小型二沖程發動機氣缸磨耗對活塞表面狀況的影響分析

鐘賽君 張擎鳴 王強勝 肖 陽

（1－云南經濟管理學院 云南 昆明 650106 2－江蘇理工學院 3－河南工學院4-中國石油運輸有限公司云南分公司）

引言

配置有小型二沖程發動機的鏈鋸和割草機等手持農林業機械制品一直被廣泛使用[1]。然而二沖程發動機的特性導致這類小型機械在全負荷狀態或怠速狀態持續反復運轉時，發動機極易產生摩擦與損耗。

另外，二沖程發動機一般的潤滑方式是燃油和潤滑油一起進入燃燒室，先形成油霧再進行潤滑。這種潤滑方式會導致潤滑油的不充分燃燒極易造成燃燒室堆積物（Combustion Chamber Deposit：CCD）的大量產生，堆積在氣缸壁等位置，并且運動磨耗粉塵極易殘留在活塞和氣缸運動接觸面，造成潤滑狀態的惡化，從而造成磨耗量持續增大，最終導致內燃機燒結現象的發生[2]。內燃機燒結現象帶來的后果是內燃機的使用壽命會降低。為了延長內燃機的使用壽命，圍繞發動機磨耗進行調查研究，探尋氣缸磨耗的影響因素，尋求保持最優潤滑狀態的措施就顯得尤其重要[3]。

本文針對小型二沖程發動機氣缸磨損對活塞表面狀態的影響狀況進行試驗分析，來研究氣缸磨耗和活塞表面狀態的相互影響結果。實驗設置兩臺不同的小型二沖程發動機進行斷續長時間運轉，選取不同運轉時刻的表面粗糙度值進行比較分析，研究氣缸表面粗糙度和活塞表面粗糙度之間的聯系，從而為降低摩擦與損耗提供理論依據。

1 實驗裝置及實驗方法

1.1 實驗裝置

本試驗使用發動機排氣量為32.2 mL 的通用單缸空冷小型二沖程發動機。實驗中使用的燃料與潤滑油的混合比是50:1。

實驗使用的氣缸和活塞分別用不同的加工方式組合。為了區別和分析比較實驗結果，本文中將兩種組合分別命名為A 和B。組合A、B 的具體情況如下：

A：精密加工的氣缸+研磨加工的活塞。

B：精密加工的氣缸+表面鍍合金的活塞。

氣缸的材料為ADC12 鋁合金，內表面使用鍍鉻處理（Hv800～1 000）。精密加工氣缸的內表面使用現代加工技術，保證表面的粗糙度在Ra=0.15～0.3。活塞的材料是AC9A（HB90-125）鋁合金。研磨的活塞是使用Ni-P-B 鍍層（Hv700），活塞裙部的表面使用在圓弧上進行條痕加工技術處理。

1.2 實驗方法

實驗盡可能地接近實際發動機運轉條件來設置實驗條件，即在全負荷（WOT，轉速為9 000 r/min）運轉20 s，低速（轉速為3 500 r/min）運轉10 s 的狀態下持續地運轉狀態。全負荷時燃料消耗量為：0.88～0.92 L/h，怠速時燃料消耗量為：0.2～0.24 L/h。

實驗使用三元粗糙度測定器（日產，型號為小坂SE-3AK）進行接觸表面粗糙度的測量及評價。比較排氣孔上側在不同的潤滑條件下的活塞表面粗糙度情況。不同的潤滑條件下，燃燒堆積物的生成和剝離情況也不相同，潤滑較充分的條件下，燃燒堆積物的生成和剝離都比較容易，反之則比較困難。圖1 所示為氣缸的排氣孔（Ex.Port），進氣孔（In.Port）及掃氣孔（Sc.Port）所對應的運動面上活塞位置的示意圖。

圖1 各個氣孔在活塞上的對應部位

2 實驗結果與討論

發動機斷續運轉20 h，每5 h 測量一次表面粗糙度。組合A 和組合B 同時開始各自運轉了100 h。圖2 是組合A 活塞的粗糙度測量結果顯示圖，圖3 是組合B 活塞粗糙度測量結果顯示圖。由圖能看出，運轉5 h 后，組合A 活塞除了排氣孔部分之外粗糙度Ra值減小。分析其原因，考慮是由于處于初期磨損時期，所以造成表面粗糙度值的減小。

圖3 組合B 活塞粗糙度測量結果

圖4 顯示的是活塞初期狀態的粗糙度曲線圖。圖5 顯示的則是組合A 活塞的排氣孔在運轉5 h 之后的粗糙度曲線圖。由圖4 能看出，活塞初期的粗糙度曲線保持穩定的變化趨勢。由圖5 能得出組合A 活塞排氣孔部位由于運轉表面粗糙度增加的原因，與進氣孔相比，排氣孔部位的slap 現象導致的活塞磨損現象更嚴重，圖4 和圖5 顯示出由初期的條痕加工的痕跡依然還在的原因。

圖4 活塞初期狀態的粗糙度曲線圖

圖5 組合A 活塞的排氣孔在運轉5 h 之后的粗糙度曲線圖

與此相對應的是，組合B 在運轉5 h 之后，排氣孔部位的粗糙度值減小的原因，考慮是由于活塞表面進行鍍金屬膜處理其硬度變大而造成的。并且，兩個組合的活塞均在運轉5 h 至20 h 之內，就粗糙度的增大及減小的原因而言，考慮是由于活塞處于初期磨損狀態，且測定位置依然保持的條痕加工痕跡來考慮。組合A 的粗糙度增大量與組合B 相比較大，分析原因考慮是與是否鍍金屬膜相關。鍍金屬膜的活塞表面硬度較高，條痕加工痕跡保持效果較好。組合A 活塞的運轉時間從20 h 到50 h 的階段內，表面粗糙度在緩慢減小。運轉50 h 之后，向著Ra=0.1～0.3 μm 推移。以此相對應的組合A 活塞在運轉20 h到50 h 之內,由初期磨損開始向定常磨耗發展。組合B 活塞在運行20 h 之后朝向Ra=0.1～0.3 μm 穩定值推移。由20 h 開始從初期磨耗向定常磨耗發展。

組合A 和組合B 活塞的排氣孔和進氣孔表面粗糙度的變化用斷面曲線來表示。分別如圖6～圖9 所示。圖6～圖9 中顯示油膜油路的保持性能，由圖能看出：規定的運行時間之后，朝向0 μm 附近減小的趨勢發展。

組合A的活塞的排氣孔在運轉20 h 之后，油膜油路的保守性能與組合B 的活塞排氣孔在20～100 h時間段運轉時的油膜油路保持性能很相似。從這個現象來看，表面鍍金屬合金與沒有進行加工處理比較，活塞方面在運轉20 h 之后油膜油路的保持能力較高，即保持著充分的潤滑特性。然而運轉在經過100 h 之后，針對活塞而言，有著相同程度的磨耗。并且粗糙度的推移量、潤滑油的保持量、磨屑和燃燒室堆積物的最終狀態基本上是相同的，這就驗證了在初期磨耗與最終的活塞狀況如何與鍍膜有無是沒有關系的。

圖6 組合A 活塞排氣孔表面粗糙度的變化

圖7 組合A 活塞進氣孔表面粗糙度的變化

圖8 組合B 活塞排氣孔表面粗糙度的變化

圖9 組合B 活塞進氣孔的表面粗糙度的變化

組合A 活塞運轉5 h 之后，由于活塞的slap 現象發生而導致排氣孔與進氣孔的Ra存在著差異。但是在向定常磨耗推移后，這種差異逐漸變小。同樣地，觀察組合B 的磨耗向定常磨耗推移后的狀況，也能得出相同的結論。因此，向定常磨耗推移后，由于活塞slap 現象的發生，導致活塞對潤滑條件的要求變得苛刻[4]。

3 結論

1）活塞向定常磨耗移動，潤滑油保持量、磨屑以及燃燒堆積物的排除機能與活塞表面是否有鍍層沒有關系。

2）定常磨耗狀態下，活塞slap 現象運動加劇活塞磨擦與損耗，從而導致潤滑條件的苛刻。