液壓挺桿潤滑系統的研究

吳俊鋒 薛穎炳

摘 要：為了充分利用液壓挺桿可以降低氣門傳動機構噪聲、免氣門間隙調整的優點，就液壓挺桿使用過程中會出現“升程損失”及“啟動噪聲”問題進行了研究。通過對液壓挺桿工作過程的分析，通過對為液壓挺桿提供壓力油的潤滑系統的分析，得出，機油中氣泡含量以及是否有空氣直接進入液壓挺桿是決定液壓挺桿能否正常工作的關鍵問題。為此需要采取的措施有二，一是要減少機油中混入空氣的產生。二是，限制氣泡進入液壓挺桿中。

關鍵詞：液壓挺桿 潤滑系統 發動機 研究

液壓挺桿可以自動調整氣門傳動鏈中由于熱膨脹、磨損和制造公差等引起的氣門間隙，使配氣機構運轉平穩、降低噪音且免去間隙調整。但是作為液壓補償元件液壓挺桿的工作質量與供油品質有關，機油的狀況直接受該發動機潤滑系統的影響，所以對機油品質要求的提高也就增加了發動機潤滑系統的設計難度。本文從理論與實際使用的角度來分析液壓挺桿的正常工作中除了要減少卷入機油中的氣體的同時還要避免在氣泡進入液壓挺桿的高壓油腔。

1 液壓挺桿的使用問題

液壓挺桿在實際使用過程中會出現“升程損失”以及“啟動噪聲”問題。

在正常的情況下，液壓挺桿柱塞由于機油泄露而引起的升程損失在0.01～0.05mm范圍之內。當升程損失超過0.1mm時，即認為超過液壓挺桿所允許的范圍，同時噪聲加劇。

在發動機停止工作時，在發動機長時間停放后以及頻繁起動時，空氣進入液壓挺桿的高壓油腔，會產生噪聲。運動損失與啟動噪聲兩方面的問題在使用中往往是同時出現。

液壓挺桿利用機油可以傳遞壓力的作用使其在使用過程中自動消除氣門間隙的調整。然而不可避免地會出現氣門“升程損失”以及“啟動噪聲”問題，機油的品質將直接影響到其工作質量。

2 潤滑油

潤滑系統的以下兩個方面對液壓挺桿的使用起關鍵性的作用。

2.1 機油壓力

一定的機油壓力是液壓挺桿在凸輪處于基圓段進行補充機油時打開單向閥的必要條件。使用中液壓挺桿供油壓力不得低于0.05Mpa。理想的壓力值為0.3～0.35MPa。

2.2 機油中的氣體含量

機油中會混入和溶入氣體。

2.2.1 溶入氣體

空氣與惰性氣體一樣會溶解在機油中。其溶解度隨著壓力的升高而升高。關系見圖1，融入關系為：溶解的空氣最大可能值約為絕對油壓（空氣的Bunsen系數）。圖1表明最大空氣量取決于潤滑系統的絕對壓力。

2.2.2 混入氣體對機油的影響

混入氣體油液內的空氣量使油液的體積彈性模量急劇下降，而且將使黏度增大。

體積彈性模量K為壓縮系數的倒數，即具體地表征該油液的可壓縮性程度。純機油的體積彈性模量很大，純液壓用油的平均值在范圍內，但如果液體中混有不溶解的氣體，則體積彈性模量就有很大的降低。體積為的混氣油液中，如果氣體的體積為，則純油液的體積為。如果用表示混入氣體機油的體積彈性模量，表示氣體的體積彈性模量，表示純油液的體積彈性模量，則有：

其中，（從最安全的角度考慮，我們選用純液壓用油的最小值）由此可以計算出不同混入氣體量時的體積彈性模量如表1。

由表1可以看出，當機油中混入體積百分比為0.5%時，體積彈性模量降為原來純液體的59%，在實際使用中當體積彈性模量為以上可以忽略由于該液體的壓縮性而導致的升程減小。即當機油中的氣體混入體積比超過0.7%時，液壓挺桿工作過程中不能近似為剛性體。更為嚴重的是氣體的體積彈性模量僅為純液體的0.7%。

2.3 小結

（1）作為液壓挺桿的供油系統來說，缸蓋油道的機油壓力不應該小于0.05Mpa，理想的供油壓力為3～3.5Mpa。

（2）機油中氣體的存在方式有兩種：溶入和混入。溶入氣體對機油的體積彈性模量幾乎沒有影響且氣體的溶入量與機油壓力成正比關系。然而，機油中的混入氣體對機油的體積彈性模量影響很大，當機油中的氣體混入體積比超過0.7%時，將會導致嚴重的液壓挺桿工作不正常現象。

3 潤滑系統的改進

從以上的分析可以看出，一定的機油壓力是液壓挺桿工作的前提條件。另外，進入挺桿高壓腔機油的體積彈性模量高于7000bar，而機油中氣泡的混入量直接影響到實際工作機油的體積彈性模量。雖然機油中氣體的混入量可以通過增加機油壓力將部分氣體溶入機油從而達到減少混入氣體的目的。但是，機油壓力的無限提高將會增加機油泵以及潤滑系統所有零部件的負荷。所以，歸納起來有兩點：（1）避免氣體卷入機油。（2）盡量避免氣體直接進入液壓挺桿高壓油腔。

3.1 避免機油卷入氣體的措施

減少油液與空氣的接觸和攪動可以減少機油中卷入氣體的總量，是減少氣泡的根本措施。

發動機的潤滑方式以壓力潤滑與飛濺潤滑為主，其中飛濺潤滑是產生氣泡的原因之一，機油泵的泄油是機油飛濺而導致機油中空氣含量增加的主要因素。

在汽油機的設計中，在機油泵泄壓閥的出油端接入管路將機油直接導入機油盤油面以下，可以避免機油與空氣的接觸，減少了空氣卷入機油的機會。其結構如圖2所示（1為機油泵，2為泄壓閥，3為機油回油導管）。

另外，在很多的機型上機油泵采用內部循環的機油回路是避免氣泡產生的最佳措施。

通過以上措施可以減少發動機在運行過程中氣體在機油中存在，即使由于不可避免的因素，諸如，冷卻潤滑活塞的連桿噴孔所帶來的氣泡的產生、機油晃動等產生的少量氣泡可以通過在機油泵的作用下將機油加壓而溶解一部分之后，即使有部分剩余的氣泡以混入方式存在機油中，其體積百分比也不會超過0.7%，可以確保在使用中正常工作。但是，在長期停車或者頻繁啟動的情況下這種措施是沒有能力解決的，為此，必須采取第二種措施使發動機在啟動后機油很快就可以進入液壓挺桿而不是空氣直接進入挺桿油腔。

3.2 使發動機缸蓋油道能存油的措施

使發動機缸蓋油道內能保存機油是防止冷啟動狀態氣體不要直接進入高壓油腔的直接手段。為達到此目的主要有兩種方案在使用。（1）使用限流管。90年以前的桑塔納氣缸蓋采取這種措施。如圖3所示，在進入氣缸蓋的油孔加工成階梯孔，壓入一限流管和一個泄流悶頭，悶頭上鉆有排氣小孔，當發動機停止后，限流管到機油泵之間的機油排空，氣缸蓋上的油道保持一定的油面，油面的高度將取決于限流管的高度。

（2）使用機油止回閥。90年以后的桑塔納、帕薩特等都采用這種方案。是指機油通過機油濾清器過濾后，在機油濾清器座上將油路分成兩路，一路進入曲軸箱對曲軸主軸承、連桿軸承等進行潤滑。另一路通過曲軸箱鉆孔進入氣缸蓋對液壓挺桿、凸輪軸進行潤滑。機油止回閥安裝在通往缸蓋支路的開始處。下次起動時液壓挺桿可以很快供油。這種方案將發動機的潤滑系統與液壓挺桿的供油系統在機油濾清器處分開，是一種有效的解決措施。

4 回油問題

由于液壓挺桿在使用中要求有一定的供油壓力使氣缸蓋油道供油較多，這樣就要求缸蓋有充足的回油道，如果該發動機是每缸2氣門，則回油腔空間充足，但4氣門就會出現回油道不充足的問題，在高速狀態下可能就會出現機油回流不暢出現燒機油的嚴重問題。

5 結語

（1）液壓挺桿可以自動調整氣門傳動鏈中的氣門間隙，同時降低氣門傳動中的噪聲。但是由于機油中會有氣體卷入且當混入氣體體積百分比超過0.7%時 “升程損失”與“啟動噪聲”問題加劇。

（2）采用避免氣體混入機油內部，同時保證機油在啟動過程中迅速進入液壓挺桿內部可以有效降低液壓挺趕噪聲的問題。

參考文獻：

[1]求是村.液壓流體力學[M].杭州： 機械工業出版社，1979：8-15.

[2][德]Koch F Maassen F Geiger U.現代發動機潤滑系統的開發[J] .國外內燃機，1999（1）：43-48.