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(dòng)機(jī)構(gòu)噪聲、免氣門間隙調(diào)整的優(yōu)點(diǎn)，就液壓挺桿使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)“升程損失”及“啟動(dòng)噪聲”問題進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)液壓挺桿工作過(guò)程的分析，通過(guò)對(duì)為液壓挺桿提供壓力油的潤(rùn)滑系統(tǒng)的分析，得出，機(jī)油中氣泡含量以及是否有空氣直接進(jìn)入液壓挺桿是決定液壓挺桿能否正常工作的關(guān)鍵問題。為此需要采取的措施有二，一是要減少機(jī)油中混入空氣的產(chǎn)生。二是，限制氣泡進(jìn)入液壓挺桿中。

關(guān)鍵詞：液壓挺桿 潤(rùn)滑系統(tǒng) 發(fā)動(dòng)機(jī) 研究

液壓挺桿可以自動(dòng)調(diào)整氣門傳動(dòng)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(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、降低噪音且免去間隙調(diào)整。但是作為液壓補(bǔ)償元件液壓挺桿的工作質(zhì)量與供油品質(zhì)有關(guān)，機(jī)油的狀況直接受該發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的影響，所以對(duì)機(jī)油品質(zhì)要求的提高也就增加了發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。本文從理論與實(shí)際使用的角度來(lái)分析液壓挺桿的正常工作中除了要減少卷入機(jī)油中的氣體的同時(shí)還要避免在氣泡進(jìn)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(shí)際使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)“升程損失”以及“啟動(dòng)噪聲”問題。

在正常的情況下，液壓挺桿柱塞由于機(jī)油泄露而引起的升程損失在0.01～0.05mm范圍之內(nèi)。當(dāng)升程損失超過(guò)0.1mm時(shí)，即認(rèn)為超過(guò)液壓挺桿所允許的范圍，同時(shí)噪聲加劇。

在發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間停放后以及頻繁起動(dòng)時(shí)，空氣進(jìn)入液壓挺桿的高壓油腔，會(huì)產(chǎn)生噪聲。運(yùn)動(dòng)損失與啟動(dòng)噪聲兩方面的問題在使用中往往是同時(shí)出現(xiàn)。

液壓挺桿利用機(jī)油可以傳遞壓力的作用使其在使用過(guò)程中自動(dòng)消除氣門間隙的調(diào)整。然而不可避免地會(huì)出現(xiàn)氣門“升程損失”以及“啟動(dòng)噪聲”問題，機(jī)油的品質(zhì)將直接影響到其工作質(zhì)量。

2 潤(rùn)滑油

潤(rùn)滑系統(tǒng)的以下兩個(gè)方面對(duì)液壓挺桿的使用起關(guān)鍵性的作用。

2.1 機(jī)油壓力

一定的機(jī)油壓力是液壓挺桿在凸輪處于基圓段進(jìn)行補(bǔ)充機(jī)油時(shí)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(jī)油中的氣體含量

機(jī)油中會(huì)混入和溶入氣體。

2.2.1 溶入氣體

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

2.2.2 混入氣體對(duì)機(jī)油的影響

混入氣體油液內(nèi)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(shù)的倒數(shù)，即具體地表征該油液的可壓縮性程度。純機(jī)油的體積彈性模量很大，純液壓用油的平均值在范圍內(nèi)，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(jī)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(jì)算出不同混入氣體量時(shí)的體積彈性模量如表1。

由表1可以看出，當(dāng)機(jī)油中混入體積百分比為0.5%時(shí)，體積彈性模量降為原來(lái)純液體的59%，在實(shí)際使用中當(dāng)體積彈性模量為以上可以忽略由于該液體的壓縮性而導(dǎo)致的升程減小。即當(dāng)機(jī)油中的氣體混入體積比超過(guò)0.7%時(shí)，液壓挺桿工作過(guò)程中不能近似為剛性體。更為嚴(yán)重的是氣體的體積彈性模量?jī)H為純液體的0.7%。

2.3 小結(jié)

（1）作為液壓挺桿的供油系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，缸蓋油道的機(jī)油壓力不應(yīng)該小于0.05Mpa，理想的供油壓力為3～3.5Mpa。

（2）機(jī)油中氣體的存在方式有兩種：溶入和混入。溶入氣體對(duì)機(jī)油的體積彈性模量幾乎沒有影響且氣體的溶入量與機(jī)油壓力成正比關(guān)系。然而，機(jī)油中的混入氣體對(duì)機(jī)油的體積彈性模量影響很大，當(dāng)機(jī)油中的氣體混入體積比超過(guò)0.7%時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的液壓挺桿工作不正?，F(xiàn)象。

3 潤(rùn)滑系統(tǒng)的改進(jìn)

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

3.1 避免機(jī)油卷入氣體的措施

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

發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑方式以壓力潤(rùn)滑與飛濺潤(rùn)滑為主，其中飛濺潤(rùn)滑是產(chǎn)生氣泡的原因之一，機(jī)油泵的泄油是機(jī)油飛濺而導(dǎo)致機(jī)油中空氣含量增加的主要因素。

在汽油機(jī)的設(shè)計(jì)中，在機(jī)油泵泄壓閥的出油端接入管路將機(jī)油直接導(dǎo)入機(jī)油盤油面以下，可以避免機(jī)油與空氣的接觸，減少了空氣卷入機(jī)油的機(jī)會(huì)。其結(jié)構(gòu)如圖2所示（1為機(jī)油泵，2為泄壓閥，3為機(jī)油回油導(dǎo)管）。

另外，在很多的機(jī)型上機(jī)油泵采用內(nèi)部循環(huán)的機(jī)油回路是避免氣泡產(chǎn)生的最佳措施。

通過(guò)以上措施可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中氣體在機(jī)油中存在，即使由于不可避免的因素，諸如，冷卻潤(rùn)滑活塞的連桿噴孔所帶來(lái)的氣泡的產(chǎn)生、機(jī)油晃動(dòng)等產(chǎn)生的少量氣泡可以通過(guò)在機(jī)油泵的作用下將機(jī)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(jī)油中，其體積百分比也不會(huì)超過(guò)0.7%，可以確保在使用中正常工作。但是，在長(zhǎng)期停車或者頻繁啟動(dòng)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(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)后機(jī)油很快就可以進(jìn)入液壓挺桿而不是空氣直接進(jìn)入挺桿油腔。

3.2 使發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋油道能存油的措施

使發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋油道內(nèi)能保存機(jī)油是防止冷啟動(dòng)狀態(tài)氣體不要直接進(jìn)入高壓油腔的直接手段。為達(dá)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(jìn)入氣缸蓋的油孔加工成階梯孔，壓入一限流管和一個(gè)泄流悶頭，悶頭上鉆有排氣小孔，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)停止后，限流管到機(jī)油泵之間的機(jī)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(jī)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(jī)油通過(guò)機(jī)油濾清器過(guò)濾后，在機(jī)油濾清器座上將油路分成兩路，一路進(jìn)入曲軸箱對(duì)曲軸主軸承、連桿軸承等進(jìn)行潤(rùn)滑。另一路通過(guò)曲軸箱鉆孔進(jìn)入氣缸蓋對(duì)液壓挺桿、凸輪軸進(jìn)行潤(rùn)滑。機(jī)油止回閥安裝在通往缸蓋支路的開始處。下次起動(dòng)時(shí)液壓挺桿可以很快供油。這種方案將發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)與液壓挺桿的供油系統(tǒng)在機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)是每缸2氣門，則回油腔空間充足，但4氣門就會(huì)出現(xiàn)回油道不充足的問題，在高速狀態(tài)下可能就會(huì)出現(xiàn)機(jī)油回流不暢出現(xiàn)燒機(jī)油的嚴(yán)重問題。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）液壓挺桿可以自動(dòng)調(diào)整氣門傳動(dòng)鏈中的氣門間隙，同時(shí)降低氣門傳動(dòng)中的噪聲。但是由于機(jī)油中會(huì)有氣體卷入且當(dāng)混入氣體體積百分比超過(guò)0.7%時(shí) “升程損失”與“啟動(dòng)噪聲”問題加劇。

（2）采用避免氣體混入機(jī)油內(nèi)部，同時(shí)保證機(jī)油在啟動(dòng)過(guò)程中迅速進(jìn)入液壓挺桿內(nèi)部可以有效降低液壓挺趕噪聲的問題。

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