小型內燃發動機的設計要素

摘 要：本文主要結合于小型發動機的實際研發過程，列舉設計關鍵要素供讀者參考。油路、電路、散熱系統、潤滑系統和壓力系統這些要素的完善設計共同構筑成熟完善的發動機框架。

關鍵詞：油路；化油器；電路；磁電機；火花塞；潤滑；單向閥；壓力；散熱片

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.011

目前，隨著現代工業化進程的發展，小型發動機的應用普及，廣泛應用于園林機械、植保機械、灌溉機械、農用機械以及建筑機械等領域。而小型發動機的設計技巧以及使用壽命卻有待持續完善提升，各生產環節對質量影響要素的把控還應從加強對發動機的設計技巧了解基礎上進行提升。一個成熟的發動機，應首先具備完善的油路、電路和潤滑系統的設計，如果是四沖程還包括壓力平衡系統的設計。

1 小型發動機油路設計技巧

設計前首先要判定所開發發動機工作型式以及油箱布置，一般若油箱布置在工作狀態的上部，并且工作狀態油箱振動較小，則可以選用浮子式化油器，利用燃油重力實現自動補給供油。當發動機處于非工作狀態時，化油器浮子室內的汽油處于相對靜止的設計油平面高度，此時，浮子的浮力繞浮子銷的力矩，等于浮子總成的重力、針閥總成的重力和針閥彈簧的彈力、油箱中的汽油作用于針閥錐面上的壓力，繞浮子銷的力矩之和。由此可知，影響化油器供油主要在于油平面高度的因素。當發動機處于工作狀態時，化油器浮子室內的汽油處于一個相對穩定的油平面高度，此時，由于發動機的震動，浮子的上下震動帶動針閥的打開和關閉，針閥彈簧此時就發揮了減震的作用，此時進油針閥一直處于打開狀態，開度的大小由此時發動機的汽油消耗量而決定的。對于一些特殊用途的發動機，比如，沖擊夯、微耕機等，他們的工作條件惡劣，伴隨著劇烈的震動和顛簸，如果，化油器浮子的活動范圍過大，會導致發動機處于工作狀態時，浮子很難達到相對的動態平衡；此時供油量會大于發動機的汽油消耗量，導致從化油器平衡管溢油。因此，化油器的浮子活動范圍一般要求控制在主量孔流量的2-3倍。相對于浮子式化油器，膜片式化油器工作比較穩定，但是要盡量縮短油箱到化油器的距離，降低管束阻力，同時膜片式化油器更容易被污染，出現供油不足在調節配氣螺釘無效時，要進行化油器拆解清洗。

2 小型發動機電路設計技巧

對于小型發動機點火，主要通過磁電機也就是點火線圈發出高壓直流電，通過電阻型火花塞時產生電火花，從而對油霧進行點燃。二沖程發動機曲軸轉一圈點火一次，四沖程汽油機，曲軸轉兩圈，點火雖然兩次，但是有效點火僅一次。這里有三個關鍵要素的控制，包括磁電機間隙、火花塞間隙和火花塞型號的選定。首先磁電機間隙一般調整在（0.3～0.5）mm，這個間隙內切割磁感線產生的電壓足夠促使火花塞點火，同時可以避免間隙過小時，由于轉子跳動以及粉塵異物的介入導致轉動干涉問題，造成磁電機磨損，卡滯?；鸹ㄈg隙一般設定在（0.7～0.9）mm。這個間隙下在中央電極和側電極形成的電流火花比較均勻，強度比較高。如果間隙再加大，火花將比較弱，不足以點燃油霧；間隙弱再減小，火花雖然比較強，但是長度比較短，不利于點火，同時間隙過小，電極件容易夾附積炭等異物，造成連電無火情況的存在。對于火花塞型號，首先應選取合適的熱值，發動機壓縮比越大，工作轉速越高，越應選用熱值較高的型號，這樣散熱比較快，能避免火花塞頭部燒穿以及電極融化問題產生，但是熱值高存在更易產生積炭的缺點，造成跳火等現象。

3 小型發動機潤滑系統和壓力平衡系統的設計

二沖程發動機主要靠汽油和機油混合后燃燒時直接潤滑，但四沖程發動機潤滑系統設計較為復雜。不但要通過濺油撥叉在曲軸箱負壓是吸油濺油對活塞缸體運動部位進行潤滑，還要通過平衡氣壓管結合氣壓的平衡帶動油霧的循環，到達氣門及搖臂區域，對發動機頂部的高速運轉補充潤滑油。氣門端蓋壓力升高后，通過廢氣管排除平衡氣壓。油霧回流時，可以根據流體力學中，壓力優先通過大孔平衡，而小孔由于阻力大，其漏油或平衡效果可以忽略不計，再設定相應位置的單向閥即可實現控制油霧按照既定路線流轉。技巧上結合氣流方向設計迷宮的形狀及傾向來形成壓力平衡通道，迷宮的形狀決定了噴機油量。也可通過設計塑料彎形回油管確保平衡孔在油面以上而不會直接噴出油霧到外界。

4 小型發動機散熱系統的設計

對于發動機壽命影響最大的因素就熱量，當熱量生成速度大于散熱速度造成汽缸溫度過高時，將造成潤滑油變質潤滑效果降低，以及運動組件與汽缸膨脹而拉傷的問題。正常情況負載運轉，風冷缸頭火花塞座溫度應在260攝氏度以下。發動機熱量的產生與排量、壓縮比有關，而熱量的散發與缸體散熱片面積，風扇葉片鼓風流速有關。當溫度超標時，應考慮增加散熱片數量或面積，同時調整風扇葉片數量與高度，將溫度降低到200攝氏度左右，以期達到最高的能量轉化率。

總之，一款成熟優良的發動機，需要全面平衡設計好油路、電路、散熱系統、潤滑系統和壓力平衡系統，只有各個環節細節做好，才能在長期耐久使用中滿足客戶的性能需求。

參考文獻：

[1]JB/T 5135.3 通用小型汽油機技術條件[S].

作者簡介：田長森（1983-），男，山東濟寧人，本科，初級工程師，研究方向：小型發動機。