不同密封方式對(duì)微型擺式內(nèi)燃機(jī)的影響

吳天宇，史 波

（南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 南京 210016）

不同密封方式對(duì)微型擺式內(nèi)燃機(jī)的影響

吳天宇，史 波

（南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 南京 210016）

建立了微型擺式內(nèi)燃機(jī)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要探究石墨線密封和潤(rùn)滑脂密封的效果。為了便于實(shí)驗(yàn)的研究和分析，利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)在冷態(tài)的情況下進(jìn)行腔室內(nèi)壓力數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)表明，石墨線密封的摩擦較大，壓比上升不夠明顯，而潤(rùn)滑脂密封的摩擦適中，壓比上升明顯。因此，選用潤(rùn)滑脂密封是合適的。

微型擺式內(nèi)燃機(jī)；密封；壓縮比

當(dāng)今社會(huì)，微型便攜式移動(dòng)電子設(shè)備發(fā)展迅速，提供持續(xù)長(zhǎng)久的電能就成了關(guān)鍵性的問(wèn)題。目前使用的電源大多數(shù)是便攜式化學(xué)儲(chǔ)能電池，以鋰電池為主導(dǎo)，這類電池的缺點(diǎn)主要是電量少，已經(jīng)不能滿足便攜式電子設(shè)備對(duì)電源蓄電能力和充電時(shí)間的要求［1］。由于液態(tài)碳?xì)淙剂暇哂泻芨叩哪芰棵芏龋热缙偷哪芰棵芏染褪瞧胀ㄉ逃秒姵氐?0倍［2］，而且燃料與同等能量的化學(xué)儲(chǔ)能電池相比，易于運(yùn)輸、存儲(chǔ)，能量補(bǔ)充簡(jiǎn)單、快捷［3］。所以，目前電源的發(fā)展方向主要集中在以碳?xì)淙剂蠟槟芰康奈?dòng)力源［4-5］。

傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)為活塞在氣缸中作直線式往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)將往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。擺式內(nèi)燃機(jī)突破了傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，將直線式往復(fù)運(yùn)動(dòng)改變?yōu)槔@中心軸的擺動(dòng)，有利于扭矩的傳遞；將傳統(tǒng)的圓柱式氣缸改變?yōu)樯刃螝飧?，可以使結(jié)構(gòu)更加緊湊，尺寸更小［6-7］。這種微型擺式內(nèi)燃機(jī)振動(dòng)小、噪聲低，具有很大的優(yōu)勢(shì)。

由于機(jī)械加工精度的限制，目前為止，微型擺式內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行問(wèn)題主要集中在間隙和泄露上，根據(jù)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算，間隙在10 μm以內(nèi)，每增大1 μm，內(nèi)燃機(jī)效率將下降1%～2%；當(dāng)間隙超過(guò)10 μm時(shí)，每增大1 μm，效率將下降3%以上，如果間隙過(guò)大，內(nèi)燃機(jī)將無(wú)法工作［8-10］。如何解決腔室和擺臂之間的泄露問(wèn)題，成了微型擺式內(nèi)燃機(jī)研究發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵所在。筆者在此基礎(chǔ)上搭建了微型擺式內(nèi)燃機(jī)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并開展了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

圖1 樣機(jī)結(jié)構(gòu)

1 實(shí)驗(yàn)概述

1.1 樣機(jī)參數(shù)

微型擺式內(nèi)燃機(jī)的樣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其實(shí)驗(yàn)樣機(jī)實(shí)物如圖2所示，尺寸參數(shù)見表1，其中擺臂將腔體分為四個(gè)獨(dú)立的燃燒腔，擺臂上開了密封用的線槽。A、B、C處為主要泄露面，A為擺臂上下端面與腔體內(nèi)表面之間的間隙，約為30 μm；B為擺臂前后端面與腔體前面蓋之間的間隙，約為15 μm；C為輪轂與腔體支架之間的間隙，約為15 μm。這三處間隙，如果過(guò)小，會(huì)使擺臂在運(yùn)行過(guò)程中卡死，或是摩擦過(guò)大；如果過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致泄露嚴(yán)重，無(wú)法持續(xù)運(yùn)行。

圖2 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

該試驗(yàn)樣機(jī)為四沖程熱力循環(huán)，當(dāng)它點(diǎn)火運(yùn)行時(shí)是自由擺的狀態(tài)，壓縮比呈周期性變化，不便于測(cè)量和研究。在這里，為了便于探究各種密封方式的效果，設(shè)計(jì)了一套外部的四桿機(jī)構(gòu)，利用電機(jī)帶動(dòng)，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為內(nèi)燃機(jī)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)的四桿機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)范圍為0～70°，設(shè)計(jì)壓比3.3，且該四桿機(jī)構(gòu)在特殊位置時(shí)連桿兩兩正交，機(jī)架為最長(zhǎng)桿，因此，無(wú)急回特性，滿足實(shí)驗(yàn)需求。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)中使用的電動(dòng)機(jī)為220 V/250 W的直流電機(jī)，通過(guò)一個(gè)調(diào)速器調(diào)節(jié)電壓來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，其額定轉(zhuǎn)速為1 480 rpm，額定扭矩為1.8 Nm。實(shí)驗(yàn)在室溫的條件下進(jìn)行，為了獲得腔室內(nèi)部實(shí)時(shí)的壓力變化，在四個(gè)腔室中左下角的腔室內(nèi)開了一個(gè)直徑為2 mm的測(cè)壓孔，通過(guò)一根30 mm長(zhǎng)的引壓管引到腔室外，再利用卡套連接到壓力變送器上。實(shí)驗(yàn)中使用的壓力變送器量程為0～200 kPa，精度為量程的0.5%，響應(yīng)速度為2 ms，通過(guò)4～20 mA電流輸出壓力信號(hào)。壓力信號(hào)輸出到安捷倫34970A數(shù)據(jù)采集器，再由采集器輸出到電腦并保存，其中安捷倫34970A的采樣頻率為25 Hz。

在遵循結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不增加額外密封裝置原則的前提下，主要探究?jī)煞N密封方式的效果：（1）石墨線密封。在擺臂的線槽中嵌入石墨線，由于發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火運(yùn)行的高溫條件，考慮到石墨線的柔性以及耐高溫性，故選用石墨線作為一種密封手段。（2）高溫潤(rùn)滑脂密封。潤(rùn)滑脂作為軸承潤(rùn)滑與密封，效果良好，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火運(yùn)行中的高溫條件，選用高溫潤(rùn)滑脂作為一種密封手段。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）打開電腦電源，壓力變送器電源，電動(dòng)機(jī)電源。（2）連接數(shù)據(jù)采集器與電腦，打開Agilent數(shù)采軟件并設(shè)置好通道及采樣步長(zhǎng)。（3）選擇某種密封方式，安裝調(diào)試試驗(yàn)樣機(jī)，裝上壓力變送器，連接四桿機(jī)構(gòu)與微型內(nèi)燃機(jī)輸出軸。（4）打開采集開關(guān)，開始采集數(shù)據(jù)。（5）調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從0一直緩慢加速到1 400 rpm，觀察壓力數(shù)據(jù)的變化。（6）關(guān)閉電動(dòng)機(jī)，停止數(shù)據(jù)采集，并保存實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

2.1 密封條件

2.1.1 無(wú)密封條件

將實(shí)驗(yàn)樣機(jī)裝配完成后，用扭矩扳手測(cè)得此時(shí)中心擺的摩擦扭矩約為0.3 Nm，在沒(méi)有任何密封措施的條件下，得到了腔內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)如圖3所示。圖3中，橫坐標(biāo)為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ω，縱坐標(biāo)為壓力變送器表壓示數(shù)P。分析圖3可知，內(nèi)燃機(jī)腔內(nèi)壓力隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，且隨著轉(zhuǎn)速的提高，壓力變化的速率也越來(lái)越快，表現(xiàn)為曲線越來(lái)越密，腔內(nèi)出現(xiàn)的負(fù)壓程度也越高。由此可知，運(yùn)轉(zhuǎn)頻率越高，在壓縮時(shí)得到的壓力就越高，做功能力越強(qiáng)；同時(shí)，隨著運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的提高，進(jìn)氣時(shí)腔內(nèi)負(fù)壓也越高，吸氣能力就越強(qiáng)，工質(zhì)更多，做功能力更強(qiáng)。

圖3 無(wú)密封條件下腔內(nèi)壓力曲線

與此同時(shí)，根據(jù)圖3中數(shù)據(jù)，在1 400 rpm的轉(zhuǎn)速下，腔室內(nèi)最高壓力大約只有130 kPa，而四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)壓比為3.3，即在無(wú)泄漏時(shí)，等溫情況下，腔室內(nèi)最高壓力應(yīng)達(dá)到330 kPa左右。因此，微型擺式內(nèi)燃機(jī)如果單純依靠公差配合是無(wú)法達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需的密封要求的。

2.1.2 石墨線密封

石墨及其制品具有高強(qiáng)耐酸性、抗腐蝕和耐高溫性，被廣泛應(yīng)用在冶金、化工、高能物理、航天、電子等方面。文中主要考慮到石墨有下列特性：（1）石墨具有超強(qiáng)的耐高溫性。石墨的熔點(diǎn)為3 800℃左右，即使在超高溫電弧下灼燒，也幾乎沒(méi)有質(zhì)量損失，其熱膨脹系數(shù)也很小。（2）石墨具有良好的導(dǎo)熱性和抗熱震性。在常溫下使用能經(jīng)受住外界溫度的劇烈變化而不致破壞，且體積變化很小，不會(huì)產(chǎn)生裂紋。（3）碳原子之間的空隙結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)，使石墨在工業(yè)上常用作潤(rùn)滑劑，可以在高速、高溫、高壓的環(huán)境下使用。

出于機(jī)體結(jié)構(gòu)和擺臂結(jié)構(gòu)的考慮，在實(shí)驗(yàn)中使用的是直徑為2 mm的石墨線作為填充材料，如圖4所示。由于石墨線柔性的特點(diǎn)，在5 mm深的線槽中嵌入了3層石墨線，將線槽完全填充滿，并使石墨線填補(bǔ)加工裝配時(shí)留下的間隙，這樣做可以盡可能的減小泄露。將實(shí)驗(yàn)樣機(jī)裝配完成后，用扭矩扳手測(cè)得此時(shí)中心軸的摩擦扭矩約為0.8 Nm。

按照實(shí)驗(yàn)步驟完成壓力測(cè)試后，得到腔內(nèi)的壓力變化曲線如圖5。

圖4 石墨線密封

圖5 石墨線密封條件下壓力曲線

由圖5中可見，在石墨線密封的條件下，腔內(nèi)壓力的變化趨勢(shì)隨著轉(zhuǎn)速的提升基本也呈線性關(guān)系，也就是說(shuō)隨著轉(zhuǎn)速的提高，腔內(nèi)的密封性也越來(lái)越好?？梢钥吹皆? 400 rpm轉(zhuǎn)速時(shí)，腔內(nèi)的最大壓力能夠達(dá)到約175 kPa，且腔內(nèi)負(fù)壓也接近-10 kPa，其效果要比無(wú)密封時(shí)好很多。結(jié)合石墨的耐高溫、耐磨等特點(diǎn)，這是一種較好的密封手段。

2.1.3 高溫潤(rùn)滑脂密封

由于石墨特殊的層狀結(jié)構(gòu)，在經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)石墨線有脫落的跡象，且其對(duì)中心軸的影響較大，摩擦扭矩達(dá)到了0.8 Nm，摩擦較大，會(huì)導(dǎo)致輸出軸功的減少，甚至影響機(jī)體穩(wěn)定運(yùn)行。考慮到大型工業(yè)機(jī)械設(shè)備在高溫惡劣環(huán)境下工作時(shí)，其軸承處用到的高溫潤(rùn)滑脂，筆者在這里也試著選用高溫潤(rùn)滑脂來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。潤(rùn)滑脂主要是由礦物油（或合成潤(rùn)滑油）和稠化劑調(diào)制而成，為稠厚的油脂狀半固體，主要用于機(jī)械的摩擦部分，起潤(rùn)滑和密封作用；也可以用于金屬表面，起填充間隙和防銹的作用。

潤(rùn)滑脂的工作原理，是稠化劑將油保持在需要潤(rùn)滑的部件上，當(dāng)潤(rùn)滑脂在機(jī)械中受到運(yùn)動(dòng)部件的剪切作用時(shí)，稠化劑將油釋放出來(lái)，減小運(yùn)動(dòng)面之間的摩擦；當(dāng)剪切作用停止后，它又能恢復(fù)一定的稠度。潤(rùn)滑脂的這種特殊的流動(dòng)性，使其可以用在不適用于潤(rùn)滑油的部位，而且由于它是半固體物質(zhì)，其密封和保護(hù)的作用都要比潤(rùn)滑油好。

在實(shí)驗(yàn)中，筆者將擺臂上的線槽填充滿潤(rùn)滑脂，并在擺臂端面與腔室、擺臂與前后蓋、輪轂與卡臂這三處關(guān)鍵泄露處抹上了潤(rùn)滑脂。實(shí)驗(yàn)中使用的潤(rùn)滑脂為杭州得潤(rùn)寶油脂公司生產(chǎn)的高溫潤(rùn)滑脂，型號(hào)為GH9100超高溫極壓合成潤(rùn)滑脂，工作溫度范圍為-40～600℃。將實(shí)驗(yàn)樣機(jī)裝配調(diào)試完成后，利用扭矩扳手測(cè)得此時(shí)中心擺的摩擦扭矩為0.6 Nm。

按照實(shí)驗(yàn)步驟完成壓力測(cè)試后，得到腔內(nèi)的壓力變化曲線如圖6。從圖6中曲線可見，在高溫潤(rùn)滑脂的密封下，其腔內(nèi)壓力變化與轉(zhuǎn)速也基本呈線性關(guān)系，可以看到在1 400 rpm轉(zhuǎn)速時(shí)，腔內(nèi)最大壓力可以達(dá)到220 kPa，腔內(nèi)負(fù)壓約-10 kPa。實(shí)驗(yàn)中使用的四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)壓比為3.3，用高溫潤(rùn)滑脂可以達(dá)到壓比2.2，說(shuō)明其密封效果較好，且由于其耐高溫的特性，用作微型擺式內(nèi)燃機(jī)的密封手段是較好的。

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

將數(shù)據(jù)采集器采集得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)整理，繪制成如下轉(zhuǎn)速—壓力曲線圖，如圖7所示。其中橫坐標(biāo)為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)為壓力變送器的最大表壓，實(shí)際上運(yùn)行過(guò)程中腔室內(nèi)的壓力是周期性波動(dòng)的，然而在這里筆者較關(guān)心腔室內(nèi)能夠達(dá)到的最大壓力，因此，這里縱坐標(biāo)選用最大表壓?？梢钥吹诫S著轉(zhuǎn)速?gòu)?增加到1 400 rpm，腔室內(nèi)壓力逐步提升，基本呈線性關(guān)系。

圖6 潤(rùn)滑脂密封條件下壓力曲線

圖7 不同密封條件下的轉(zhuǎn)速—壓力關(guān)系

對(duì)比分析以上三種情況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，匯總見表2。

表2 三種情況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)前利用零維數(shù)學(xué)模型算得摩擦力對(duì)內(nèi)燃機(jī)的影響較小，因此，這里只考慮兩種密封方式帶來(lái)泄露量的減少。石墨線密封的情況下，對(duì)比無(wú)密封的情況壓比上升40%，而潤(rùn)滑脂密封的情況下壓比上升70%。在遵循結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不增加額外密封裝置原則的前提下，使用潤(rùn)滑脂密封的泄漏量較少，密封效果更好。

3 結(jié)語(yǔ)

文中搭建了微型擺式內(nèi)燃機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)，在冷態(tài)的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集，對(duì)比研究了兩種密封方式的效果。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，文中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并不能將腔體內(nèi)部壓力情況進(jìn)行完整充分的采集記錄，但其變化范圍和趨勢(shì)是正確的。結(jié)果表明，使用高溫潤(rùn)滑脂密封，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且效果較好。

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責(zé)任編輯：謝金春

The influence of different ways of sealing on micro internal-combustion swing engine

WU Tianyu，SHI Bo
（College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

This paper investigated the leakproofness of graphite yams and lubricating grease by establishing an experimental platform of micro internal-combustion swing engine.A four-link mechanism was set up in order to carry out experiments conveniently at normal temperatures.After experiments，we find that the pressure ratio of the internal-combustion engine using lubricating grease to avoid leakage is larger than that of using graphite yams.The friction of lubricating grease is smaller than that of graphite yams.Therefore，it is more suitable to choose lubricating grease to avoid leakage.

micro internal-combustion swing engine；sealing；pressure ratio

TK121

A

1672-0687（2016）02-0064-04

2015-12-24

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目（2014CB239600）

吳天宇（1992-），男，江蘇蘇州人，碩士研究生，研究方向：傳熱傳質(zhì)。