便攜式小型四沖程汽油機(jī)潤滑系統(tǒng)研發(fā)

田進(jìn)富 劉廣祥 劉占文 顏廷瑞 劉樹程 劉乃孟

（1-山東華盛中天機(jī)械集團(tuán)股份有限公司 山東 臨沂 276017 2-山東衛(wèi)士植保機(jī)械有限公司）

引言

151F 汽油機(jī)是由本公司開發(fā)設(shè)計的一款便攜式小型四沖程汽油機(jī)，該機(jī)型因體積小、質(zhì)量輕，可以360°全方位運(yùn)轉(zhuǎn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)越，一經(jīng)投放市場，深受廣大消費(fèi)者喜愛。相較普通便攜式小型四沖程汽油機(jī)，我們充分優(yōu)化設(shè)計了潤滑系統(tǒng)，使得整機(jī)的使用壽命提升到500 h；同時大大降低了機(jī)油消耗量和廢氣排放；由于回油室設(shè)計在缸蓋罩內(nèi)部，所以整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，故障率低。該機(jī)型的設(shè)計代表了國際同排量便攜式小型四沖程汽油機(jī)的先進(jìn)水平。

1 151F 汽油機(jī)的主要技術(shù)特點(diǎn)及參數(shù)

在產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)過程中，針對潤滑系統(tǒng)，重點(diǎn)分析了國內(nèi)外同類型機(jī)器的優(yōu)缺點(diǎn)，摒棄以往機(jī)型結(jié)構(gòu)復(fù)雜[1]、維修保養(yǎng)不便，潤滑系統(tǒng)故障率高，潤滑效果差等缺點(diǎn)，規(guī)劃了潤滑油路的走向，確定泵油的動力[2-3]，尤其是油霧冷凝回收系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計[4]，大大降低了機(jī)油消耗量及排放，提高了發(fā)動機(jī)的使用壽命，汽油機(jī)參數(shù)如表1 所示。

表1 151F 汽油機(jī)參數(shù)表

2 潤滑系統(tǒng)的工作原理

潤滑系統(tǒng)的動力來自不斷上下運(yùn)動的活塞，由于活塞的上下運(yùn)動導(dǎo)致密閉的曲軸箱內(nèi)產(chǎn)生交替變化的正壓和負(fù)壓?；钊闲袝r曲軸箱為負(fù)壓，此時氣缸體左側(cè)回油孔會將機(jī)油收集盒（組裝在缸蓋罩內(nèi)）里收集的機(jī)油吸入缸體內(nèi)部，同時右側(cè)的回油孔也會將油底殼內(nèi)的機(jī)油吸入缸體內(nèi)部，來實(shí)現(xiàn)缸套、活塞和曲軸的潤滑；活塞下行時曲軸箱為正壓，下箱底部設(shè)置的單向閥打開（活塞上行時關(guān)閉），曲軸箱內(nèi)的油霧或油滴會隨著油氣，沿單向閥排入凸輪軸室，用來潤滑凸輪和搖臂。由于多次往復(fù)運(yùn)動，凸輪室內(nèi)的壓力會逐漸增加，壓力增加的潤滑油霧就會沿著氣門搖臂的推桿孔進(jìn)入缸蓋上部的搖臂室，在搖臂室內(nèi)潤滑氣門及氣門搖臂等運(yùn)動部件。

同樣道理，隨著搖臂室的壓力增加，潤滑油霧將沿機(jī)油收集盒側(cè)邊的冷凝室入口進(jìn)入缸蓋罩迷宮結(jié)構(gòu)的流道，迷宮流道內(nèi)安裝鐵絲網(wǎng)，由于鋁質(zhì)缸蓋罩的導(dǎo)熱和鐵絲網(wǎng)的冷凝作用，機(jī)油油霧會在此凝結(jié)成油滴，由于重力或曲軸箱負(fù)壓作用，凝結(jié)的油滴會通過機(jī)油收集盒上面的小孔流入機(jī)油收集盒內(nèi)部。機(jī)油收集盒下部有一個導(dǎo)油管，導(dǎo)油管通過管道連接到曲軸箱左側(cè)回油孔，機(jī)油會通過此孔流到缸體內(nèi)部。另外缸蓋罩迷宮中被冷凝后的氣體（此時機(jī)油已經(jīng)基本被收集完成）在壓力高時會通過缸蓋罩的大氣平衡孔釋放到空濾器中，發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會吸入燃燒室燃燒掉，避免少量機(jī)油油霧排入大氣。至此機(jī)油完成了自身循環(huán)，不但保證了發(fā)動機(jī)的正常潤滑，也避免了機(jī)油的大量呼出。圖1 是潤滑循環(huán)的簡易流程圖。

圖1 潤滑循環(huán)的簡易流程圖

3 主要結(jié)構(gòu)

3.1 氣缸體

氣缸體選用壓鑄鋁合金YL113，缸套采用硼鑄鐵，減少了因采用鍍鉻缸體造成的環(huán)境污染，又降低了產(chǎn)品的成本。在氣缸體上設(shè)置了左右兩個回油孔，分別與機(jī)油收集盒和油底殼相連。與機(jī)油收集盒相連實(shí)現(xiàn)了機(jī)油的回收和循環(huán)，避免了機(jī)油長時間在過高的溫度下工作結(jié)膠變質(zhì)；與油底殼相連實(shí)現(xiàn)了機(jī)油呼出損耗后能得到及時補(bǔ)充?？杀ＷC潤滑油能均質(zhì)、穩(wěn)定、持續(xù)、可靠地潤滑各運(yùn)動副，如圖2 所示。

圖2 氣缸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 單向閥

單向閥設(shè)置在曲軸箱的下箱上，選用不銹鋼材質(zhì)，為了確保密封效果，密封面增加了3～5°的角度（如圖3 所示），避免緊固后出現(xiàn)翹曲，影響密封性能?；钊滦星S箱壓力高時簧片閥打開，曲軸箱內(nèi)的機(jī)油或油霧進(jìn)入簧片閥壓板密封的油池，隨著壓力增高，機(jī)油及油霧通過上油孔（如圖4 所示）上行進(jìn)入凸輪軸室，實(shí)現(xiàn)對凸輪和下?lián)u臂的潤滑。過量的機(jī)油會通過回油孔（如圖5 所示）流回油底殼。

圖3 單向閥密封結(jié)構(gòu)

圖4 曲軸箱上油孔

圖5 曲軸箱回油孔

3.3 凸輪軸

凸輪軸的凸輪采用粉末冶金，齒輪采用增強(qiáng)尼龍PA66。因凸輪采用粉末冶金材料制作，較采用尼龍材質(zhì)的凸輪型線更穩(wěn)定、平滑，經(jīng)凸輪型線儀檢測凸輪型線如圖6 所示，不但保證了氣門開啟的準(zhǔn)時，而且運(yùn)動機(jī)構(gòu)耐磨性大幅提升，配氣系統(tǒng)運(yùn)動噪聲大大降低。因?yàn)辇X輪采用尼龍，尼龍的耐磨性和減振性大大減少了發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲。凸輪軸如圖7、8 所示。

圖6 凸輪型線圖

圖7 凸輪軸正面

圖8 凸輪軸背面

3.4 缸蓋罩與機(jī)油收集盒

作為潤滑系統(tǒng)能夠可靠循環(huán)的核心部件——機(jī)油收集盒，位于缸蓋的搖臂室上部、缸蓋罩的內(nèi)部，此處溫度較高，為防止高溫變形，材質(zhì)選用增強(qiáng)尼龍PA66，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖9 所示。

圖9 缸蓋罩結(jié)構(gòu)

潤滑油霧沿圖9 所示箭頭流動，先由冷凝室入口進(jìn)入，在通過由機(jī)油收集盒與缸蓋罩裝配形成的迷宮中。迷宮中裝配有冷凝絲網(wǎng)，油霧將在此凝結(jié)成油滴，由于重力及曲軸箱負(fù)壓作用，機(jī)油沿機(jī)油收集盒中的回油孔流入機(jī)油收集盒內(nèi)部，如圖10 所示。收集起來的機(jī)油沿回流管流入氣缸套，潤滑活塞和曲軸。該結(jié)構(gòu)因結(jié)構(gòu)緊湊、故障率低、可靠性好，目前已經(jīng)獲得國家發(fā)明專利。

圖10 機(jī)油收集盒

4 樣機(jī)試驗(yàn)

該機(jī)型適配機(jī)具為背負(fù)式吹風(fēng)機(jī)，除按照小型通用汽油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)完成臺架性能和耐久外，我們模擬吹風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況制作試驗(yàn)臺架，工況設(shè)定為：56 s怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，304 s 滿載持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)500 h 無異常，完全可以滿足用戶的需要。以下是耐久試驗(yàn)0 h和500 h 后各項(xiàng)性能參數(shù)測試數(shù)據(jù)：如表2、圖11、表3 所示，為0 h 臺架性能測試數(shù)據(jù)、曲線和排放測試數(shù)據(jù)。如表4、圖12、表5 所示，為500 h 臺架性能測試數(shù)據(jù)、曲線和排放測試數(shù)據(jù)。

表2 0 h 臺架性能測試數(shù)據(jù)

圖11 0 h 臺架性能測試曲線

表3 0 h 排放測試數(shù)據(jù)

表4 500 h 臺架性能測試數(shù)據(jù)

表5 500 h 排放測試數(shù)據(jù)

圖12 500 h 臺架性能測試曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)過500 h 實(shí)機(jī)耐久后，機(jī)具運(yùn)轉(zhuǎn)正常；從測試指標(biāo)看油耗、功率略有降低，排放略有升高，但耐久前后各指標(biāo)均符合設(shè)計輸入要求。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析：油耗降低與汽油清潔度和汽油中結(jié)膠狀物體部分堵塞了量孔有關(guān)，功率降低和排放升高與運(yùn)動件磨損、氣缸密封降低、燃燒室積炭有關(guān)系，但基本在正常磨損范圍內(nèi)，機(jī)器滿足設(shè)計要求，可以批量生產(chǎn)。

試驗(yàn)中涉及的排放法規(guī)，按GB26133—2010《非道路移動機(jī)械用小型點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)排放污染物排放限值與測量方法》進(jìn)行測試，結(jié)果滿足國Ⅱ規(guī)定，同時在不加任何催化裝置的情況下達(dá)到美國EPA 和CARB Ⅲ階段法規(guī)要求，滿足目前國際最嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。

關(guān)于機(jī)油的消耗，我們采用添加法測試：每運(yùn)轉(zhuǎn)50 h 例行保養(yǎng)，消耗的潤滑油重新添加至上限，經(jīng)測試500 h 耐久期平均機(jī)油消耗量為2.5 mL/h，油底殼內(nèi)機(jī)油溫度始終穩(wěn)定在90～100 ℃。

5 結(jié)論

通過本試驗(yàn)研究，可獲得以下結(jié)論：

1）活塞往復(fù)運(yùn)動產(chǎn)生的負(fù)壓，是實(shí)現(xiàn)有效潤滑的動力，該動力將潤滑油成功輸送到各運(yùn)動副，并將多余的潤滑油及時收回。由于潤滑油的循環(huán)流動，降低了發(fā)動機(jī)溫度，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動副的潤滑。

2）缸蓋罩和機(jī)油回收盒是該潤滑系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)，可以及時回收多余的潤滑油，既減少了機(jī)油的消耗，同時也降低了發(fā)動機(jī)的排放，使發(fā)動機(jī)排放指標(biāo)在不加任何催化裝置的情況下達(dá)到美國EPA 和CARB Ⅲ階段法規(guī)要求，滿足目前國際最嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。

3）由于曲軸箱和油底殼是分離的，機(jī)油不會通過活塞進(jìn)入燃燒室，能夠?qū)崿F(xiàn)360°全方位工作，增加了汽油機(jī)的適用范圍。