內燃往復式發動機潤滑系統簡析

王聲明 宗升云 伍良余 宗皓 鄧伊成 羅偉 劉國芬

摘要：潤滑系統是包含內燃發動機在內運動的機械設備的重要組成部分。內燃往復式發動機是通過在燃燒室燃燒燃料，將化學能轉換成直線運動的機械能。通過發動機內部的曲柄連桿機構將直線運動轉換成圓周運動輸出。在此過程存在大量的機械運動以及運動部件帶有大量的熱量，這就需要潤滑系統保證發動機正常的進行機械運動。基于此，本論文主要討論了潤滑的原理、作用和方式，并且結合發動機講述潤滑系統在發動機領域的組成結構。

關鍵詞：原理、條件、作用、濕式油底殼內燃機潤滑系統、干式油底殼內燃機潤滑系統、系統組成

引言

1876年，德國人Nicolaus Auguet Ouo與Langen合作，制造出四沖程煤氣機，內燃機經過一百多年的發展，到今天已經取得了前所未有的進步。由最簡單的自然吸氣，純機械控制發展到現在的渦輪增壓，電子電路控制。隨著科技的發展，內燃機在經濟性、動力性、可靠性等諸多方面取得了驚人的進步，為人類做出了巨大的貢獻。

為了降低內燃機的故障頻率，提高可靠性，減少維修周期，內燃機維保行業的人員必須具備相關的職業技能，對內燃機的工作原理，結構組成特點需要充分了解。本文主要講述的就是內燃機的一個重要組成部分潤滑系統。良好的潤滑不僅能提高零部件的使用壽命，也能降低單位功率的燃料消耗。

一. 概述

1.1、 潤滑原理

兩個運動零件的工作表面，從微觀角度看是粗糙不平的，如圖1-1，在相對運動中會摩擦發熱而消耗一定功率，同時引起磨損。

為了減少上述磨損和功率消耗，在兩個零件的工作表面加入一層潤滑油使其完全或部分隔開，兩表面的摩擦系數會減小，摩擦引起的功率消耗和磨損就大為減少。對于軸和其支座，兩配合表面還會由于二者的相對運動而形成油楔，從而進一步減少摩擦阻力。

利用油楔作用形成潤滑油膜的原理如圖1-2所示。當軸在靜止狀態時，在自重作用下與軸軸承最低處相接觸。由于軸與軸承接觸面較小，潤滑油被擠出。當軸轉動時，粘附在軸表面的潤滑油便隨軸一起轉動。由于軸與軸承的間隙成楔形，運動的潤滑油會產生一定的壓力，在此壓力作用下，軸被推向一側。軸的轉速越高，單位時間被帶動的潤滑油也越多，壓力相應地也越大，當軸的轉動達到一定時，軸便被油壓抬起。這樣，油膜將與軸承完全隔開，使它們之間變為液體摩擦，從而減少了軸的運轉助力，減少了軸與軸承的磨損。

同理，作直線運動的零件，其前端有倒角時，潤滑油也可楔入摩擦表面而形成油膜。為了保證發動機長期可靠地工作，發動機的各運動表面都要得到適當的潤滑。

1.2、 保證發動機潤滑的條件

1. 有足夠的潤滑油量和合適的壓力

足夠的油量才能保證各個需要潤滑的表面有足夠的油來形成油膜，而合適的壓力才能保證潤滑油被可靠地送達各個摩擦表面。

2. 運動件表面之間有合適的間隙

當有足夠的潤滑油后，還必須使用兩個相對運動件之間有一定的空隙，才能讓潤滑油進入到兩個表面之間。當兩個表面逐漸收斂時，潤滑油被擠壓到一個窄的空間而產生一個壓力，這個壓力將兩個表面強制分離，從而形成完成的油膜。

3. 足夠快的速度

如果軸的轉速不夠快，它將沒有足夠快速率來帶動或泵壓足夠量的潤滑油進入壓力楔，以補充從軸承兩端漏掉的潤滑油量，其結果是無法保證完整的油膜潤滑。

4. 潤滑油必須有恰當的黏度

在速度、負荷、油膜厚度都穩定的情況下，潤滑油的黏度愈大，摩擦阻力愈大，摩擦系數愈大，機械摩擦損壞功率愈大。但是，黏度過小也不行，太小了油膜承載能力不夠，無法維持流體膜潤滑，則摩擦阻力更大。因此，選用的潤滑油黏度應與轉速、負荷配合得當，機械就能處于合適的流體摩擦范圍內工作，摩擦系數低，機械磨損最小，所以控制潤滑油的黏度是十分重要的。

1.3、潤滑油的作用

潤滑油俗稱機油，其作用有以下幾個方面：

1、 潤滑

在各零件的摩擦表面形成潤滑油膜，減少零件的摩擦、磨損和功率消耗。

2、 清潔

在發動機工作時內部會有雜質產生，也會有外部雜質侵入。如：發動機機工作時產生的金屬磨削，進氣帶入的塵埃，燃燒時產生的固體雜質等。這些雜質中硬質顆粒進入的工作表面就會形成磨料，大大加劇零件的磨損。而潤滑系統通過潤滑油的流動將這些磨料從零件表面沖洗下來并帶回油底殼。大的顆粒雜質沉淀到油底殼底部，小的顆粒雜質被潤滑油過濾器濾出，從而起到清潔的作用。

3、 冷卻

由于運動部件受到摩擦和高溫燃燒的影響，某些零件具有較高的溫度。而潤滑油流經零件表面時可吸收其熱量，這部分熱量通過潤滑油冷卻器和油底殼散發到大氣。

4、 密封

例如發動機氣缸壁和活塞、活塞環以及活塞環與活塞環槽之間都留有一定的間隙，并且這些零件本身也存在幾何偏差，這些零件表面上的油膜可以補償上述原因造成的表面配合的微觀不均勻性。由于油膜充滿在可能漏氣的間隙中，減少了氣體的泄漏，保證氣缸的應有壓力，因而起到了密封作用。

5、 防腐防銹

由于潤滑油粘附在零件表面，避免了零件與水、空氣、燃氣的直接接觸，起到了防止或減輕零件銹蝕和化學腐蝕的作用。

6、 降低噪音

零件工作表面之間的潤滑油膜能減輕金屬零件之間的撞擊噪音，此外液體潤滑油具有一定的吸振能力

7、 分散應力

液體潤滑油能使局部受到的集中應力分散，此外液體潤滑油增大了零件的實際承壓面積，因此起到了緩沖局部峰值壓力的作用。

二. 潤滑系的作用與組成

2.1、潤滑系的作用

潤滑系的作用就是連續不斷地將潤滑油以一定的壓力和流量輸送到各個需要潤滑的摩擦表面，維持潤滑油的正常工作溫度，并并保證潤滑油的循環。

2.2、潤滑方式

由于發動機各運動副的工作條件不同，對潤滑強度的要求也不同。它取決于工作環境的好壞，承受載荷的大小和相對運動速度的大小。發動機各部件的潤滑方式主要有：

1、壓力潤滑

對負荷大、相對運動速度高的摩擦慢，例如：主軸承、連桿軸承、凸輪軸軸承和氣門搖臂軸都采用潤滑強度較大的壓力潤滑。即利用潤滑油泵加壓，通過油道將潤滑油輸送到摩擦面。

2、飛濺潤滑

對外露表面、負荷較小的摩擦面，例如：凸輪與挺桿、活塞銷與銷座等，一般采用飛濺潤滑。即依靠主軸承與連桿軸承兩側漏甩出來的潤滑油和油霧來進行潤滑。

3、噴油潤滑

某些零部件如活塞的熱負荷非常嚴重，某些品牌的發動機部分型號，在缸體內部活塞的下面缸體上裝了一個噴嘴，將潤滑油噴在活塞的底部來冷卻活塞。但一般低負荷的發動機，活塞與氣缸壁之間雖然工作條件較差，為了防止過量潤滑油進入燃燒室而使發動機工作惡化，都采用飛濺潤滑。事實上噴油潤滑與飛濺潤滑沒有本質區別。

4、定期潤滑

定期定量加注潤滑脂。

2.3、潤滑系的組成與類型

發動機的潤滑系統主要有潤滑油的貯存部件、泵送部件、濾清部件、冷卻部件、壓力溫度檢測等部件組成，對于不同系統稍有差別。現代內燃機根據其潤滑油貯存的位置不同可分為濕式油底殼和干式油底殼兩大類。

1. 濕式油底殼柴油潤滑系統

圖2-1為濕式油底殼內燃機潤滑系統，潤滑油直接貯存于曲軸箱下部，該結構較為簡單，工作條件無特殊要求，現在多數發動都采用的該結構。

其主要組成及作用如下：

（1）油底殼。收集。貯存、冷卻及沉淀潤滑油。

（2）潤滑油泵。提高潤滑油壓力，向摩擦表面強制供油。

（3）集濾器、機油濾。過濾潤滑油中的雜質、減輕零件的摩擦與磨損，防止油路堵塞。

（4）潤滑油冷卻器及恒溫閥。在內燃機工作過程中，潤滑油將吸收摩擦產生的熱量以及燃燒傳導給零件的熱量，潤滑油溫度升高。潤滑油的溫度若過高，不僅會加速潤滑油的老化變質、縮短潤滑油的使用期限。而且也使潤滑油黏度下降，潤滑性能變成，導致零件磨損量增大。故在對潤滑油進行冷卻。并聯在潤滑冷卻油路上安裝恒溫閥，控制潤滑油冷卻強度，使潤滑油的溫度保持在最適宜的范

（5）限壓閥（調壓閥）。它位于潤滑油泵的出油道上，用來限制油路的最后壓力，防止潤滑油泵過載以及避免密封件損壞等。當出油道潤滑壓力超過規定值時，限壓閥打開，讓一部分潤滑油回到油底殼

（6）安全閥（旁通閥）。安全閥通常與濾芯并聯，當濾芯被污物堵塞時，潤滑油流過濾芯的阻力增大、流量減少，有可能造成摩擦表面得不到良好的潤滑。此時油道內的油壓升高，安全閥打開，潤滑油直接流向主有道已保證潤滑。低溫啟動時潤滑油黏度大，流動阻力大，安全閥也會打開。

（7）溢流閥。它安裝在主油道上，用來保證主油道壓力不致過高。油壓超過正常值溢流閥開啟，一部分潤滑油回到油底殼。并不是所有發動機都安裝溢流閥，部分發動機用限壓閥兼做溢流閥。

（8）油壓表、油溫表。現大部分發動機都用傳感器來檢測潤滑油壓力和溫度。

（9）油管。油道。它們被用來輸送潤滑油。

2. 干式油底殼內燃機潤滑油系統

圖2-2 干式油底殼內燃機潤滑系統，干式油底殼殼潤滑油系統的特點：回到油底殼內潤滑油不斷被一只或者兩只吸油泵抽出，并輸送到位于發動機外邊的儲油箱中，然后由另一只油泵將潤滑油送到發動機內部的潤滑油系統中。

采用干式油底殼的目的如下：

（1）使發動機適用于在縱向和橫向大傾斜度條件下工作，不致使供油間斷。

（2）使大量的潤滑油免除與曲軸箱中的高溫氣體接觸，可以有效減少潤滑油的氧化。

（3）油底殼容積可大大縮小，使發動機結構高度降低，這對坦克和運輸用發動機和跑車等特別有利。

參考文獻

（1） 母忠林 《柴油機維修技巧與故障案例分析》 ? 機械工業出版社 ? ? 2009.10

（2） 張鵬 ? 《汽車發動機構造與維修》 ? ? ? ? ? 北京理工大學出版社 2017.09

（3） 王寶昌 《內燃機構造與原理》 ? ? ? ? ? ? ? 中國工信出版社 ? ? 2016.08