一種手持式單缸四沖程汽油機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王 見(jiàn) 李清礪 朱玉全 孫希強(qiáng) 劉丕蓮 宋 雙

（1-臨沂科技職業(yè)學(xué)院 山東 臨沂 276000 2-浙江大學(xué)山東（臨沂）現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院）

引言

近年來(lái)，隨著大氣污染的日益嚴(yán)重，世界各國(guó)對(duì)汽油機(jī)排放和可靠性的要求日趨嚴(yán)格，美國(guó)自2010年1 月1 日起實(shí)施第三階段排放法規(guī)，歐盟自2017年1 月1 日起實(shí)施第五階段排放指令，對(duì)汽油機(jī)排放廢棄物中的HC+NOx及CO 的含量進(jìn)行了限定，尤其是美國(guó)加州空氣資源委員會(huì)（CARB）擬對(duì)2023年以后生產(chǎn)的小型非道路汽油機(jī)的排放及可靠性作出新的規(guī)定。因此，為滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)外對(duì)環(huán)境保護(hù)的需求，需要進(jìn)一步降低小型汽油機(jī)有害物質(zhì)的排放。本文從一種排量為25 mL 手持式單缸四沖程汽油機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)出發(fā)，設(shè)計(jì)一種使用壽命長(zhǎng)、性能可靠的潤(rùn)滑系統(tǒng)，從而提高整機(jī)壽命以及降低機(jī)油消耗率進(jìn)而減少汽油機(jī)有害物質(zhì)的排放。

1 目前四沖程汽油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)

1.1 潤(rùn)滑系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)

目前，大多小型四沖程汽油機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)主要包含儲(chǔ)油室、曲軸箱室、簧片閥、齒輪室、氣門(mén)室、上油通道、回油通道、箱體回油道、油氣分離式、進(jìn)油口、單向閥等，如圖1 所示。其中，根據(jù)汽油機(jī)對(duì)潤(rùn)滑油的需求量以及汽油機(jī)潤(rùn)滑油的霧化條件，部分汽油機(jī)在曲軸上裝有濺油撥叉（甩油盤(pán)）；又根據(jù)潤(rùn)滑霧油氣分離原理的不同，油氣分離室也可由離心裝置來(lái)替代。

圖1 潤(rùn)滑系統(tǒng)原理

1.2 汽油機(jī)的潤(rùn)滑過(guò)程

以圖1 的潤(rùn)滑系統(tǒng)為例，當(dāng)活塞上行時(shí)，曲軸箱底部的簧片閥關(guān)閉，曲軸室的壓力下降，此時(shí)曲軸室內(nèi)的壓力小于儲(chǔ)油室及凸輪室的壓力，在壓力差的作用下，凸輪室內(nèi)的潤(rùn)滑油經(jīng)進(jìn)油通道、儲(chǔ)油室中的潤(rùn)滑油經(jīng)進(jìn)油口和鴨嘴閥進(jìn)入曲軸室（鴨嘴閥保證潤(rùn)滑油道自?xún)?chǔ)油室至曲軸室單向?qū)ǎ?。?dāng)活塞下行時(shí)，曲軸室的壓力升高，簧片閥開(kāi)啟，曲軸室內(nèi)的壓力大于儲(chǔ)油室及凸輪室的壓力，在壓力作用下，部分潤(rùn)滑油霧經(jīng)過(guò)上油通道到達(dá)氣門(mén)室，部分潤(rùn)滑油霧通過(guò)進(jìn)油通道經(jīng)曲軸室進(jìn)入凸輪室。同時(shí)，進(jìn)入氣門(mén)室內(nèi)參與潤(rùn)滑后的潤(rùn)滑油霧，部分通過(guò)缸體內(nèi)回油通道回到儲(chǔ)油室，部分進(jìn)入凸輪室，連同凸輪室中的潤(rùn)滑油經(jīng)凸輪室中的回油通道回到儲(chǔ)油室。進(jìn)入凸輪室中的油霧大部分被分離成油滴和空氣，空氣及逃逸出的潤(rùn)滑油霧進(jìn)入空濾器參與再次燃燒，油滴通過(guò)凸輪室中的回油通道回到潤(rùn)滑油室，如圖2 所示。該潤(rùn)滑系統(tǒng)經(jīng)試驗(yàn)及市場(chǎng)驗(yàn)證，基本能夠滿(mǎn)足目前相關(guān)法律法規(guī)對(duì)排放及可靠性的要求。

圖2 潤(rùn)滑流程

2 潤(rùn)滑系統(tǒng)失效對(duì)汽油機(jī)的影響

保證汽油機(jī)具有可靠、有效的潤(rùn)滑系統(tǒng)，是汽油機(jī)能夠正常工作的必要條件。上述汽油機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但存在以下缺點(diǎn)：

1）該潤(rùn)滑系統(tǒng)中的鴨嘴閥始終處在高溫潤(rùn)滑油霧中，而鴨嘴閥一般為橡膠件，在此環(huán)境下鴨嘴閥運(yùn)行200～300 h 會(huì)發(fā)生老化失效現(xiàn)象；

2）該潤(rùn)滑系統(tǒng)中的簧片閥始終隨活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行開(kāi)啟、關(guān)閉動(dòng)作，而簧片閥一般為薄板件，在此狀態(tài)下簧片閥運(yùn)行200～300 h 會(huì)發(fā)生疲勞失效現(xiàn)象。

無(wú)論是鴨嘴閥還是簧片閥的失效，均會(huì)造成汽油機(jī)潤(rùn)滑不良的現(xiàn)象發(fā)生，從而導(dǎo)致汽油機(jī)內(nèi)的氣門(mén)、搖臂、滾針軸承、活塞、活塞環(huán)（氣環(huán)、油環(huán)）等運(yùn)行部件的異常磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成汽油機(jī)故障甚至報(bào)廢，降低了汽油機(jī)的使用壽命。此外，燃燒室內(nèi)大量的高溫燃?xì)猓瑫?huì)因氣環(huán)的磨損而竄入汽油機(jī)曲軸室內(nèi)，使得活塞環(huán)處的熱負(fù)荷增加，阻礙冷卻的順利進(jìn)行，此時(shí)潤(rùn)滑油的消耗量也會(huì)增加，粘度較大，不易揮發(fā)的潤(rùn)滑油，進(jìn)入燃燒室后，難以進(jìn)行充分的燃燒，使得汽油機(jī)氣門(mén)、活塞環(huán)槽等位置出現(xiàn)嚴(yán)重的積碳，積碳的存在會(huì)影響到汽油機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)與排放。

汽油機(jī)排放物中的主要有害成分為NOx、HC 化合物、CO 以及顆粒物等，由潤(rùn)滑油產(chǎn)生的積碳對(duì)以上成分的主要影響有：

1）積碳熱傳導(dǎo)率較低，積碳會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)溫度升高導(dǎo)致NOx排放的增加[1-4]。NOx中的NO 的生成隨溫度的提高而成指數(shù)函數(shù)急劇增加，當(dāng)溫度達(dá)到2 000 K 時(shí)具有很高的產(chǎn)生速率，此時(shí)溫度每提高100 K，NO 的生成速率幾乎翻一番[5]，所以，所以降低整機(jī)溫度及減少積碳的產(chǎn)生，可有效降低整機(jī)NOx的排放；

2）積碳的存在會(huì)導(dǎo)致HC 的增加[6-10]。積碳對(duì)HC化合物的作用機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，部分學(xué)者認(rèn)為影響機(jī)理，可能像潤(rùn)滑油膜對(duì)可燃混合氣中的HC 起吸附和解吸作用[11]，積碳的多孔結(jié)構(gòu)會(huì)使作用機(jī)理進(jìn)一步復(fù)雜化。同時(shí)，積碳的存在會(huì)減小縫隙的尺寸促進(jìn)淬熄，進(jìn)而增加HC 的排放量。

3）CO 的排放也會(huì)因?yàn)榉e碳的減少而減少[12]。積碳是一種不易氣化的難揮發(fā)物，且一般附著在溫度相對(duì)較低的活塞機(jī)氣門(mén)表面，所以難以充分燃燒產(chǎn)生CO 有害氣體，從而增加了汽油機(jī)有害物質(zhì)的排放。

因此以上潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)僅能夠滿(mǎn)足現(xiàn)國(guó)內(nèi)外對(duì)小型汽油機(jī)壽命及排放的要求，要想滿(mǎn)足后續(xù)加州空氣資源委員會(huì)（CARB)對(duì)非道路小型汽油機(jī)排放及可靠性要求，還需要對(duì)該潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 潤(rùn)滑系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

保證發(fā)動(dòng)機(jī)具有合適的潤(rùn)滑油量，是發(fā)動(dòng)機(jī)能夠正常工作的必要條件。當(dāng)潤(rùn)滑系統(tǒng)因某一零部件失效時(shí)，就會(huì)造成汽油機(jī)零部件潤(rùn)滑油供應(yīng)量不足，進(jìn)而造成汽油機(jī)內(nèi)相關(guān)零部件的急劇磨損，導(dǎo)致汽油機(jī)出現(xiàn)故障。本設(shè)計(jì)通過(guò)改進(jìn)機(jī)油泵設(shè)計(jì)，增加發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的可靠性和耐久性，如圖3 所示。

圖3 改進(jìn)潤(rùn)滑系統(tǒng)原理

該潤(rùn)滑系統(tǒng)中，機(jī)油泵通過(guò)吸油管與機(jī)油室連通，實(shí)現(xiàn)機(jī)油泵從機(jī)油室吸取潤(rùn)滑油，供應(yīng)活塞與缸壁之間、活塞環(huán)與缸壁之間所需潤(rùn)滑油的目的。當(dāng)汽油機(jī)活塞下行時(shí)，曲軸箱內(nèi)的壓力為正壓，此時(shí)曲軸箱內(nèi)的潤(rùn)滑油霧在壓力作用下，通過(guò)潤(rùn)滑油道經(jīng)齒輪室進(jìn)入配氣室，對(duì)汽油機(jī)內(nèi)的各零部件進(jìn)行相應(yīng)潤(rùn)滑，參與潤(rùn)滑后的潤(rùn)滑油霧進(jìn)一步進(jìn)入油氣分離室。當(dāng)汽油機(jī)活塞上行時(shí)，曲軸箱內(nèi)的壓力為負(fù)壓，此時(shí)在配氣室內(nèi)碰撞液化的潤(rùn)滑油霧，以及油氣分離室內(nèi)未完全液化的潤(rùn)滑油霧，在負(fù)壓的作用下被回吸至機(jī)油室。此外，部分逃逸出的潤(rùn)滑油霧，經(jīng)呼吸管進(jìn)入汽油機(jī)的進(jìn)氣部分吸入到汽油機(jī)燃燒室參與燃燒。

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2.1 循環(huán)潤(rùn)滑油量

循環(huán)潤(rùn)滑油量主要取決于汽油機(jī)傳至潤(rùn)滑油的熱量Qo[13]。在目前汽油機(jī)中，Qo一般約為燃燒室內(nèi)混合氣發(fā)熱量Qf的1.5%～2.0%，若該潤(rùn)滑油參與活塞冷卻，則傳給潤(rùn)滑油的熱量可達(dá)6%左右。本設(shè)計(jì)中，連桿小頭與活塞、連桿大頭與曲軸、曲軸與箱體均為滾動(dòng)軸承連接，所以本設(shè)計(jì)取下限值。

汽油機(jī)中進(jìn)入燃燒室的混合氣發(fā)熱量為[13]

式中：Qf為汽油機(jī)燃油混合氣發(fā)熱量，kJ/h；Pe為汽油機(jī)的標(biāo)定功率，kW；ηe為汽油機(jī)的有效效率，汽油機(jī)取值0.25。

在求得汽油機(jī)傳給機(jī)油的熱量Qo后，即可求得潤(rùn)滑系統(tǒng)中的循環(huán)油量Vo[13]，即

式中：Vo為潤(rùn)滑油循環(huán)量，L/h；ρ 為潤(rùn)滑油密度，取值ρ=0.85～0.90，kg/L；c 為機(jī)油的比熱容，取值c=1.7～2.1，kJ/（kg·℃)；△t 為潤(rùn)滑油進(jìn)出口的溫差，取值8～15 ℃。

3.2.2 機(jī)油泵的供油量及供油壓力

汽油機(jī)潤(rùn)滑循環(huán)油路中，有機(jī)油過(guò)濾器、限壓油道、油氣分離器以及由于零部件摩擦產(chǎn)生的零部件間隙等的存在，這些存在不僅需求一定的潤(rùn)滑油，還會(huì)對(duì)潤(rùn)滑油的循環(huán)造成一定的循環(huán)阻力，因此機(jī)油泵需要一定的供油量Vp以及一定的供油壓力，一般供油量的取值為[13]。

本設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮汽油機(jī)中最低油壓設(shè)計(jì)，先根據(jù)主軸頸內(nèi)機(jī)油的離心力來(lái)確定主油道的主油道的供油壓力，當(dāng)忽略潤(rùn)滑油粘性剪切的作用時(shí)，最小油壓為[13]

式中：ρ 為潤(rùn)滑油密度，取值ρ=0.85～0.90，kg/L；ω 為曲軸旋轉(zhuǎn)角速度，s-1；r 為主軸半徑，mm。

3.2.3 機(jī)油泵的設(shè)計(jì)計(jì)算

機(jī)油泵在同時(shí)提供足夠的機(jī)油量以及機(jī)油壓力的同時(shí)，還需要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、工作可靠，所以針對(duì)本小型手持式單缸四沖程汽油機(jī)，采用轉(zhuǎn)子式機(jī)油泵，轉(zhuǎn)子泵的供油量計(jì)算方式為[13]

式中：Vp為轉(zhuǎn)子泵供油量，L/min；Fc為內(nèi)外轉(zhuǎn)子間的最大齒間面積，mm2；z1為內(nèi)轉(zhuǎn)子齒數(shù)；b 為轉(zhuǎn)子厚度，mm；np為內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min；ηp為轉(zhuǎn)子泵的容積效率，一般取0.8～0.85。其中，內(nèi)外轉(zhuǎn)子間的最大齒間面積可近似取[13]

式中：ρ1、ρ2為內(nèi)轉(zhuǎn)子的最大、最小半徑，mm。

按照上述方法，所設(shè)計(jì)的汽油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 對(duì)比實(shí)驗(yàn)用汽油機(jī)

選用市場(chǎng)上與本設(shè)計(jì)排量相近的134 F 汽油機(jī)進(jìn)行對(duì)比分析，本設(shè)計(jì)汽油機(jī)與該134 F 汽油機(jī)的具體參數(shù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)用汽油機(jī)參數(shù)

4.2 測(cè)試設(shè)備

排放測(cè)試設(shè)備：選用HORIBA 公司的MEXA-7 200 D 型氣體測(cè)試分析儀，該分析儀包括樣氣采樣單元、樣氣處理分析單元，且具備泄漏檢查、干擾檢査、線(xiàn)性檢查和NO、效率檢査功能，可測(cè)量各種濃度范圍的CO、NOx、THC、O2、CH4、CO2等排放氣體，如圖5所示。

圖5 測(cè)試設(shè)備

耐久性驗(yàn)證設(shè)備：3GB250 背負(fù)式割灌機(jī)，田間試驗(yàn)?zāi)M。

4.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)CARB 2023 年后的小型非道路汽油機(jī)的排放及可靠性的要求項(xiàng)目，對(duì)本設(shè)計(jì)與與同等排量的134F 汽油機(jī)，各選5 臺(tái)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，最終試驗(yàn)結(jié)果取平均值。試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)樣機(jī)均不作保養(yǎng)與維修。

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試結(jié)果顯示，在發(fā)動(dòng)機(jī)初始階段，2 款發(fā)動(dòng)機(jī)有害氣體的排放量基本相同，在耐久時(shí)間200 h 時(shí)，2款發(fā)動(dòng)機(jī)的劣化系數(shù)（最終排放/初始排放）基本相等；耐久時(shí)間200 h 后，本設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)有害物質(zhì)的排放幾乎沒(méi)有增加，劣化系數(shù)幾乎沒(méi)有增大，而對(duì)比樣機(jī)134F 有害物質(zhì)的排放急劇增加，劣化系數(shù)急劇增大，如圖6 所示。對(duì)比樣機(jī)134F 耐久時(shí)間平均為317 h，本設(shè)計(jì)汽油機(jī)耐久時(shí)間平均為523 h，使用壽命可提高約65%。

圖6 排放物的比較

5 結(jié)論

根據(jù)以上排放對(duì)比數(shù)據(jù)分析可以看出，當(dāng)耐久200 h 前，配置本設(shè)計(jì)潤(rùn)滑系統(tǒng)的汽油機(jī)與對(duì)比樣機(jī)134 F 的潤(rùn)滑性能基本相同，均能滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。當(dāng)耐久200 h 時(shí)后，對(duì)比樣機(jī)134 F 有害物質(zhì)的排放與配置本設(shè)計(jì)潤(rùn)滑系統(tǒng)的汽油機(jī)相比急劇增加，說(shuō)明配置本潤(rùn)滑系統(tǒng)的汽油機(jī)，具有更高的穩(wěn)定性和可靠性。說(shuō)明該潤(rùn)滑系統(tǒng)在一定程度上，降低了汽油機(jī)有害氣體的排放，增加了汽油機(jī)的使用壽命，本文為后續(xù)進(jìn)一步降低單缸四沖程汽油機(jī)有害物質(zhì)的排放及提高使用壽命提供了新的方向。