280.631.011.381.892.42
最大偏心距最小偏心距最大偏心距
5.7 67. 6.41 25.4 3.23 7.33 37.8
2 3.2 8.3 13.9 19.9 25.4 27.8
0.44 0.53 0.93 1.45 1.88 2.44 3.06
5 结论
()1CFD计算得到的流量特性与试验结果具有
较好的一致性,能精确预测初始变量点,根据CFD计算结果对叶片泵结构进行优化设计具有可行性。()设计的A3样机能够满足与之配套的发动2lhap
/机全工况要求,在6rmin时该样机能够减少2%00027. 的润滑油流量,降低26%的驱动扭矩消耗。1.()结合分析试验观察到的样机运行状况和试3
验及计算结果发现,叶片泵内部压力峰值和压力波动对叶片泵的侧向泄漏影响较大,在设计时应使其内部压力状况符合相关标准要求。
/图10rmin时Alha1与Alha3排油腔速度流线对比3 600 pp
/图12 6000rmi
n时Alha1与Alha3出口流量对比 pp
参考文献:
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4.3 试验结果及对比分析
试验结果和C制作A
3样机并进行试验,lhaFDp
计算结果对比如图14所示。
图14 Alha3流量计算值与试验值p[]6inhalA K,AthavaleM M,LiH Y,etal.Mathematical S g
basisandvalidationofthefullcavitationmodel[J].ASME ,Trans.J.FluidsEn2002,124:617624. -g
试验结果表明A3样机的流量值能够满足lhap
配套发动机的全工况要求。此外,进一步对A3lhap样机进行定排量试验,试验结果如表5所示。从/开始,该变量泵的偏心距逐渐减小,出口rmin2000
(编 辑:许 蕾)