小型二沖程發(fā)動機氣缸磨耗對活塞表面狀況的影響分析

鐘賽君 張擎鳴 王強勝 肖 陽

（1－云南經(jīng)濟管理學(xué)院 云南 昆明 650106 2－江蘇理工學(xué)院 3－河南工學(xué)院4-中國石油運輸有限公司云南分公司）

引言

配置有小型二沖程發(fā)動機的鏈鋸和割草機等手持農(nóng)林業(yè)機械制品一直被廣泛使用[1]。然而二沖程發(fā)動機的特性導(dǎo)致這類小型機械在全負荷狀態(tài)或怠速狀態(tài)持續(xù)反復(fù)運轉(zhuǎn)時，發(fā)動機極易產(chǎn)生摩擦與損耗。

另外，二沖程發(fā)動機一般的潤滑方式是燃油和潤滑油一起進入燃燒室，先形成油霧再進行潤滑。這種潤滑方式會導(dǎo)致潤滑油的不充分燃燒極易造成燃燒室堆積物（Combustion Chamber Deposit：CCD）的大量產(chǎn)生，堆積在氣缸壁等位置，并且運動磨耗粉塵極易殘留在活塞和氣缸運動接觸面，造成潤滑狀態(tài)的惡化，從而造成磨耗量持續(xù)增大，最終導(dǎo)致內(nèi)燃機燒結(jié)現(xiàn)象的發(fā)生[2]。內(nèi)燃機燒結(jié)現(xiàn)象帶來的后果是內(nèi)燃機的使用壽命會降低。為了延長內(nèi)燃機的使用壽命，圍繞發(fā)動機磨耗進行調(diào)查研究，探尋氣缸磨耗的影響因素，尋求保持最優(yōu)潤滑狀態(tài)的措施就顯得尤其重要[3]。

本文針對小型二沖程發(fā)動機氣缸磨損對活塞表面狀態(tài)的影響狀況進行試驗分析，來研究氣缸磨耗和活塞表面狀態(tài)的相互影響結(jié)果。實驗設(shè)置兩臺不同的小型二沖程發(fā)動機進行斷續(xù)長時間運轉(zhuǎn)，選取不同運轉(zhuǎn)時刻的表面粗糙度值進行比較分析，研究氣缸表面粗糙度和活塞表面粗糙度之間的聯(lián)系，從而為降低摩擦與損耗提供理論依據(jù)。

1 實驗裝置及實驗方法

1.1 實驗裝置

本試驗使用發(fā)動機排氣量為32.2 mL 的通用單缸空冷小型二沖程發(fā)動機。實驗中使用的燃料與潤滑油的混合比是50:1。

實驗使用的氣缸和活塞分別用不同的加工方式組合。為了區(qū)別和分析比較實驗結(jié)果，本文中將兩種組合分別命名為A 和B。組合A、B 的具體情況如下：

A：精密加工的氣缸+研磨加工的活塞。

B：精密加工的氣缸+表面鍍合金的活塞。

氣缸的材料為ADC12 鋁合金，內(nèi)表面使用鍍鉻處理（Hv800～1 000）。精密加工氣缸的內(nèi)表面使用現(xiàn)代加工技術(shù)，保證表面的粗糙度在Ra=0.15～0.3。活塞的材料是AC9A（HB90-125）鋁合金。研磨的活塞是使用Ni-P-B 鍍層（Hv700），活塞裙部的表面使用在圓弧上進行條痕加工技術(shù)處理。

1.2 實驗方法

實驗盡可能地接近實際發(fā)動機運轉(zhuǎn)條件來設(shè)置實驗條件，即在全負荷（WOT，轉(zhuǎn)速為9 000 r/min）運轉(zhuǎn)20 s，低速（轉(zhuǎn)速為3 500 r/min）運轉(zhuǎn)10 s 的狀態(tài)下持續(xù)地運轉(zhuǎn)狀態(tài)。全負荷時燃料消耗量為：0.88～0.92 L/h，怠速時燃料消耗量為：0.2～0.24 L/h。

實驗使用三元粗糙度測定器（日產(chǎn)，型號為小坂SE-3AK）進行接觸表面粗糙度的測量及評價。比較排氣孔上側(cè)在不同的潤滑條件下的活塞表面粗糙度情況。不同的潤滑條件下，燃燒堆積物的生成和剝離情況也不相同，潤滑較充分的條件下，燃燒堆積物的生成和剝離都比較容易，反之則比較困難。圖1 所示為氣缸的排氣孔（Ex.Port），進氣孔（In.Port）及掃氣孔（Sc.Port）所對應(yīng)的運動面上活塞位置的示意圖。

圖1 各個氣孔在活塞上的對應(yīng)部位

2 實驗結(jié)果與討論

發(fā)動機斷續(xù)運轉(zhuǎn)20 h，每5 h 測量一次表面粗糙度。組合A 和組合B 同時開始各自運轉(zhuǎn)了100 h。圖2 是組合A 活塞的粗糙度測量結(jié)果顯示圖，圖3 是組合B 活塞粗糙度測量結(jié)果顯示圖。由圖能看出，運轉(zhuǎn)5 h 后，組合A 活塞除了排氣孔部分之外粗糙度Ra值減小。分析其原因，考慮是由于處于初期磨損時期，所以造成表面粗糙度值的減小。

圖3 組合B 活塞粗糙度測量結(jié)果

圖4 顯示的是活塞初期狀態(tài)的粗糙度曲線圖。圖5 顯示的則是組合A 活塞的排氣孔在運轉(zhuǎn)5 h 之后的粗糙度曲線圖。由圖4 能看出，活塞初期的粗糙度曲線保持穩(wěn)定的變化趨勢。由圖5 能得出組合A 活塞排氣孔部位由于運轉(zhuǎn)表面粗糙度增加的原因，與進氣孔相比，排氣孔部位的slap 現(xiàn)象導(dǎo)致的活塞磨損現(xiàn)象更嚴重，圖4 和圖5 顯示出由初期的條痕加工的痕跡依然還在的原因。

圖4 活塞初期狀態(tài)的粗糙度曲線圖

圖5 組合A 活塞的排氣孔在運轉(zhuǎn)5 h 之后的粗糙度曲線圖

與此相對應(yīng)的是，組合B 在運轉(zhuǎn)5 h 之后，排氣孔部位的粗糙度值減小的原因，考慮是由于活塞表面進行鍍金屬膜處理其硬度變大而造成的。并且，兩個組合的活塞均在運轉(zhuǎn)5 h 至20 h 之內(nèi)，就粗糙度的增大及減小的原因而言，考慮是由于活塞處于初期磨損狀態(tài)，且測定位置依然保持的條痕加工痕跡來考慮。組合A 的粗糙度增大量與組合B 相比較大，分析原因考慮是與是否鍍金屬膜相關(guān)。鍍金屬膜的活塞表面硬度較高，條痕加工痕跡保持效果較好。組合A 活塞的運轉(zhuǎn)時間從20 h 到50 h 的階段內(nèi)，表面粗糙度在緩慢減小。運轉(zhuǎn)50 h 之后，向著Ra=0.1～0.3 μm 推移。以此相對應(yīng)的組合A 活塞在運轉(zhuǎn)20 h到50 h 之內(nèi),由初期磨損開始向定常磨耗發(fā)展。組合B 活塞在運行20 h 之后朝向Ra=0.1～0.3 μm 穩(wěn)定值推移。由20 h 開始從初期磨耗向定常磨耗發(fā)展。

組合A 和組合B 活塞的排氣孔和進氣孔表面粗糙度的變化用斷面曲線來表示。分別如圖6～圖9 所示。圖6～圖9 中顯示油膜油路的保持性能，由圖能看出：規(guī)定的運行時間之后，朝向0 μm 附近減小的趨勢發(fā)展。

組合A的活塞的排氣孔在運轉(zhuǎn)20 h 之后，油膜油路的保守性能與組合B 的活塞排氣孔在20～100 h時間段運轉(zhuǎn)時的油膜油路保持性能很相似。從這個現(xiàn)象來看，表面鍍金屬合金與沒有進行加工處理比較，活塞方面在運轉(zhuǎn)20 h 之后油膜油路的保持能力較高，即保持著充分的潤滑特性。然而運轉(zhuǎn)在經(jīng)過100 h 之后，針對活塞而言，有著相同程度的磨耗。并且粗糙度的推移量、潤滑油的保持量、磨屑和燃燒室堆積物的最終狀態(tài)基本上是相同的，這就驗證了在初期磨耗與最終的活塞狀況如何與鍍膜有無是沒有關(guān)系的。

圖6 組合A 活塞排氣孔表面粗糙度的變化

圖7 組合A 活塞進氣孔表面粗糙度的變化

圖8 組合B 活塞排氣孔表面粗糙度的變化

圖9 組合B 活塞進氣孔的表面粗糙度的變化

組合A 活塞運轉(zhuǎn)5 h 之后，由于活塞的slap 現(xiàn)象發(fā)生而導(dǎo)致排氣孔與進氣孔的Ra存在著差異。但是在向定常磨耗推移后，這種差異逐漸變小。同樣地，觀察組合B 的磨耗向定常磨耗推移后的狀況，也能得出相同的結(jié)論。因此，向定常磨耗推移后，由于活塞slap 現(xiàn)象的發(fā)生，導(dǎo)致活塞對潤滑條件的要求變得苛刻[4]。

3 結(jié)論

1）活塞向定常磨耗移動，潤滑油保持量、磨屑以及燃燒堆積物的排除機能與活塞表面是否有鍍層沒有關(guān)系。

2）定常磨耗狀態(tài)下，活塞slap 現(xiàn)象運動加劇活塞磨擦與損耗，從而導(dǎo)致潤滑條件的苛刻。