空化是指液体发生气化或者液体内部微气泡膨胀，导致连续的液相被气体打断的一种现象。由Reynolds方程可知，在滑动轴承中存在负压区，当该区域压强低于液体中气体的析出压强或低于润滑油的蒸气压强时，便会在轴承中出现气相区域，将油膜断开成空化区域。一般认为润滑油的空化对轴承的润滑性能影响很大，而连杆轴承的载荷在不断变化，空化区域也在不断变化，这也使得空化区域内产生的空泡更容易迁移而发生气蚀损伤，而气蚀导致的轴瓦表面材料脱落会大大加速轴承的失效，甚至引发严重安全事故。在当前追求发动机高功率、高转速及低功耗的目标下，柴油发动机滑动轴承的工作条件愈加恶劣，气蚀问题也愈加严重。这引起了众多工程师和学者对轴承空化问题的重视，人们围绕空化区域的计算模拟、潜在的气蚀位点预测及预防措施进行了大量的理论和实验研究。

早在1886年，Reynolds^[1]就首次分析了稳态滑动轴承空化区的形成及其分布对润滑特性的影响。在空化计算的研究中，Elrod^[2-3]创立经典的迁移率方法考虑空化的前提下求解Reynolds方程，计算得到了较好的结果。后续Vijayaraghavan等^[4-5]，Vincent等^[6-7]在Elrod算法的基础上进行了一系列的改进，被大家广泛使用。

在轴承潜在的气蚀危害研究中，1944年Kornfeld等^[8]提出的微空泡射流模型揭示了气蚀的机理，被研究者们广泛接受。当液体中局部压强低于蒸气压强时，液体发生气化产生微气泡。而在之后的某个时刻，气泡周围压强突然升高，靠近固体壁面的气泡发生急剧爆裂，产生高速射流，对固体壁面产生强大的冲击力，导致固体表面发生塑性变形，固体表面在微空泡射流的不断冲击下，发生疲劳剥落。随后Benjamin等^[9]在实验中证明了微空泡射流的存在。Philipp等^[10]的实验结果和Wang等^[11]的数值模拟结果表明，在一定范围内，微空泡与壁面的距离越近，液体黏度越低，产生的微射流冲击力越大。孟范蕾等^[12]将发动机连杆轴承发生气蚀损坏的典型实例根据气蚀损伤的实际特征及原因分为2类：一类为曲轴油孔通过轴承的局部油槽末端时伴随油流中断，从而导致空泡的产生及破裂；另一类为“吸入”与“排出”气蚀。他们认为供油孔与空化区域之间的空间相对位置能合理地解释气蚀破坏的位点。

近年来，许多学者利用FLUENT软件直接求解Navier-Stokes方程，利用VOF(volume of fluid)多相流模型来捕捉近固壁微米尺度空泡溃灭过程中气液相界面的运动。其中李疆等^[13]探究了不同γ条件下近固壁面空泡溃灭时产生的微射流速度及微射流在壁面所产生的压强。夏冬生等^[14]获得了近固壁空泡溃灭过程的流场细节，认为空泡破灭产生的冲击波和高速微射流在固壁面产生脉冲压强是造成壁面损伤的2种主要原因，且冲击波的气蚀破坏更显著。

本文基于AVL-EXCITE软件平台，对发动机连杆轴承空化特性进行模拟计算研究，建立了该型发动机的柔性多体动力学耦合弹性流体动压润滑(EHL)仿真模型。EHL计算采用JFO(Jacobson-Floberg-Olsson)^[15-18]空化边界条件求解修正的Reynolds方程，基于改进的Elrod算法，用填充率来表征空化区域内的油膜与空穴的占比。该方法可以较为准确地捕捉油膜破裂和再形成的边界，结合EHL计算结果中的流量分布及油膜压强分布等信息，可以初步预测潜在的气蚀发生位点，为发动机连杆轴承润滑设计避开气蚀问题提供了理论指导。

1 发动机动力学模型

表 1为本文模拟中选择的发动机主要参数。由此建立发动机的整机模型，如图 1所示。模型中连杆采用有限元缩减模型，通过内置的Auto-Shaft自动识别曲轴的三维模型并划分网格得到缩减模型。为了便于考察油道对空化的影响，主轴承、连杆大小端轴承均使用EHL模型进行计算，主轴承通过油道给连杆大端轴承供油。曲轴绕图 1中x轴正向转动，飞轮端靠近第6缸，所有连杆大端轴承的圆柱坐标系与全局保持一致，并且均取各自的上止位点为0°角。

发动机有多种实际运行工况，为简化分析，后续关于仿真结果的讨论主要在额定工况下进行。发动机六缸工况较为相似，仅是曲轴的变形会对各连杆大端轴承的EHL计算结果有轻微影响，6个连杆大端轴承的空化特性基本一致，因此后面的分析主要以1号连杆为典型代表来进行论述。

本文中采用润滑油牌号为5W30，并且考虑润滑油的黏压效应和黏温效应，采用Vogel-Barus模型：

$ \eta = A\cdot{\rm{exp}}\left( {B/\left( {T + C} \right) + \alpha \cdot p} \right). $

(1)

式中：η为温度T和压强p下的动力黏度(mPa·s)；基准黏度A=3.314×10^-2 mPa·s；Vogel参数B=1 384℃、C=146.9℃；Barus黏压系数α=1.4× 10^-8/Pa。在考察润滑油黏度对空化特性的影响时采用的15W40润滑油也采用相同的模型，调整了相应的参数，取A=3.34×10^-5 mPa·s，B=1 381℃，C=135℃，α=1.5×10^-8/Pa。图 2所示为该模型参数下的2种润滑油黏温/黏压曲线，可以看到，润滑油的黏度随着温度的升高会降低，随着压强的增大而升高。在计算过程中，润滑油的最大黏度被限制在100 mPa·s，供油温度为110℃。润滑油从发动机机箱进入主轴承上瓦的沟槽中，通过曲轴主轴承轴径上的油孔从曲轴内部油道进入到连杆大端轴承轴径中，给连杆轴承供油。

此外，考虑轴承的润滑性能，对连杆轴承轴瓦进行了椭圆修形，在计算过程中考虑了轴瓦在油膜压强下的变形，以及润滑油剪切产生的热量在润滑油及轴径轴瓦中传热，因此在同一时刻，油膜温度分布与局部的剪切率密切相关。

2 空化特性分析

发动机一个工作循环包含4个冲程，依次为做功、排气、吸气、压缩，循环往复，每个冲程曲轴转动180°。从图 3a中可以看到，在4个冲程中做功时轴承载荷最大，在曲轴转角约10°时达到峰值，此时相应的油膜厚度也降至最低，在轴承的出油口处有一大块负压区，压强值降低至润滑油的蒸气压以下，因此在该区域内会产生大量的气泡。在整个做功冲程，承载区均位于上轴瓦，空化区域变化不大，而气泡的大小与其在负压区域内的停留时间正相关，因此空化区内的气泡有足够的时间膨胀长大。在一定范围内，气泡越大，溃灭时产生的微空泡射流的冲击力越大。从图 3b的最小油膜填充率的曲线也能看出，在做功冲程内，最小填充率达到最低值，并且在一段较长的时间内保持。值得注意的是，在从排气冲程向吸气冲程转变的过程中，最小填充率也有一小段时间达到较低值，这主要是由于从排气冲程转换到吸气冲程中，承载区域由上轴瓦转换到下轴瓦，轴径相对于轴瓦有一个快速的向心运动，导致了负压的产生。

图 4和5分别展示了在做功冲程和吸气冲程某个时刻的EHL计算结果。从图 4a和4b展示的压强分布和填充率分布云图可以看出，空化区域发生在油膜承载区出口处，呈现“手指形”分布，基本横跨整个下轴瓦。此时油孔刚好快速通过空化区域，并在此刻“打断”空化区域。而图 5中空化区域位于承载区的左侧，也就是一般意义上的油膜入口区，这主要是因为在从排气冲程转变到吸气冲程过程中，承载区域由上轴瓦变到下轴瓦，轴径相对轴瓦的向心运动导致。

气蚀的发生一般需要2个必要条件：一个是气泡的产生；另一个则是气泡在周围液体的压强下溃灭，产生微空泡射流。在气泡产生后，还需要周围流体的冲击将其压溃才能够形成微空泡射流，从而产生气蚀破坏作用。做功冲程同样满足这2个的条件。图 4c显示了潜在气蚀发生时的轴向流量，此时轴径上的供油孔刚好快速通过空化区，并且与全膜润滑区相同，这势必会使得全膜润滑区的流体与轴孔出来的流体对流，共同挤压该区域的空泡，造成空泡的破灭，而该位点的空泡长期处于负压区，因此空泡的大小相对较大，产生的气蚀冲击也会更强。因此该时刻是一个概率比较高的潜在气蚀位点。

油孔在一个时间段内都经过该空化区域，原理上这期间都会有气泡发生溃灭，因此图 4b中的白色圆圈内为可能的气蚀发生位点。但是在该位点之前的空泡存在时间较短，空泡破灭时冲击力较低，因而可能出现的气蚀损伤较弱。而在该位点之后空化区域断裂为2部分，油孔与后半段空化区域的边缘靠近，并随着空化区域的移动而移动，始终保持在油膜破裂边缘，直至该部分空化区域消失，油膜恢复完整，这一过程未出现油孔冲入空化区域的情形，因此发生气蚀的概率或强度都会有所降低。

通常而言，吸气冲程内工况条件(载荷等)比做功冲程要低很多，相应的空化强度比做功冲程要弱很多，潜在的气蚀问题也不如做功冲程内严重。此外，在该过程中基本上未出现油孔冲入空化区域的情形，往往在油孔靠近空化区域边缘时，油孔便能够给空化区域补充充足的润滑油，使得空化区的面积减小或者形态发生改变。所以可以认为，产生的微空泡不会由于周围高速流体的冲击而发生破灭，而是在较为温和的流体条件下重新溶解到液体相中。因此后续的空化影响因素分析中主要考察做功冲程内的计算结果。

3 空化影响因素分析

连杆轴承的空化特性受多种因素的影响，常见的因素包括润滑油黏度、供油压强及供油孔位置等。适当提高润滑油黏度会降低润滑油的饱和蒸气压，从而降低空化强度；黏度的升高也能降低微空泡膜破裂时带来的冲击力。然而，黏度的升高无疑会使得连杆轴承的摩擦耗散功率增加。提高供油压强也能轻微地改善空化问题，特别是在吸气冲程中。

3.1 润滑剂黏度

随着如今对环保的要求日趋严格，使用低黏度润滑油是大势所趋。但是低黏度的润滑油会加剧滑动轴承的空化问题。本文对比低黏度的5W30和高黏度的15W40润滑油，图 2显示了这2种润滑油的黏度差异。

图 6a表明，在做功冲程内，15W40润滑油的最小填充率比5W30润滑油的更高，这说明提高润滑油的黏度可以降低空化强度。但同时要看到，通过提高润滑油的黏度来降低空化强度，从而降低气蚀概率是以提高摩擦功耗为代价的(见图 6b)，这不是未来解决气蚀问题的有效解决方式。若能实现在降低润滑油黏度的同时不升高其饱和蒸气压，可一定程度上避免空化特性恶化。

随着未来使用的润滑油黏度越来越低，连杆轴承的空化特性会愈加恶劣。此外，根据Philipp等^[10]和Wang等^[11]的研究，低黏度润滑油在微空泡破裂时产生的冲击力更大，对轴瓦表面的破坏也更强。因此，由低黏度润滑油带来的潜在气蚀磨损问题也会越来越显著，对未来轴瓦的抗气蚀能力也提出了更高的要求。

3.2 供油压强

提高供油压强可以及时给连杆轴承补充润滑油，提高油膜的承载能力，并可减轻轴承的空化效应。图 7a中表面供油压强从0.4 MPa提高到0.8 MPa时，在吸气冲程内的最小填充率大幅降低，但是在做功冲程等条件较为恶劣的工况下填充率降低不明显，这主要是因为在做功冲程中，润滑油主要是流出，补充相对较少。提高供油压强可以提高做功冲程内的油膜厚度(见图 7b)，因此承载能力得到提高。此外，润滑油流量加大也会使得润滑油的温度有所降低，从而一定程度上抑制空化。但是供油压强的增大也意味着需要更大的功耗用于供油泵。

4 结论

本文分析了某型号柴油发动机连杆大端轴承轴瓦的空化特性。基于AVL-EXCITE软件平台，建立了该型发动机的柔性多体动力学耦合EHL仿真模型，从而得到填充率来表征空化的特征，并结合轴向流体流量来说明空泡的破裂情况，以综合分析气蚀潜在的产生位点，为其他发动机连杆轴承的气蚀预测提供了参考。

EHL计算结果表明，连杆大端轴承在发动机整个运动循环内都存在空化，主要产生于油膜发散区空化区。在做功冲程内空化区域较大，呈现“手指形”分布，并且在较长时间内保持基本区域不变，这使得该区域内空泡有足够的时间膨胀长大。之后轴径上的供油孔会快速经过该空化区，使得此时空泡发生破裂，产生潜在的气蚀。此外，本文考察了润滑油黏度和供油压强对空化特性的影响。提高润滑油的黏度可以降低润滑油的饱和蒸气压，减弱空化效应，同时可降低微空泡破裂时冲击力的大小，减缓潜在的气蚀磨损，但是会带来摩擦功耗增加等问题。提高供油压强可及时补充润滑油，在吸气冲程内降低空化的效果最明显，同时会使得润滑油流量增加，温度降低，但是会增加供油泵的功耗。