微型擺式內燃機結構及潤滑系統的改進

林吉靚, 朱 峰

(開封大學 機械與汽車工程學院, 河南 開封 475004)

微型擺式內燃機結構及潤滑系統的改進

林吉靚, 朱 峰

(開封大學 機械與汽車工程學院, 河南 開封 475004)

微型擺式內燃機(MFPSE)組成零件數目少、結構簡單、整機體積輕小, 但結構的簡單致使MFPSE在實際運行中存在諸多問題. 結合試驗樣機的工作狀況并參考有限元分析結果, 對中心擺的結構進行改進, 并設計新的MFPSE潤滑方式. 改進后的MFPSE運行穩定, 接近設計要求, 該設計思路可給便攜式MFPSE及微型機械的發展提供借鑒.

微型擺式內燃機; 中心擺; 結構設計; 干涉分析; 潤滑

隨著科學技術的發展, 微機電系統將逐步從實驗室走向實用化, 對工農業、信息、環境、生物工程、醫療、空間技術、國防產生重大影響. 本文所研究的微型擺式內燃機[1-2]是基于二沖程擺式內燃機的工作原理發明的一種便攜式微型內燃機, 其是便攜式微型發電系統的動力部分, 設計要求是微型、便攜， 可使用多種可燃燃料， 適用于野外對電腦、手機等攜帶式電子產品進行充電及其他小型機器的動力輸出. 對于一些需要微型化裝置的領域, 例如微型偵測飛行器、微型維修機器人及用于其他特殊行業的微型機器等, 微型供給系統的發展是至關重要的. 從戰略角度尤其是軍事用途看, 研發便攜式的多種燃料的微型發動機等動力補給裝置具有重大意義.

1 微型擺式內燃機簡介及運行情況

便攜式發電系統如圖1所示. 圖2為微型擺式內燃機(MFPSE)主要組成部件的裝配圖.

圖1 運行中的便攜式發電裝置Fig.1 Portable power generation device in operation

圖2 MFPSE主要結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the main structure of MFPSE

MFPSE體積為64 mm×60 mm×32 mm, 仍以傳統內燃機的燃燒理論為設計依據. 由圖2可見, MFPSE由中心擺、缸體和前后密封端蓋組成4個相對封閉的可變空間, 以及A、B兩個燃燒室和C、D兩個預壓縮室, 通過電腦控制兩側的火花塞點火燃燒做功, 中間的花鍵軸為動力輸出軸. MFPSE的左右A、B兩燃燒室交替做功, 以做功、排氣、掃氣、壓縮為一個工作循環, 中心擺的擺動頻率為50 Hz, 輸出功率約為47 W[2]. MFPSE作為便攜式動力供給裝置可以輸出往復擺動的機械能, 也可配合下一級機構切割磁力線做功輸出電能, 另外可與連桿機構配合(如圖1所示)得到整周的機械運動.

表1和2分別為MFPSE主要的幾何及運動參數和中心擺材料性能參數[2], 本文有限元分析的數值及所需參數均以此為基礎.

表1 MFPSE幾何及運動參數

表2 中心擺材料性能參數

圖1中的MFPSE運行狀況雖相對平穩, 但工作效率較低, 無法實現預期的設計要求. 內燃機的工作是個復雜的燃燒過程, 內部零件在高溫高壓的惡劣環境中工作[3], 因此需要有良好的潤滑和合適的工作溫度, 才能保證機器高效率、長時間的平穩運行. 運行一段時間后的中心擺和缸體如圖3所示.

圖3 運行一段時間后的中心擺和缸體圖 Fig.3 The central pendulum and cylinder diagram after a period of operation

由圖3可見, 中心擺靠近燃燒室的部分因為高溫氣體和壓力的作用出現燒蝕現象; 中心擺與前后端蓋密封處磨損嚴重; 4個密封容室存在竄氣、漏氣現象, 特別是兩個燃燒室之間密封性能差, 竄氣嚴重; 中心擺和缸體磨損嚴重. 另外, 中心擺的上端有個扇形腔體用于放置潤滑油, 潤滑油靠中心擺高速擺動所產生的離心力甩到缸體的內表面, 從而實現中心擺與缸體之間的潤滑[4]. 中心擺兩側的隔熱槽中放置刮油鋼片, 把缸體內表面多余的潤滑油重新收集到潤滑槽中. 中心擺扇形腔體中放置潤滑油的設計思想雖然巧妙, 但實際運行中存在諸多弊端: 其一，因為中心擺的擺動頻率高、運動速度快, 潤滑油的離心力大, 造成潤滑油快速外甩, 一部分潤滑油通過排氣口甩出造成浪費, 潤滑油消耗過快; 其二，因為刮油鋼片離潤滑油槽較遠, 加之中心擺與缸體之間配合間隙較小, 使得甩出的潤滑油不能及時返回油槽, 被擠入中心擺和端蓋之間的縫隙或者直接參與燃燒, 燃燒的潤滑油所產生的積碳問題進一步加劇了中心擺和缸體之間的磨損, 甚至是卡死.

本文根據中心擺和缸體磨損嚴重及潤滑條件惡劣等情況進行了研究, 通過改進中心擺結構和重新設計新的潤滑系統來改善以上問題, 提高MFPSE的工作效率.

2 MFPSE的應變干涉分析

MFPSE要實現小體積、便攜式設計要求, 其零部件就要設計巧妙、安裝簡單. 從上節介紹可知, MFPSE是依靠中心擺、缸體和端蓋的尺寸配合完成4個可變容積的密封隔離的, 因此，設計尺寸有嚴格的公差要求, 要求配合的間隙范圍既要保證MFPSE運行的順暢高效, 又要保證4個腔體之間有良好的密封, 以此保證MFPSE達到設計的壓縮比和輸出功率. MFPSE試驗樣機的中心擺上下兩個外圓弧面和缸體燃燒室內表面的最大配合間隙為0.015 mm, 中心擺輪轂和缸體兩個卡臂圓弧的最大配合間隙為0.010 mm[2]. 為了進一步驗證設計尺寸的合理性, 利用有限元分析軟件對其進行了應變干涉分析, 具體分析結果如下所述.

2.1 缸體和中心擺的溫度場分析結果

缸體和中心擺的應變干涉分析需要兩者的溫度場分析結果, 根據MFPSE的工作特點, 以一個工作循環為載荷步得到做功、排氣、掃氣、壓縮4個工作過程溫度，結果如表3所示.

表3 缸體和中心擺的溫度場分析結果

由表3可知： 做功開始階段，缸內可燃氣體急速燃燒, 最高的溫度值可超過2 000 ℃, 此時中心擺做功一側被燃燒氣體包圍, 溫度急速上升, 最大溫度到達1 576 ℃ ; 在排氣和掃氣階段, 隨著高溫廢氣的排出和新鮮混合氣體的進入, 缸體和中心擺的溫度都有所下降; 壓縮階段兩者的溫度都有所上升. 對比兩者的溫度可知, 因為中心擺被密封在缸體內部, 與高溫氣體接觸面積大, 加熱時間長, 而散熱困難, 因此中心擺的溫度一直高于缸體的溫度. 如此高的工作溫度使得中心擺和缸體均發生較大熱變形, 從而破壞兩者原有的配合關系.

2.2 缸體和中心擺的應變分析結果

中心擺長時間在高溫下工作, 自身溫度居高不下, 始終處在過熱狀態中, 對中心擺是非常不利的, 所產生的熱變形會引起中心擺卡死、拉缸、嚴重磨損、應變集中等問題[5]. 為了更清楚地分析由于中心擺和缸體熱變形所引起的干涉情況, 利用有限元分析軟件對圖4中標注配合位置提取7個節點的應變數值, 1、2、3是中心擺和缸體在燃燒室的配合節點, 5、6是中心擺和缸體在預壓縮室的配合節點, 4、7是輪轂和卡臂的配合節點, 配合節點的數值比較可以直觀地反映中心擺和缸體的干涉情況. 中心擺和缸體在做功階段的溫度最高, 相應的熱變形最大, 因此本文只列出這一階段的應變結果, 如表4所示.

Table 4 The node’s equivalent total strain value in work stage mm

節點應變缸體中心擺應變之和過盈量1-0．02070．08180．10250．08752-0．00710．08130．08940．07443-0．01520．08000．09520．08024-0．01280．03820．05100．03605-0．01070．07350．08420．06926-0．00870．07350．08220．06727-0．01900．03890．05790．0429

中心擺和缸體因為溫度升高產生膨脹變形, 兩者的配合表面是缸縮擺脹. 由表4可見, 中心擺因為溫度高其變形也大, 其中節點1、2、3、5和6所表示部分的變形最為嚴重, 最大值是0.081 8 mm, 上圓弧向上膨脹, 下圓弧面向下伸長, 兩處的變形之和為0.155 3 mm, 已經大于配合間隙0.015 mm, 可見中心擺因為膨脹過大, 致使與缸體磨損嚴重. 缸體的熱變形進一步加重兩者的干涉, 表中的負號代表兩者的變形方向相反.

3 中心擺結構的改進

從上述分析可知，中心擺溫度過高, 其向四周膨脹厲害, 導致了中心擺與缸體的磨損嚴重, 影響了整機的運動可靠性. 因為MFPSE的設計特點對中心擺和缸體的配合尺寸要求非常嚴格, 而兩者工作過程中的溫度會隨外界環境發生很大的變化, 不同部分和不同工作階段的變形量均不相同, 因此，只是單純地依靠配合尺寸來實現MFPSE的密封是很困難的. 本文在綜合了各種因素之后對中心擺進行了改進[6-7], 具體如圖5所示.

圖5 中心擺改進后的三維圖Fig.5 Improved 3D graph of central pendulum

中心擺的具體改進之處如下：

(1) 去掉中心擺的扇形潤滑油槽, 改為凹下的加強筋板. 由于扇形潤滑油槽弊端大, 無法實現預期的潤滑效果. 中心擺上端兩側是燃燒室, 兩個側面要承受氣體燃燒的推力, 加強筋板可以保證中心擺的剛度, 變形小. 上下加強筋板減小了中心擺與兩側端蓋的接觸面積[6], 利于配合尺寸的設計, 既能保證良好的密封也減小了兩者的磨損.

(2) 減小中心擺上下圓弧表面的半徑尺寸, 有原先的23.0 mm改為22.5 mm. 由于缸體和中心擺工作溫度過高, 應變干涉嚴重, 減小中心擺的尺寸, 消除兩者的干涉現象, 而密封容積的密封問題有潤滑圓柱和刮油鋼片完成.

(3) 安裝潤滑圓柱的孔為開口的類橢圓孔. 當孔為開口狀態下, 潤滑圓柱與缸體的內表面接觸, 在中心擺的帶動下作滾動, 把出油槽中的潤滑油涂抹到缸體和中心擺的配合表面. 同時突出的潤滑圓柱和刮油鋼片起到密封的作用, 防止內燃機發生竄氣、漏氣現象. 中心擺溫度上升發生膨脹, 潤滑圓柱在類橢圓的安裝孔中有較大的變形空間, 不會因為壓力過大致使中心擺和缸體產生卡死現象.

(4) 利用中心擺與花鍵軸的配合形成了較完善可行的潤滑系統.

4 潤滑系統的改進

潤滑油利用中心擺的運動甩到缸體上實現了兩者的潤滑, 但實際運行中潤滑情況不理想. 一是潤滑油不能實現及時補充; 二是潤滑油消耗太快; 三是潤滑油參與燃燒形成積碳, 增大了磨損; 四是潤滑油溫度過高, 黏度下降, 很容易變質. 因此, 通過比較各種方案, 結合汽車發動機潤滑系統的設置[6], 設計出本文所采用的潤滑方式, 如圖6所示.

圖6 MFPSE潤滑系統示意圖Fig.6 Schematic diagram of MFPSE lubrication system

首先利用中心擺和花鍵軸的配合關系, 在花鍵軸兩側軸線上分別加工深孔(進油孔和回油孔), 分別用于進油和回油, 兩孔位于一條直線但不相通. 中心軸上所加工的進油路與花鍵軸上的進油孔相連, 回油路與花鍵軸的回油孔相連, 這樣就形成了一個封閉的潤滑回路. 另外，配置一個帶有彈簧的進油容器和一個帶有濾網的回油容器, 即可利用彈簧的壓力把帶有一定壓力的潤滑油通過花鍵軸中心進油孔、中心擺進油孔送給潤滑圓柱, 利用潤滑圓柱的滾動把潤滑油均勻地涂抹在缸體的內表面上, 以實現中心擺和缸體的潤滑. 刮油鋼板的運動把過多的潤滑油收集到回油槽中, 回油槽中的潤滑油通過中心擺、花鍵軸的回油孔被集中收集到回油容器中進行過濾和冷卻, 過濾后的潤滑油可以重新參與潤滑. 整個潤滑過程回路易于加工, 無需額外的動力裝置, 簡單可行.

圖7是利用有限元分析軟件對生成潤滑油膜的缸體的溫度場分析結果, 分析設定內部溫度為100 ℃, 室內溫度為20 ℃, 油膜厚度為0.015 mm, 導熱系數為0.137 W/(m·K), 接觸缸體的厚度為1 mm, 導熱系數為58 W/(m·K)[2-5]. 圖7(a)是缸體和潤滑油膜的溫度分布云圖, 左側代表溫度高的深色部分很少, 缸體溫度整體在75 ℃下; 圖7(b)是兩者橫截面的路徑溫度變化曲線.

(a) 溫度分布圖

(b) 路徑溫度變化曲線圖7 缸體與潤滑油膜的溫度分布云圖Fig.7 Temperature distribution of cylinder and lubricating oil film

由圖7顯示, 油膜具有很好的隔熱效果. 因為潤滑油膜導熱性能差, 阻隔了熱量的傳遞, 結果顯示在存在油膜的左側溫度由100 ℃急速下降到74 ℃, 進入缸體之后溫度下降緩慢, 溫度曲線變得緩和, 由此也可知油膜對熱量的傳遞起了很大的阻礙. 綜上所述，良好的潤滑油膜大約可以阻隔和吸收25%的熱量, 依此推算缸體和中心擺的溫度大約可以下降100～200 ℃, 這對防止MFPSE工作溫度過高起到很重要的作用. 改進后的潤滑系統可以保證潤滑油得到很好的補給和冷卻, 在潤滑圓柱和刮油鋼板的運動下，既可以保證潤滑油膜的厚度又防止潤滑油參與燃燒形成積碳, 一定厚度的潤滑油膜對密封性能也起到積極作用.

根據本文所提出的改進意見所研制的試驗樣機如圖8所示.

圖8 采用新潤滑系統的試驗樣機Fig.8 Experimental prototype of the new lubricating system

樣機試驗表明, 機器運行狀況大大改善. 在相同的時間內機器外殼溫度下降， 運行中未出現卡死情況， 運行一段時間后, 缸體與中心擺配合表面磨損痕跡少許, 干涉情況有極大的改善. 中心擺與前后端蓋因為接觸面的減少及潤滑油膜的存在, 磨損減少, 輸出動力明顯增強， 機器整體潤滑情況改善. 新的潤滑系統對微型擺式內燃機高效順暢的工作起著重要的推進作用, 同時改善內燃機的積碳等不正常燃燒現象.

5 結 語

本文所研究的中心擺是MFPSE傳遞能量和組成燃燒室的主要零件, 因為工作溫度導致中心擺變形過大, 改變了其與缸體的配合關系, 發生干涉現象, 兩者磨損嚴重, 甚至發生卡死現象, 同時中心擺上部的扇形潤滑油槽也無法實現良好的潤滑. 而合適的工作溫度、良好的潤滑和密封性能是保證內燃機高效、高能運行的必備條件. 因為MFPSE體積的減小, 現有內燃機所用的潤滑、散熱和密封方式對其來說都過于復雜, 難以實現. 綜合各種因素并借鑒現有汽車發動機的潤滑方式, 本文對中心擺的結構進行了改進, 并以此設計了一套可行、簡單、可以小尺寸加工的潤滑方案. 改進后的中心擺與缸體既可以實現高速運動, 同時保證良好的密封和潤滑性能, 大大減小兩者的磨損. 今后的研究通過不斷地改進完善，使得MFPSE更快地進入實用階段, 并給同類微型動力裝置提供有益的啟發和幫助.

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[5] 朱峰, 林吉靚, 郭志平. 微型擺式內燃機中心擺的熱-結構耦合分析與研究[J]. 內燃機工程, 2014, 35(6): 121-124.

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[7] 孫桓, 陳作模. 機械原理[M]. 北京: 高等教育出版社, 2001.

Structure and Lubrication System’s Improvement of MFPSE

LINJi-jing,ZHUFeng

(Machinery and Automobile College, Kaifeng University, Kaifeng 475004, China)

The micro-free piston swing engine (MFPSE) is a small and light machine with a small number of component parts. However, its structure is so simple that there are many problems in the practical operation of MFPSE. According to the working condition of the test prototype and the results of finite element analysis, the structure of the center pendulum is improved, and a new lubrication mode is designed. After the improvement, the MFPSE operates stably, and its design meets the requirements of practical operation. The design ideas can provide a useful reference for the development of portable micro mechanism and MFPSE.

micro-free piston swing engine; center pendulum; structure design; interference analysis; lubrication

1671-0444 (2016)04-0542-06

2016-03-27

國家自然科學基金資助項目(51065019)

林吉靚 (1979—),女,山東濟南人，講師，碩士，研究方向為微型機械設計、數控加工. E-mail：linjijing888@126.com

TK 4

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