手持式單缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)油氣分離結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究

王 見(jiàn)

（臨沂科技職業(yè)學(xué)院 山東 臨沂 276000）

引言

小型通用發(fā)動(dòng)機(jī)具有升功率大、比質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)轉(zhuǎn)提速快、使用方式靈活等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)等領(lǐng)域。其主要的配套產(chǎn)品有各種規(guī)格的手持式和背負(fù)式割灌（草）機(jī)、背負(fù)式噴霧（噴粉）機(jī)、綠籬修剪機(jī)、采茶機(jī)、小型水泵機(jī)組、小型發(fā)電機(jī)組、動(dòng)力噴霧機(jī)、油鋸、風(fēng)力清掃機(jī)、小型建筑施工機(jī)械以及滑板車、舷外機(jī)、輕型摩托車等交通機(jī)械，市場(chǎng)需求巨大。與此同時(shí)，用戶對(duì)產(chǎn)品可靠性及使用成本的要求不斷增大。所以，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性以及降低產(chǎn)品的使用成本，對(duì)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力提高有巨大的促進(jìn)作用。

油氣分離是單缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)，它直接決定著發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油消耗量、潤(rùn)滑系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命及發(fā)動(dòng)機(jī)有害物質(zhì)的排放。為了減少發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油消耗量、保證發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的穩(wěn)定性、提高發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命、降低發(fā)動(dòng)機(jī)有害物質(zhì)的排放，本文基于某園林機(jī)械用手持式單缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)了一種多腔多級(jí)式潤(rùn)滑系統(tǒng)油氣分離結(jié)構(gòu)。

1 手持式單缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)

本文所用發(fā)動(dòng)機(jī)為某園林機(jī)械用手持式單缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 單缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

2.1 潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以發(fā)動(dòng)機(jī)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力作為發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)潤(rùn)滑油霧循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)控制特定單向閥保證潤(rùn)滑油的單向循環(huán)，進(jìn)而達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的潤(rùn)滑要求。圖1 為單缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該潤(rùn)滑系統(tǒng)主要包含油底殼、曲軸箱、凸輪室、搖臂室、油氣分離結(jié)構(gòu)、單向閥以及潤(rùn)滑油道等，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，是作為配套園林植保機(jī)械用發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的不二選擇。

圖1 潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 潤(rùn)滑油的霧化過(guò)程

要實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑功能，首先要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的潤(rùn)滑油進(jìn)行霧化。圖1 所示的潤(rùn)滑系統(tǒng)中，油底殼內(nèi)的潤(rùn)滑油依次通過(guò)機(jī)油管、曲軸機(jī)油通道進(jìn)入曲軸箱內(nèi)，依靠發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)體溫度與曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在曲軸箱內(nèi)形成潤(rùn)滑油霧。具體的霧化過(guò)程為：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，簧片閥關(guān)閉，曲軸箱內(nèi)的壓力狀態(tài)為負(fù)壓。此時(shí)，潤(rùn)滑油自油底殼經(jīng)機(jī)油管進(jìn)入曲軸箱內(nèi)，在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體溫度的作用下，具有一定溫度的潤(rùn)滑油在曲軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力以及曲軸平衡塊攪拌的作用下，被順利霧化。

2.3 潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑過(guò)程

圖1 所示的潤(rùn)滑系統(tǒng)中，潤(rùn)滑過(guò)程如圖2 所示。

圖2 潤(rùn)滑過(guò)程

1）當(dāng)活塞向上運(yùn)行時(shí)，曲軸箱內(nèi)的壓力狀態(tài)為負(fù)壓，簧片閥關(guān)閉，此時(shí)油底殼內(nèi)的壓力大于曲軸箱內(nèi)的壓力，在壓力差的作用下，油底殼內(nèi)的液態(tài)潤(rùn)滑油經(jīng)機(jī)油管進(jìn)入到曲軸箱內(nèi)，液態(tài)潤(rùn)滑油在進(jìn)行相應(yīng)霧化的同時(shí)，對(duì)曲軸箱內(nèi)的曲軸組件進(jìn)行相應(yīng)的潤(rùn)滑；當(dāng)活塞上行至掠過(guò)氣缸壁的通油孔時(shí)，在負(fù)壓作用下，油底殼內(nèi)的潤(rùn)滑油霧以及液化后的部分潤(rùn)滑油到達(dá)氣缸壁上，對(duì)活塞組件進(jìn)行相應(yīng)的潤(rùn)滑。

2）當(dāng)活塞向下運(yùn)行時(shí)，曲軸箱內(nèi)的壓力狀態(tài)為正壓，簧片閥開(kāi)啟，潤(rùn)滑油霧經(jīng)機(jī)油通道依次進(jìn)入到凸輪室、搖臂室、油氣分離結(jié)構(gòu)內(nèi)，分別對(duì)凸輪組件、配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的潤(rùn)滑，參與潤(rùn)滑后的潤(rùn)滑油霧在油氣分離結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行液化；液化后的潤(rùn)滑油被回吸至潤(rùn)滑系統(tǒng)中，重新進(jìn)入下一潤(rùn)滑循環(huán)。需要指出的是，在油氣分離室內(nèi)未完全液化的潤(rùn)滑油會(huì)自平衡管內(nèi)逃逸至空氣濾清器中，進(jìn)入到燃燒室內(nèi)進(jìn)行燃燒。

3 多腔多級(jí)式潤(rùn)滑系統(tǒng)油氣分離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 多腔多級(jí)式潤(rùn)滑系統(tǒng)油氣分離結(jié)構(gòu)的工作原理

多腔多級(jí)式潤(rùn)滑系統(tǒng)油氣分離結(jié)構(gòu)的工作原理如圖3 所示。

圖3 多腔多級(jí)式潤(rùn)滑系統(tǒng)油氣分離結(jié)構(gòu)的工作原理

油氣分離結(jié)構(gòu)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的終端位置，目的是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部環(huán)境與外界環(huán)境相通，從而使各腔室之間獲得所需壓力差的同時(shí)，能夠有效減少參與潤(rùn)滑后的潤(rùn)滑油逃逸至外部環(huán)境，避免造成環(huán)境污染。由此，油氣分離結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣口與預(yù)設(shè)定的發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑終端腔室（搖臂室）相連，參與潤(rùn)滑后的潤(rùn)滑油霧在壓力差的作用下進(jìn)入油氣分離結(jié)構(gòu)，經(jīng)多級(jí)冷凝后，潤(rùn)滑油霧液化，進(jìn)而與空氣分離；分離后的空氣經(jīng)平衡管導(dǎo)入至發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣側(cè)，參與燃燒；分離得到的液態(tài)潤(rùn)滑油在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)壓的作用下再次進(jìn)入潤(rùn)滑循環(huán)系統(tǒng)，參與后續(xù)潤(rùn)滑。

3.2 多腔多級(jí)式潤(rùn)滑系統(tǒng)油氣分離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

1）油氣分離結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)易性。油氣分離結(jié)構(gòu)必須具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、保養(yǎng)方便、成本較低等特性。對(duì)于園林機(jī)械用手持式單缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，輕量化是關(guān)系到用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵性指標(biāo)。由于使用環(huán)境惡劣，要求所設(shè)計(jì)的油氣分離結(jié)構(gòu)必須易于使用者維修保養(yǎng)。

2）保證油氣分離的有效性。油氣分離結(jié)構(gòu)最主要的功能是將參與潤(rùn)滑后的潤(rùn)滑油霧進(jìn)行液化，使之與空氣分離。其中的液體潤(rùn)滑油會(huì)被回吸至油底殼或者曲軸箱，再次進(jìn)入潤(rùn)滑循環(huán)；而其中的空氣會(huì)經(jīng)平衡管引至發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣側(cè)，參與燃燒。在此過(guò)程中，會(huì)有部分潤(rùn)滑油隨分離后的空氣逃逸至發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣側(cè)，燃燒后形成積碳。

3）油氣分離結(jié)構(gòu)應(yīng)具有可實(shí)施性。手持式單缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)，潤(rùn)滑油的循環(huán)動(dòng)力主要依靠發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力。作為潤(rùn)滑系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，油氣分離結(jié)構(gòu)的動(dòng)力源應(yīng)取自該脈動(dòng)壓力。此外，作為潤(rùn)滑系統(tǒng)中連接外部環(huán)境與內(nèi)部環(huán)境的銜接結(jié)構(gòu)，油氣分離結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠小的阻力，以保持發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)外部環(huán)境的壓力平衡。

3.3 多腔多級(jí)式潤(rùn)滑系統(tǒng)油氣分離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

1）供油壓力設(shè)計(jì)。如上所述，潤(rùn)滑油是通過(guò)在零部件之間形成潤(rùn)滑油膜來(lái)達(dá)到潤(rùn)滑目的的，以滾動(dòng)摩擦零部件為例，潤(rùn)滑油膜的形成模型如圖4 所示。

圖4 潤(rùn)滑油膜的形成

假設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)線速度為v1的零部件A 與以轉(zhuǎn)動(dòng)線速度為v2的零部件B 做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)2 個(gè)零部件之間的潤(rùn)滑油以平均線速度v=（v1+v2）/2 進(jìn)行流動(dòng)。在潤(rùn)滑過(guò)程中，需要有足夠的機(jī)油對(duì)零部件連續(xù)不斷地進(jìn)行潤(rùn)滑。由此來(lái)看，潤(rùn)滑油必須有足夠的供油壓力。對(duì)于本文所采用的手持式單缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)講，油氣分離室是連接大氣環(huán)境與曲軸箱的過(guò)渡環(huán)節(jié)，供油壓力絕大部分要依靠油氣分離室的流動(dòng)阻力來(lái)保持[1]。因此，本文優(yōu)先考慮最低供油壓力。在發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)運(yùn)動(dòng)副中，曲柄銷與連桿之間的相對(duì)滑動(dòng)速度是最大的，在確定最低供油壓力時(shí)，選用以連桿大頭軸承所要求的最低供油壓力進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算[2]，計(jì)算公式如下：

式中：pmin為最低供油壓力，kPa；v 為運(yùn)動(dòng)副的相對(duì)滑動(dòng)速度，m/s；ρ 為潤(rùn)滑油密度，取0.85×103kg/m3。

2）曲軸箱壓力設(shè)計(jì)。曲軸箱壓力形成模型如圖5所示。

圖5 曲軸箱壓力形成模型

如上所述，要保證潤(rùn)滑油膜的形成，需要足夠大的曲軸箱壓力來(lái)保證供油壓力。但曲軸箱壓力并不是越大越好，過(guò)大的曲軸箱壓力，一是在活塞做功階段（活塞下行），會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和能量損耗；二是會(huì)造成活塞環(huán)開(kāi)口間隙反向竄油，從而造成機(jī)油大量消耗[3]。本文進(jìn)行曲軸箱壓力設(shè)計(jì)的宗旨是在滿足供油壓力的基礎(chǔ)上，盡量減少活塞環(huán)開(kāi)口間隙反向竄油。所謂的活塞環(huán)開(kāi)口間隙反向竄油，就是當(dāng)曲軸箱壓力過(guò)大時(shí)，造成頂環(huán)槽或者二環(huán)岸的壓力大于燃燒室壓力，機(jī)油通過(guò)頂環(huán)開(kāi)口間隙被壓入燃燒室，引起機(jī)油上竄。頂環(huán)上容積腔與下容積腔的壓力差和活塞環(huán)的開(kāi)口間隙是影響反向竄油的主要因素[4]。其表達(dá)式如下：

3.3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

潤(rùn)滑循環(huán)終端設(shè)計(jì)在發(fā)動(dòng)機(jī)的搖臂室，參與潤(rùn)滑后的潤(rùn)滑油霧在壓力作用下進(jìn)入油氣分離室內(nèi)。油氣分離室采用多腔多級(jí)分離設(shè)計(jì)，保證潤(rùn)滑油霧的充分液化。在本文設(shè)計(jì)的油氣分離結(jié)構(gòu)中，設(shè)計(jì)了一個(gè)帶有虹吸孔的虹吸板。虹吸板的引管與機(jī)油回收室一體，且該引管與曲軸箱的負(fù)壓室相連。在潤(rùn)滑過(guò)程中，液化后的潤(rùn)滑油霧被虹吸孔回吸至油底殼進(jìn)行下一潤(rùn)滑循環(huán)。油氣分離過(guò)程中，油氣依次通過(guò)油氣分離室中的多組冷凝裝置，保證參與潤(rùn)滑后的潤(rùn)滑油霧有效液化。此外，在油氣分離室的頂部設(shè)計(jì)了一個(gè)與空氣濾清器相連通的通氣腔，通氣腔可以將少量未液化的潤(rùn)滑油霧經(jīng)空氣濾清器引至發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口，參與二次燃燒，減少二次污染。本文設(shè)計(jì)的油氣分離結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 油氣分離結(jié)構(gòu)

4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

4.1 各腔室壓力測(cè)定與分析

壓力測(cè)試采用西門(mén)子公司的ZSE80F 數(shù)字式壓力表進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果如圖7 所示。

圖7 各腔室壓力

由圖7 所示的測(cè)試結(jié)果可知：

1）曲軸箱、油氣分離室的壓力呈現(xiàn)正壓與負(fù)壓交替的狀態(tài)，且呈現(xiàn)近似對(duì)稱規(guī)律，即平均壓力接近0，符合設(shè)計(jì)要求；

2）搖臂室內(nèi)的壓力呈現(xiàn)正壓與負(fù)壓交替的狀態(tài)，但平均壓力呈現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)；且在曲軸箱及油氣分離室呈現(xiàn)正壓時(shí)，搖臂室呈現(xiàn)負(fù)壓；在曲軸箱及油氣分離室呈現(xiàn)負(fù)壓時(shí)，搖臂室呈現(xiàn)正壓，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 機(jī)油消耗量的測(cè)定與分析

重力測(cè)量法是通過(guò)測(cè)量機(jī)油的質(zhì)量來(lái)測(cè)量機(jī)油消耗量，分為放油稱重法和連續(xù)稱重法。

放油稱重法只需要電子秤和放油工裝即可，測(cè)試過(guò)程為：首先對(duì)加入機(jī)油的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行稱重獲得質(zhì)量M1，在標(biāo)定工況或者額定轉(zhuǎn)速下，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行足夠長(zhǎng)的時(shí)間t 后（至少運(yùn)行8 h），再對(duì)測(cè)量樣機(jī)進(jìn)行稱重獲得質(zhì)量M2，最終的機(jī)油消耗量為：

連續(xù)稱重法需要電子秤的同時(shí)，還需要機(jī)油收集裝置。通過(guò)對(duì)收集裝置中的機(jī)油進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，計(jì)算出機(jī)油消耗量。

相比于放油稱重法，連續(xù)稱重法所獲得的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，但單獨(dú)操作難度更大。

綜合試驗(yàn)精度要求及試驗(yàn)條件，本文采用放油稱重法進(jìn)行機(jī)油消耗量測(cè)試，具體測(cè)試過(guò)程為：

1）隨機(jī)抽取4 臺(tái)樣機(jī)，分別配置普通油氣分離結(jié)構(gòu)，連續(xù)運(yùn)行8 h 后，測(cè)試其機(jī)油消耗量；

2）將4 臺(tái)樣機(jī)分別更換本文所設(shè)計(jì)的油氣分離結(jié)構(gòu)，連續(xù)運(yùn)行8 h，測(cè)試其機(jī)油消耗量。

測(cè)試結(jié)果如表2 和圖8 所示。

圖8 機(jī)油消耗量對(duì)比

表2 機(jī)油消耗量測(cè)試結(jié)果

從表2 和圖8 所示的測(cè)試數(shù)據(jù)可知，配套本文設(shè)計(jì)的油氣分離結(jié)構(gòu)后，機(jī)油消耗量明顯減少，平均減少了約22.7%。所以，本文設(shè)計(jì)的油氣分離結(jié)構(gòu)能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)中的潤(rùn)滑油霧進(jìn)行有效液化。

如果機(jī)油消耗量減少，不僅可降低使用成本，還可間接地降低發(fā)動(dòng)機(jī)有害物質(zhì)的排放[5]。由此可知，本文設(shè)計(jì)的油氣分離結(jié)構(gòu)能夠有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑穩(wěn)定性，降低發(fā)動(dòng)機(jī)有害物質(zhì)的排放。

5 結(jié)論

本文基于某園林機(jī)械用手持式單缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)了一種多腔多級(jí)式潤(rùn)滑系統(tǒng)油氣分離結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)論如下：

1）從曲軸箱內(nèi)壓力的測(cè)試結(jié)果可知，曲軸箱內(nèi)最大正壓可達(dá)14 kPa，能夠減少因活塞環(huán)開(kāi)口間隙反向竄油而造成的機(jī)油消耗量。

2）曲軸箱、油氣分離室的壓力呈現(xiàn)正壓與負(fù)壓交替的狀態(tài)，且呈現(xiàn)近似對(duì)稱規(guī)律，即平均壓力接近0，能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求。

3）搖臂室內(nèi)的平均壓力為負(fù)壓，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)需求。

4）相比于采用普通油氣分離結(jié)構(gòu)，采用本文設(shè)計(jì)的油氣分離結(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油消耗量平均減少了約22.7%。

5）由于機(jī)油消耗量減少，本文設(shè)計(jì)的油氣分離結(jié)構(gòu)能夠有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑穩(wěn)定性，降低發(fā)動(dòng)機(jī)有害物質(zhì)的排放。