摘要：本文运用VOF计算方法，模拟了发动机内部润滑油回流过程，研究了凸轮轴室几何结构对润滑油回流过程的影响。计算结果表明，发动机凸轮轴室几何结构对润滑油流动情况有较大的影响。通过仿真分析，能快速直观的得到润滑油流动规律，出造成润滑油流动不畅的原因，并提出优化建议，为发动机设计提供了有效的帮助。
关键词：润滑油回流、CFD、VOF
1引言
润滑系统的主要功能是在发动机工作时连续不断地把数量足够的清洁的润滑油输送到全部传动件的摩擦表面，并在摩擦表面之间形成油膜，实现液体摩擦，从而减小摩擦阻力、降低功率消耗、减轻零部件之间的磨损，以达到提高发动机工作可靠性和耐久性的目的[1]。要实现这一功能，必须保证润滑油的供油和回油两方面都能正常工作，即既能以足够高的压力向各润滑部位输送润滑油，又能保证润滑油能顺畅的流回油底壳。
目前对于发动机润滑系统的研究主要侧重于润滑油的供油方面，例如王康[2]进行的内燃机连杆大头轴承润滑CFD分析研究，吴昊天[3]进行的气液两相流对发动机主轴承润滑性能影响的分析研究等。在润滑油回油方面的研究甚少。
本文针对某车用四缸汽油发动机的润滑油回油过程，运用STAR-CCM+进行瞬态CFD分析，研究了回油过程中润滑油的流动规律。
2模型建立
2.1几何模型
本文以某车用四缸汽油发动机为研究对象。图1为具体的几何模型，主要包含活塞、曲轴箱、曲轴、油底壳、回油道、凸轮轴室、缸盖罩、油气分离器等。
2.2网格划分
本文采用STAR-CCM+自带的体网格模型Trimmer进行体网格划分。在保证计算精度的情况下，整体网格尺寸为4mm，边界层数为3层，对局部几何结构复杂区域进行网格加密，网格尺寸为1mm。网格模型如图2所示。
图1 几何模型
图2网格模型
2.3 计算假设和物理模型
在模拟计算中，对实际情况进行了如下假设：1、用空气来代替实际情况下的活塞漏气，2、壁面边界为绝热无滑移。
模拟计算过程采用瞬态VOF计算方法，运用压力-速度分离求解器求解，湍流模型选用k-ε湍流模型。在计算过程中，求解连续性方程、动量方程、能量方程和k-ε湍流模型。
2.4 边界条件
发动机凸轮轴进口边界为流量进口，出口边界为压力出口。具体边界数值如表1所示。
表1边界条件
边界数值
活塞漏气量(总共) 12 L/min
活塞漏气温度80 ℃
润滑油流量14 L/min
润滑油温度130 ℃
出口压力-3000 Pa
参考压力96200Pa
壁面绝热无滑移
3结果分析
图3显示了0-10 s时间内，发动机内部的润滑油分布情况。计算结果表明，润滑油主要通过进气侧的回油道流回油底壳，同时凸轮轴室内部的润滑油已淹没了一定部分的气门，这就要求气门有十分可靠的密封性能。凸轮轴室的润滑油存油量超标，将会影响发动机的可靠性和产品的生产成本。由于凸轮轴的壁面温度较高，如果有大量润滑油长时间的存储在凸轮轴室内，将会导致润滑油变质，缩短润滑油的使用寿命。同时，凸轮轴室的存油量越大，将导致润滑系统需要的润滑油量越大，最终造成发动机成本的提高。
图3 不同时刻润滑油分布
图4为10 s时凸轮轴室内部润滑油分布情况。通过对比分析凸轮轴室内部润滑油分布情况和凸轮轴室的几何结构可知，由于发动机进气侧的回油道进口位置低于排气侧，造成润滑油主要通过进气侧回油道流回油底壳。另外，从图中还可以看出，造成凸轮轴室内润滑油存油量较大的原因是凸轮轴室内设计有隔板，该隔板阻挡了润滑油的流动。
图4 10s时凸轮轴室内部润滑油分布
4优化方案和计算结果
4.1 优化方案模型
通过上述分析发现，造成凸轮轴室润滑油存油量大的原因为凸轮轴室内部设计有隔板。因此优化方案将去除凸轮轴室内部的隔板，以减少凸轮轴室润滑油存油量，具体如图5。
图5 优化模型
4.2 优化方案结果
图6显示了0-10 s时间内，优化方案发动机内部的润滑油分布情况。计算结果表明，优化方案的润滑油流动规律与原方案相同。但可以直观的观察到，在相同时刻下，优化方案油底壳的润滑油油量大于原方案。因此可推断出，优化方案的凸轮轴室润滑油存油量小于原方案。
图6 优化方案不同时刻润滑油分布
图7为原方案与优化方案的计算结果对比。通过对比可以发现，去除凸轮轴室隔板后，凸轮轴室内的润滑油液面明显降低。凸轮轴室的润滑油存油量从0.75L减少为0.51L。该方案有效解决了凸轮轴室润滑油存油量大的问题。
图7 原方案与优化方案对比
5结论
本文通过对某直列四缸汽油发动机内部的润滑油回流进行了CFD仿真分析，发现：
（1）、运用CFD分析方法，能直观详细了解润滑油回流情况，帮助判断产品设计的好坏，并提出优化建议，弥补试验过程中试验现象观察困难的缺点。
（2）、采用VOF 方法模拟追踪两相流自由液面变化情况，在润滑油回流仿真中可以得到较好应用，计算稳定性及计算效率较高。
（3）、后续可利用OVERSET动网格技术，模拟曲轴箱内的润滑油飞溅现象，详细研究曲轴箱内润滑油的分布情况。
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