王 見
(臨沂科技職業(yè)學(xué)院 山東 臨沂 276000)
小型通用發(fā)動機(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,市場需求巨大。與此同時(shí),用戶對產(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,對產(chǎn)品的市場競爭力提高有巨大的促進(jìn)作用。
油氣分離是單缸四沖程發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié),它直接決定著發(fā)動機(jī)的機(jī)油消耗量、潤滑系統(tǒng)的可靠性,進(jìn)而影響發(fā)動機(jī)的使用壽命及發(fā)動機(jī)有害物質(zhì)的排放。為了減少發(fā)動機(jī)的機(jī)油消耗量、保證發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)的穩(wěn)定性、提高發(fā)動機(jī)的使用壽命、降低發(fā)動機(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)動機(jī),設(shè)計(jì)了一種多腔多級式潤滑系統(tǒng)油氣分離結(jié)構(gòu)。
本文所用發(fā)動機(jī)為某園林機(jī)械用手持式單缸四沖程發(fā)動機(jī),發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。
表1 發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
以發(fā)動機(jī)活塞往復(fù)運(yùn)動所產(chǎn)生的脈動壓力作為發(fā)動機(jī)內(nèi)潤滑油霧循環(huán)的驅(qū)動力,通過控制特定單向閥保證潤滑油的單向循環(huán),進(jìn)而達(dá)到發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中的潤滑要求。圖1 為單缸四沖程發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu),該潤滑系統(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)、單向閥以及潤滑油道等,結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉,是作為配套園林植保機(jī)械用發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)的不二選擇。
圖1 潤滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
要實(shí)現(xiàn)潤滑油對發(fā)動機(jī)的潤滑功能,首先要對發(fā)動機(jī)內(nèi)的潤滑油進(jìn)行霧化。圖1 所示的潤滑系統(tǒng)中,油底殼內(nèi)的潤滑油依次通過機(jī)油管、曲軸機(jī)油通道進(jìn)入曲軸箱內(nèi),依靠發(fā)動機(jī)的機(jī)體溫度與曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動在曲軸箱內(nèi)形成潤滑油霧。具體的霧化過程為:當(dāng)發(fā)動機(jī)活塞向上運(yùn)動時(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),潤滑油自油底殼經(jīng)機(jī)油管進(jìn)入曲軸箱內(nèi),在發(fā)動機(jī)機(jī)體溫度的作用下,具有一定溫度的潤滑油在曲軸旋轉(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。
圖1 所示的潤滑系統(tǒng)中,潤滑過程如圖2 所示。
圖2 潤滑過程
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)潤滑油經(jīng)機(jī)油管進(jìn)入到曲軸箱內(nèi),液態(tài)潤滑油在進(jìn)行相應(yīng)霧化的同時(shí),對曲軸箱內(nèi)的曲軸組件進(jìn)行相應(yīng)的潤滑;當(dāng)活塞上行至掠過氣缸壁的通油孔時(shí),在負(fù)壓作用下,油底殼內(nèi)的潤滑油霧以及液化后的部分潤滑油到達(dá)氣缸壁上,對活塞組件進(jìn)行相應(yīng)的潤滑。
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,簧片閥開啟,潤滑油霧經(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),分別對凸輪組件、配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的潤滑,參與潤滑后的潤滑油霧在油氣分離結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行液化;液化后的潤滑油被回吸至潤滑系統(tǒng)中,重新進(jìn)入下一潤滑循環(huán)。需要指出的是,在油氣分離室內(nèi)未完全液化的潤滑油會自平衡管內(nèi)逃逸至空氣濾清器中,進(jìn)入到燃燒室內(nèi)進(jìn)行燃燒。
多腔多級式潤滑系統(tǒng)油氣分離結(jié)構(gòu)的工作原理如圖3 所示。
圖3 多腔多級式潤滑系統(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)動機(jī)潤滑系統(tǒng)的終端位置,目的是實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(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滑后的潤滑油逃逸至外部環(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)動機(jī)潤滑終端腔室(搖臂室)相連,參與潤滑后的潤滑油霧在壓力差的作用下進(jìn)入油氣分離結(jié)構(gòu),經(jīng)多級冷凝后,潤滑油霧液化,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)動機(jī)進(jìn)氣側(cè),參與燃燒;分離得到的液態(tài)潤滑油在發(fā)動機(jī)負(fù)壓的作用下再次進(jìn)入潤滑循環(huán)系統(tǒng),參與后續(xù)潤滑。
1)油氣分離結(jié)構(gòu)的簡易性。油氣分離結(jié)構(gòu)必須具有結(jié)構(gòu)簡單、保養(yǎng)方便、成本較低等特性。對于園林機(jī)械用手持式單缸四沖程發(fā)動機(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滑后的潤滑油霧進(jìn)行液化,使之與空氣分離。其中的液體潤滑油會被回吸至油底殼或者曲軸箱,再次進(jìn)入潤滑循環(huán);而其中的空氣會經(jīng)平衡管引至發(fā)動機(jī)進(jìn)氣側(cè),參與燃燒。在此過程中,會有部分潤滑油隨分離后的空氣逃逸至發(fā)動機(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)動機(jī)的潤滑系統(tǒng),潤滑油的循環(huán)動力主要依靠發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中活塞的往復(fù)運(yùn)動所產(chǎn)生的脈動壓力。作為潤滑系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié),油氣分離結(jié)構(gòu)的動力源應(yīng)取自該脈動壓力。此外,作為潤滑系統(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)動機(jī)內(nèi)外部環(huán)境的壓力平衡。
3.3.1 參數(shù)設(shè)計(jì)
1)供油壓力設(shè)計(jì)。如上所述,潤滑油是通過在零部件之間形成潤滑油膜來達(dá)到潤滑目的的,以滾動摩擦零部件為例,潤滑油膜的形成模型如圖4 所示。
圖4 潤滑油膜的形成
假設(shè)轉(zhuǎn)動線速度為v1的零部件A 與以轉(zhuǎn)動線速度為v2的零部件B 做相對運(yùn)動,此時(shí)2 個(gè)零部件之間的潤滑油以平均線速度v=(v1+v2)/2 進(jìn)行流動。在潤滑過程中,需要有足夠的機(jī)油對零部件連續(xù)不斷地進(jìn)行潤滑。由此來看,潤滑油必須有足夠的供油壓力。對于本文所采用的手持式單缸四沖程發(fā)動機(jī)來講,油氣分離室是連接大氣環(huán)境與曲軸箱的過渡環(huán)節(jié),供油壓力絕大部分要依靠油氣分離室的流動阻力來保持[1]。因此,本文優(yōu)先考慮最低供油壓力。在發(fā)動機(jī)各個(gè)運(yùn)動副中,曲柄銷與連桿之間的相對滑動速度是最大的,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)動副的相對滑動速度,m/s;ρ 為潤滑油密度,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,要保證潤滑油膜的形成,需要足夠大的曲軸箱壓力來保證供油壓力。但曲軸箱壓力并不是越大越好,過大的曲軸箱壓力,一是在活塞做功階段(活塞下行),會造成發(fā)動機(jī)的功率和能量損耗;二是會造成活塞環(huán)開口間隙反向竄油,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)開口間隙反向竄油。所謂的活塞環(huán)開口間隙反向竄油,就是當(dāng)曲軸箱壓力過大時(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)油通過頂環(huán)開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)
潤滑循環(huán)終端設(shè)計(jì)在發(fā)動機(jī)的搖臂室,參與潤滑后的潤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分離設(shè)計(jì),保證潤滑油霧的充分液化。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。在潤滑過程中,液化后的潤滑油霧被虹吸孔回吸至油底殼進(jìn)行下一潤滑循環(huán)。油氣分離過程中,油氣依次通過油氣分離室中的多組冷凝裝置,保證參與潤滑后的潤滑油霧有效液化。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滑油霧經(jīng)空氣濾清器引至發(fā)動機(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)
壓力測試采用西門子公司的ZSE80F 數(shù)字式壓力表進(jìn)行,測試結(jié)果如圖7 所示。
圖7 各腔室壓力
由圖7 所示的測試結(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。
重力測量法是通過測量機(jī)油的質(zhì)量來測量機(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,測試過程為:首先對加入機(jī)油的發(fā)動機(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)動機(jī)運(yùn)行足夠長的時(shí)間t 后(至少運(yùn)行8 h),再對測量樣機(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。通過對收集裝置中的機(jī)油進(jìn)行連續(xù)測量,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)油消耗量測試,具體測試過程為:
1)隨機(jī)抽取4 臺樣機(jī),分別配置普通油氣分離結(jié)構(gòu),連續(xù)運(yùn)行8 h 后,測試其機(jī)油消耗量;
2)將4 臺樣機(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,測試其機(jī)油消耗量。
測試結(jié)果如表2 和圖8 所示。
圖8 機(jī)油消耗量對比
表2 機(jī)油消耗量測試結(jié)果
從表2 和圖8 所示的測試數(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)動機(jī)潤滑系統(tǒng)中的潤滑油霧進(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)動機(jī)的潤滑穩(wěn)定性,降低發(fā)動機(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)動機(jī),設(shè)計(jì)了一種多腔多級式潤滑系統(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)近似對稱規(guī)律,即平均壓力接近0,能夠滿足發(fā)動機(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)動機(jī)的潤滑穩(wěn)定性,降低發(fā)動機(jī)有害物質(zhì)的排放。
小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù)2023年4期