鄭建，楊名名，吳宇，黃強煒

(上海機動車檢測中心研究認證技術有限公司，上海 201805)

1 引言

發(fā)動機潤滑系統(tǒng)通過飛濺潤滑和壓力潤滑的方式，來減少相關零部件的磨損，同時帶走一部分熱量。潤滑系統(tǒng)需要合理的油壓與流量分配來保證其良好的工作特性。在臺架上進行發(fā)動機試驗時，機油在發(fā)動機內形成閉環(huán)，如果要監(jiān)測各個關鍵運動副或是冷卻單元的機油流量，難以實現(xiàn)，所以臺架監(jiān)測主要以主油道機油壓力監(jiān)測為主。

發(fā)動機設計時會確定各個運行工況所需的機油壓力，通過油泵及管路閥門設計達到其預期性能。隨著零部件的老化以及相關故障的出現(xiàn)，機油壓力可能出現(xiàn)偏離設定值的情況。當機油壓力過低或過高時都會使得潤滑表面難以形成良好油膜，從而加速磨損；機油壓力過高還會對油路、油封、濾清器等造成損傷，誘發(fā)漏油等故障[1-5]。目前發(fā)動機臺架試驗時，依據(jù)整個工作范圍內機油壓力的最大值與最小值，設定單一的閾值來進行監(jiān)測。

臺架試驗中對機油進行單一閾值監(jiān)測方式容易實現(xiàn)成本低，但監(jiān)測覆蓋不夠全面，容易發(fā)生故障。高轉速下機油通道泄漏，機油壓力達到下限閾值需要時間，而發(fā)生泄漏后，部分部件得不到良好潤滑而繼續(xù)運轉會損傷該部件摩擦表面；而低轉速時通道堵塞，機油壓力的增大不會立即觸發(fā)上限閾值，部分部件得不到良好潤滑而繼續(xù)運轉會損傷該部件摩擦表面。圖1中發(fā)動機每個轉速下，機油壓力最大值與最小值的差值百分比最多可達20%以上，表明發(fā)動機各個工況間機油壓力差異明顯。因此有必要針對每個工況分別設置閾值，通過動態(tài)監(jiān)測的方式來監(jiān)測發(fā)動機機油壓力。

圖1發(fā)動機不同轉速下的機油壓力差異性

機油對發(fā)動機起到潤滑和冷卻的作用，機油溫度一定程度上表征著發(fā)動機當前的工作狀態(tài)，因此臺架試驗必須監(jiān)測機油溫度。機油溫度會影響機油的密度與粘度等物性參數(shù)，由此帶來機油壓力的較大變化[6]。所以本文機油壓力動態(tài)閾值的設定將機油溫度的影響納入了預測模型。

2 建立機油壓力預測模型

國內外對于潤滑系統(tǒng)中機油壓力的單獨預測研究較少，基于仿真軟件建立潤滑系統(tǒng)的一維流動模型[7-13]或者三維CFD模型[14]等對整個系統(tǒng)的各個參數(shù)進行同時預測的研究較多?；诹鲃幽Ｐ偷念A測方法準確度較高，但存在一些不足：①計算所需各類參數(shù)較多且復雜，需要額外試驗支撐；②計算成本與時間成本較高；③所能預測參數(shù)多于需求，造成資源浪費。機油壓力主要取決于發(fā)動機轉速、機油溫度、發(fā)動機扭矩等，且一階多元線性模型可較好的預測其變化趨勢[15-16]。因此，本文基于發(fā)動機轉速、機油溫度、發(fā)動機扭矩三個參數(shù)構建機油壓力預測模型。

為保證精度，選用二階多元非線性方程來擬合機油壓力與發(fā)動機轉速、機油溫度、發(fā)動機扭矩的映射關系，如下式(1)所示。

Poil=a0+a1n+a2T+a3M+a4n2+a5T2+a6M2
+a7n·T+a8n·M+a9T·M

(1)

式中：Poil——機油壓力預測值，單位kPa；n——發(fā)動機轉速，單位r·min-1；T——機油溫度，單位K；M——發(fā)動機扭矩，單位N·m；a0～a9——常系數(shù)。

采用在不同試驗臺架測得的三臺不同柴油機萬有特性試驗數(shù)據(jù)，基于該方程通過MATLAB軟件，選取最小二乘法擬合函數(shù)進行迭代求取常系數(shù)值a0～a9，試驗樣品信息如表1所示。

表1 試驗樣品信息

通過擬合計算所得3個機油壓力預測方程，計算各自的萬有特性下的機油壓力值。將其與實測值進行線性回歸分析，如圖2～圖4所示。二者線性相關系數(shù)R2均大于0.99，表明預測模型變化趨勢十分接近實際情況。

圖2樣品1機油壓力預測值統(tǒng)計分析

圖3樣品2機油壓力預測值統(tǒng)計分析

圖4樣品3機油壓力預測值統(tǒng)計分析

如圖5，統(tǒng)計對預測值與測量值的差值百分比(二者誤差)。由此可知二者誤差整體較小且符合正態(tài)分布，平均值0.027%、標準偏差2.089%、5%以內的誤差樣本占比95.4%。

圖5預測值誤差分布圖

繪制發(fā)動機轉速、發(fā)動機轉矩、機油溫度與機油壓力的映射關系圖，如圖6所示。研究發(fā)現(xiàn)：

1)機油壓力隨著轉速增加呈現(xiàn)明顯的正相關趨勢，達到一定轉速后趨于穩(wěn)定；

2)機油溫度的升高使得機油壓力急劇下降，達到某一溫度后變化減緩；

3)機油壓力與發(fā)動機扭矩之間相關度不高。因此，機油壓力的主要影響因素為發(fā)動機轉速和機油溫度。

圖6機油壓力主要影響因素

3 機油壓力的動態(tài)監(jiān)測

3.1 機油壓力閾值曲線

通過構建隨發(fā)動機轉速和機油溫度變化的機油壓力閾值MAP圖，將其輸入到發(fā)動機ECU中來完善發(fā)動機自身的監(jiān)測系統(tǒng)。發(fā)動機工況過渡時，機油壓力與機油溫度等參數(shù)變化趨于穩(wěn)定需要一定的時間。既可以通過分析特定參數(shù)的變化過程，從而制定相應的屏蔽算法；也可以直接在監(jiān)測系統(tǒng)中加入時延裝置，達到一定時間內過濾監(jiān)測信號的效果。

考慮到轉速是發(fā)動機的關鍵參數(shù)，發(fā)動機臺架測控系統(tǒng)中已有完備的相關算法。因此，機油壓力動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在發(fā)動機臺架測試系統(tǒng)應用時，僅采用轉速作為自變量建立機油壓力的監(jiān)控閾值曲線。

基于機油壓力預測模型，在給定發(fā)動機工況與機油溫度范圍內計算相應的機油壓力，從而確定每個轉速下的臨界組值(上限與下限)。該組值增加10%之后作為報警閾值，增加30%作為停機閾值。對于正常的低轉速工況，其壓力相對較低，如果此時設定的閾值(增加10%之后作為報警閾值，增加30%作為停機閾值)低于潤滑油壓力最低要求值時，取廠家規(guī)定的發(fā)動機潤滑所需最低機油壓力。由此構成相應的報警與停機監(jiān)控閾值曲線，將其輸入臺架系統(tǒng)用以動態(tài)監(jiān)控。當發(fā)動機機油壓力越過當前轉速下的報警值時，臺架系統(tǒng)自動彈出報警信息，提醒臺架實驗人員關注發(fā)動機狀態(tài)；當越過停機值，則發(fā)動機自動停機，以免給發(fā)動機帶來損傷。

3.2 臺架試驗驗證

機油壓力的監(jiān)測閾值需將臺架試驗最極端工況考慮在內。在樣品3進行的臺架試驗中，熱機后機油溫度最低60℃，發(fā)動機廠家規(guī)定最高機油溫度115℃。

將閾值曲線導入試驗臺架，在樣品3上進行機油動態(tài)監(jiān)測，見圖7。按照GB 18297-2001《汽車發(fā)動機性能試驗》進行的萬有特性試驗[17]，機油壓力測量結果如圖8所示。可知發(fā)動機在進行穩(wěn)態(tài)試驗時，機油壓力動態(tài)監(jiān)測閾值能涵蓋其所有正常運行工況。

圖7樣品3試驗臺架

圖8穩(wěn)態(tài)試驗機油壓力監(jiān)測

按照GB 17691-2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第Ⅵ階段)》進行的熱態(tài)WHTC試驗[18]，如圖9所示。試驗結果如圖10和圖11所示。由此可知，發(fā)動機機油壓力隨轉速變化趨勢相同；發(fā)動機瞬態(tài)工況下，機油壓力動態(tài)監(jiān)測正常。

圖9熱態(tài)WHTC試驗循環(huán)工況

圖10瞬態(tài)試驗機油壓力動態(tài)監(jiān)測

圖11機油壓力與上下閾值差值統(tǒng)計

樣品3臺架試驗中通過將機油壓力監(jiān)測閾值的下限整體增大，來模擬潤滑系統(tǒng)低壓故障。如圖12和圖13所示，當超過預警限值時，臺架系統(tǒng)彈出報警信息且發(fā)動機繼續(xù)運轉；當超過停機限值時，臺架系統(tǒng)彈出停機信息且發(fā)動機停止運轉；因此故障監(jiān)測功能正常。

圖12低壓報警試驗模擬

圖13低壓停機試驗模擬

4 總結

(1)發(fā)動機各個工況間機油壓力的差異性明顯。臺架系統(tǒng)采用動態(tài)閾值進行監(jiān)測時，可以涵蓋全部運行工況的故障監(jiān)測，精度較高能較好地避免發(fā)動機因為機油壓力監(jiān)測不合理導致出現(xiàn)損傷。

(2)基于發(fā)動機萬有特性數(shù)據(jù)，求解機油壓力和發(fā)動機轉速、機油溫度、發(fā)動機轉矩之間的二階非線性方程來建立機油壓力預測模型。三臺不同發(fā)動機的預測值與實測值的線性相關系數(shù)均在0.99以上，且二者誤差在5%以內的樣本占比95.4%。

(3)由機油壓力預測模型進行分析可知，發(fā)動機轉速與機油溫度為主要影響因素?？紤]到發(fā)動機變工況時相應參數(shù)響應時間不同，需添加屏蔽算法或時延裝置來防止誤報。均衡系統(tǒng)復雜度與監(jiān)測精度，僅以發(fā)動機轉速為自變量構建機油壓力閾值曲線。

(4)給定所需監(jiān)控的發(fā)動機工況以及規(guī)定的機油溫度范圍來計算機油壓力，以各轉速下臨界預測值增量10%作為報警閾值，30%作為停機閾值，低于潤滑油壓力最低要求值時，取廠家規(guī)定的發(fā)動機潤滑所需最低機油壓力。以發(fā)動機樣品3為的穩(wěn)態(tài)試驗、瞬態(tài)試驗和故障模擬試驗，驗證了機油壓力動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的準確性。