手持式單缸四沖程發動機油氣分離結構的設計與研究

王 見

（臨沂科技職業學院 山東 臨沂 276000）

引言

小型通用發動機具有升功率大、比質量小、結構緊湊、運轉提速快、使用方式靈活等優點，被廣泛應用于農業、林業等領域。其主要的配套產品有各種規格的手持式和背負式割灌（草）機、背負式噴霧（噴粉）機、綠籬修剪機、采茶機、小型水泵機組、小型發電機組、動力噴霧機、油鋸、風力清掃機、小型建筑施工機械以及滑板車、舷外機、輕型摩托車等交通機械，市場需求巨大。與此同時，用戶對產品可靠性及使用成本的要求不斷增大。所以，提高產品的穩定性以及降低產品的使用成本，對產品的市場競爭力提高有巨大的促進作用。

油氣分離是單缸四沖程發動機潤滑系統中最重要的環節，它直接決定著發動機的機油消耗量、潤滑系統的可靠性，進而影響發動機的使用壽命及發動機有害物質的排放。為了減少發動機的機油消耗量、保證發動機潤滑系統的穩定性、提高發動機的使用壽命、降低發動機有害物質的排放，本文基于某園林機械用手持式單缸四沖程發動機，設計了一種多腔多級式潤滑系統油氣分離結構。

1 手持式單缸四沖程發動機

本文所用發動機為某園林機械用手持式單缸四沖程發動機，發動機主要技術參數見表1。

表1 發動機主要技術參數

2 單缸四沖程發動機潤滑系統結構與原理

2.1 潤滑系統結構

以發動機活塞往復運動所產生的脈動壓力作為發動機內潤滑油霧循環的驅動力，通過控制特定單向閥保證潤滑油的單向循環，進而達到發動機運行過程中的潤滑要求。圖1 為單缸四沖程發動機潤滑系統結構，該潤滑系統主要包含油底殼、曲軸箱、凸輪室、搖臂室、油氣分離結構、單向閥以及潤滑油道等，結構簡單、成本低廉，是作為配套園林植保機械用發動機潤滑系統的不二選擇。

圖1 潤滑系統結構

2.2 潤滑油的霧化過程

要實現潤滑油對發動機的潤滑功能，首先要對發動機內的潤滑油進行霧化。圖1 所示的潤滑系統中，油底殼內的潤滑油依次通過機油管、曲軸機油通道進入曲軸箱內，依靠發動機的機體溫度與曲軸的旋轉運動在曲軸箱內形成潤滑油霧。具體的霧化過程為：當發動機活塞向上運動時，簧片閥關閉，曲軸箱內的壓力狀態為負壓。此時，潤滑油自油底殼經機油管進入曲軸箱內，在發動機機體溫度的作用下，具有一定溫度的潤滑油在曲軸旋轉產生的離心力以及曲軸平衡塊攪拌的作用下，被順利霧化。

2.3 潤滑油的潤滑過程

圖1 所示的潤滑系統中，潤滑過程如圖2 所示。

圖2 潤滑過程

1）當活塞向上運行時，曲軸箱內的壓力狀態為負壓，簧片閥關閉，此時油底殼內的壓力大于曲軸箱內的壓力，在壓力差的作用下，油底殼內的液態潤滑油經機油管進入到曲軸箱內，液態潤滑油在進行相應霧化的同時，對曲軸箱內的曲軸組件進行相應的潤滑；當活塞上行至掠過氣缸壁的通油孔時，在負壓作用下，油底殼內的潤滑油霧以及液化后的部分潤滑油到達氣缸壁上，對活塞組件進行相應的潤滑。

2）當活塞向下運行時，曲軸箱內的壓力狀態為正壓，簧片閥開啟，潤滑油霧經機油通道依次進入到凸輪室、搖臂室、油氣分離結構內，分別對凸輪組件、配氣機構進行相應的潤滑，參與潤滑后的潤滑油霧在油氣分離結構內進行液化；液化后的潤滑油被回吸至潤滑系統中，重新進入下一潤滑循環。需要指出的是，在油氣分離室內未完全液化的潤滑油會自平衡管內逃逸至空氣濾清器中，進入到燃燒室內進行燃燒。

3 多腔多級式潤滑系統油氣分離結構設計

3.1 多腔多級式潤滑系統油氣分離結構的工作原理

多腔多級式潤滑系統油氣分離結構的工作原理如圖3 所示。

圖3 多腔多級式潤滑系統油氣分離結構的工作原理

油氣分離結構安裝在發動機潤滑系統的終端位置，目的是實現發動機內部環境與外界環境相通，從而使各腔室之間獲得所需壓力差的同時，能夠有效減少參與潤滑后的潤滑油逃逸至外部環境，避免造成環境污染。由此，油氣分離結構的進氣口與預設定的發動機潤滑終端腔室（搖臂室）相連，參與潤滑后的潤滑油霧在壓力差的作用下進入油氣分離結構，經多級冷凝后，潤滑油霧液化，進而與空氣分離；分離后的空氣經平衡管導入至發動機進氣側，參與燃燒；分離得到的液態潤滑油在發動機負壓的作用下再次進入潤滑循環系統，參與后續潤滑。

3.2 多腔多級式潤滑系統油氣分離結構設計原則

1）油氣分離結構的簡易性。油氣分離結構必須具有結構簡單、保養方便、成本較低等特性。對于園林機械用手持式單缸四沖程發動機，輕量化是關系到用戶體驗的關鍵性指標。由于使用環境惡劣，要求所設計的油氣分離結構必須易于使用者維修保養。

2）保證油氣分離的有效性。油氣分離結構最主要的功能是將參與潤滑后的潤滑油霧進行液化，使之與空氣分離。其中的液體潤滑油會被回吸至油底殼或者曲軸箱，再次進入潤滑循環；而其中的空氣會經平衡管引至發動機進氣側，參與燃燒。在此過程中，會有部分潤滑油隨分離后的空氣逃逸至發動機進氣側，燃燒后形成積碳。

3）油氣分離結構應具有可實施性。手持式單缸四沖程發動機的潤滑系統，潤滑油的循環動力主要依靠發動機運行過程中活塞的往復運動所產生的脈動壓力。作為潤滑系統中的一個環節，油氣分離結構的動力源應取自該脈動壓力。此外，作為潤滑系統中連接外部環境與內部環境的銜接結構，油氣分離結構應具有足夠小的阻力，以保持發動機內外部環境的壓力平衡。

3.3 多腔多級式潤滑系統油氣分離結構設計

3.3.1 參數設計

1）供油壓力設計。如上所述，潤滑油是通過在零部件之間形成潤滑油膜來達到潤滑目的的，以滾動摩擦零部件為例，潤滑油膜的形成模型如圖4 所示。

圖4 潤滑油膜的形成

假設轉動線速度為v1的零部件A 與以轉動線速度為v2的零部件B 做相對運動，此時2 個零部件之間的潤滑油以平均線速度v=（v1+v2）/2 進行流動。在潤滑過程中，需要有足夠的機油對零部件連續不斷地進行潤滑。由此來看，潤滑油必須有足夠的供油壓力。對于本文所采用的手持式單缸四沖程發動機來講，油氣分離室是連接大氣環境與曲軸箱的過渡環節，供油壓力絕大部分要依靠油氣分離室的流動阻力來保持[1]。因此，本文優先考慮最低供油壓力。在發動機各個運動副中，曲柄銷與連桿之間的相對滑動速度是最大的，在確定最低供油壓力時，選用以連桿大頭軸承所要求的最低供油壓力進行設計計算[2]，計算公式如下：

式中：pmin為最低供油壓力，kPa；v 為運動副的相對滑動速度，m/s；ρ 為潤滑油密度，取0.85×103kg/m3。

2）曲軸箱壓力設計。曲軸箱壓力形成模型如圖5所示。

圖5 曲軸箱壓力形成模型

如上所述，要保證潤滑油膜的形成，需要足夠大的曲軸箱壓力來保證供油壓力。但曲軸箱壓力并不是越大越好，過大的曲軸箱壓力，一是在活塞做功階段（活塞下行），會造成發動機的功率和能量損耗；二是會造成活塞環開口間隙反向竄油，從而造成機油大量消耗[3]。本文進行曲軸箱壓力設計的宗旨是在滿足供油壓力的基礎上，盡量減少活塞環開口間隙反向竄油。所謂的活塞環開口間隙反向竄油，就是當曲軸箱壓力過大時，造成頂環槽或者二環岸的壓力大于燃燒室壓力，機油通過頂環開口間隙被壓入燃燒室，引起機油上竄。頂環上容積腔與下容積腔的壓力差和活塞環的開口間隙是影響反向竄油的主要因素[4]。其表達式如下：

3.3.2 結構設計

潤滑循環終端設計在發動機的搖臂室，參與潤滑后的潤滑油霧在壓力作用下進入油氣分離室內。油氣分離室采用多腔多級分離設計，保證潤滑油霧的充分液化。在本文設計的油氣分離結構中，設計了一個帶有虹吸孔的虹吸板。虹吸板的引管與機油回收室一體，且該引管與曲軸箱的負壓室相連。在潤滑過程中，液化后的潤滑油霧被虹吸孔回吸至油底殼進行下一潤滑循環。油氣分離過程中，油氣依次通過油氣分離室中的多組冷凝裝置，保證參與潤滑后的潤滑油霧有效液化。此外，在油氣分離室的頂部設計了一個與空氣濾清器相連通的通氣腔，通氣腔可以將少量未液化的潤滑油霧經空氣濾清器引至發動機進氣口，參與二次燃燒，減少二次污染。本文設計的油氣分離結構如圖6 所示。

圖6 油氣分離結構

4 設計驗證

4.1 各腔室壓力測定與分析

壓力測試采用西門子公司的ZSE80F 數字式壓力表進行，測試結果如圖7 所示。

圖7 各腔室壓力

由圖7 所示的測試結果可知：

1）曲軸箱、油氣分離室的壓力呈現正壓與負壓交替的狀態，且呈現近似對稱規律，即平均壓力接近0，符合設計要求；

2）搖臂室內的壓力呈現正壓與負壓交替的狀態，但平均壓力呈現負壓狀態；且在曲軸箱及油氣分離室呈現正壓時，搖臂室呈現負壓；在曲軸箱及油氣分離室呈現負壓時，搖臂室呈現正壓，滿足設計要求。

4.2 機油消耗量的測定與分析

重力測量法是通過測量機油的質量來測量機油消耗量，分為放油稱重法和連續稱重法。

放油稱重法只需要電子秤和放油工裝即可，測試過程為：首先對加入機油的發動機進行稱重獲得質量M1，在標定工況或者額定轉速下，發動機運行足夠長的時間t 后（至少運行8 h），再對測量樣機進行稱重獲得質量M2，最終的機油消耗量為：

連續稱重法需要電子秤的同時，還需要機油收集裝置。通過對收集裝置中的機油進行連續測量，計算出機油消耗量。

相比于放油稱重法，連續稱重法所獲得的數據更準確，但單獨操作難度更大。

綜合試驗精度要求及試驗條件，本文采用放油稱重法進行機油消耗量測試，具體測試過程為：

1）隨機抽取4 臺樣機，分別配置普通油氣分離結構，連續運行8 h 后，測試其機油消耗量；

2）將4 臺樣機分別更換本文所設計的油氣分離結構，連續運行8 h，測試其機油消耗量。

測試結果如表2 和圖8 所示。

圖8 機油消耗量對比

表2 機油消耗量測試結果

從表2 和圖8 所示的測試數據可知，配套本文設計的油氣分離結構后，機油消耗量明顯減少，平均減少了約22.7%。所以，本文設計的油氣分離結構能夠對發動機潤滑系統中的潤滑油霧進行有效液化。

如果機油消耗量減少，不僅可降低使用成本，還可間接地降低發動機有害物質的排放[5]。由此可知，本文設計的油氣分離結構能夠有效提高發動機的潤滑穩定性，降低發動機有害物質的排放。

5 結論

本文基于某園林機械用手持式單缸四沖程發動機，設計了一種多腔多級式潤滑系統油氣分離結構，并進行了試驗驗證，結論如下：

1）從曲軸箱內壓力的測試結果可知，曲軸箱內最大正壓可達14 kPa，能夠減少因活塞環開口間隙反向竄油而造成的機油消耗量。

2）曲軸箱、油氣分離室的壓力呈現正壓與負壓交替的狀態，且呈現近似對稱規律，即平均壓力接近0，能夠滿足發動機的性能要求。

3）搖臂室內的平均壓力為負壓，滿足發動機需求。

4）相比于采用普通油氣分離結構，采用本文設計的油氣分離結構，發動機的機油消耗量平均減少了約22.7%。

5）由于機油消耗量減少，本文設計的油氣分離結構能夠有效提高發動機的潤滑穩定性，降低發動機有害物質的排放。