王 見 李清礪 朱玉全 孫希強 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，隨著大氣污染的日益嚴重，世界各國對汽油機排放和可靠性的要求日趨嚴格，美國自2010年1 月1 日起實施第三階段排放法規(guī)，歐盟自2017年1 月1 日起實施第五階段排放指令，對汽油機排放廢棄物中的HC+NOx及CO 的含量進行了限定，尤其是美國加州空氣資源委員會（CARB）擬對2023年以后生產(chǎn)的小型非道路汽油機的排放及可靠性作出新的規(guī)定。因此，為滿足國內(nèi)外對環(huán)境保護的需求，需要進一步降低小型汽油機有害物質(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的潤滑系統(tǒng)出發(fā)，設(shè)計一種使用壽命長、性能可靠的潤滑系統(tǒng)，從而提高整機壽命以及降低機油消耗率進而減少汽油機有害物質(zhì)的排放。

1 目前四沖程汽油機潤滑系統(tǒng)

1.1 潤滑系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)

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

圖1 潤滑系統(tǒng)原理

1.2 汽油機的潤滑過程

以圖1 的潤滑系統(tǒng)為例，當活塞上行時，曲軸箱底部的簧片閥關(guān)閉，曲軸室的壓力下降，此時曲軸室內(nèi)的壓力小于儲油室及凸輪室的壓力，在壓力差的作用下，凸輪室內(nèi)的潤滑油經(jīng)進油通道、儲油室中的潤滑油經(jīng)進油口和鴨嘴閥進入曲軸室（鴨嘴閥保證潤滑油道自儲油室至曲軸室單向?qū)ǎ．敾钊滦袝r，曲軸室的壓力升高，簧片閥開啟，曲軸室內(nèi)的壓力大于儲油室及凸輪室的壓力，在壓力作用下，部分潤滑油霧經(jīng)過上油通道到達氣門室，部分潤滑油霧通過進油通道經(jīng)曲軸室進入凸輪室。同時，進入氣門室內(nèi)參與潤滑后的潤滑油霧，部分通過缸體內(nèi)回油通道回到儲油室，部分進入凸輪室，連同凸輪室中的潤滑油經(jīng)凸輪室中的回油通道回到儲油室。進入凸輪室中的油霧大部分被分離成油滴和空氣，空氣及逃逸出的潤滑油霧進入空濾器參與再次燃燒，油滴通過凸輪室中的回油通道回到潤滑油室，如圖2 所示。該潤滑系統(tǒng)經(jīng)試驗及市場驗證，基本能夠滿足目前相關(guān)法律法規(guī)對排放及可靠性的要求。

圖2 潤滑流程

2 潤滑系統(tǒng)失效對汽油機的影響

保證汽油機具有可靠、有效的潤滑系統(tǒng)，是汽油機能夠正常工作的必要條件。上述汽油機的潤滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，但存在以下缺點：

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

2）該潤滑系統(tǒng)中的簧片閥始終隨活塞的往復(fù)運動進行開啟、關(guān)閉動作，而簧片閥一般為薄板件，在此狀態(tài)下簧片閥運行200～300 h 會發(fā)生疲勞失效現(xiàn)象。

無論是鴨嘴閥還是簧片閥的失效，均會造成汽油機潤滑不良的現(xiàn)象發(fā)生，從而導(dǎo)致汽油機內(nèi)的氣門、搖臂、滾針軸承、活塞、活塞環(huán)（氣環(huán)、油環(huán)）等運行部件的異常磨損，嚴重時會造成汽油機故障甚至報廢，降低了汽油機的使用壽命。此外，燃燒室內(nèi)大量的高溫燃氣，會因氣環(huán)的磨損而竄入汽油機曲軸室內(nèi)，使得活塞環(huán)處的熱負荷增加，阻礙冷卻的順利進行，此時潤滑油的消耗量也會增加，粘度較大，不易揮發(fā)的潤滑油，進入燃燒室后，難以進行充分的燃燒，使得汽油機氣門、活塞環(huán)槽等位置出現(xiàn)嚴重的積碳，積碳的存在會影響到汽油機的正常運轉(zhuǎn)與排放。

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

1）積碳熱傳導(dǎo)率較低，積碳會導(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，當溫度達到2 000 K 時具有很高的產(chǎn)生速率，此時溫度每提高100 K，NO 的生成速率幾乎翻一番[5]，所以，所以降低整機溫度及減少積碳的產(chǎn)生，可有效降低整機NOx的排放；

2）積碳的存在會導(dǎo)致HC 的增加[6-10]。積碳對HC化合物的作用機理相當復(fù)雜，部分學(xué)者認為影響機理，可能像潤滑油膜對可燃混合氣中的HC 起吸附和解吸作用[11]，積碳的多孔結(jié)構(gòu)會使作用機理進一步復(fù)雜化。同時，積碳的存在會減小縫隙的尺寸促進淬熄，進而增加HC 的排放量。

3）CO 的排放也會因為積碳的減少而減少[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較低的活塞機氣門表面，所以難以充分燃燒產(chǎn)生CO 有害氣體，從而增加了汽油機有害物質(zhì)的排放。

因此以上潤滑系統(tǒng)設(shè)計僅能夠滿足現(xiàn)國內(nèi)外對小型汽油機壽命及排放的要求，要想滿足后續(xù)加州空氣資源委員會（CARB)對非道路小型汽油機排放及可靠性要求，還需要對該潤滑系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。

3 潤滑系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

保證發(fā)動機具有合適的潤滑油量，是發(fā)動機能夠正常工作的必要條件。當潤滑系統(tǒng)因某一零部件失效時，就會造成汽油機零部件潤滑油供應(yīng)量不足，進而造成汽油機內(nèi)相關(guān)零部件的急劇磨損，導(dǎo)致汽油機出現(xiàn)故障。本設(shè)計通過改進機油泵設(shè)計，增加發(fā)動機潤滑系統(tǒng)的可靠性和耐久性，如圖3 所示。

圖3 改進潤滑系統(tǒng)原理

該潤滑系統(tǒng)中，機油泵通過吸油管與機油室連通，實現(xiàn)機油泵從機油室吸取潤滑油，供應(yīng)活塞與缸壁之間、活塞環(huán)與缸壁之間所需潤滑油的目的。當汽油機活塞下行時，曲軸箱內(nèi)的壓力為正壓，此時曲軸箱內(nèi)的潤滑油霧在壓力作用下，通過潤滑油道經(jīng)齒輪室進入配氣室，對汽油機內(nèi)的各零部件進行相應(yīng)潤滑，參與潤滑后的潤滑油霧進一步進入油氣分離室。當汽油機活塞上行時，曲軸箱內(nèi)的壓力為負壓，此時在配氣室內(nèi)碰撞液化的潤滑油霧，以及油氣分離室內(nèi)未完全液化的潤滑油霧，在負壓的作用下被回吸至機油室。此外，部分逃逸出的潤滑油霧，經(jīng)呼吸管進入汽油機的進氣部分吸入到汽油機燃燒室參與燃燒。

3.2 設(shè)計參數(shù)

3.2.1 循環(huán)潤滑油量

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

汽油機中進入燃燒室的混合氣發(fā)熱量為[13]

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

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

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

3.2.2 機油泵的供油量及供油壓力

汽油機潤滑循環(huán)油路中，有機油過濾器、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滑油，還會對潤滑油的循環(huán)造成一定的循環(huán)阻力，因此機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)計優(yōu)先考慮汽油機中最低油壓設(shè)計，先根據(jù)主軸頸內(nèi)機油的離心力來確定主油道的主油道的供油壓力，當忽略潤滑油粘性剪切的作用時，最小油壓為[13]

式中：ρ 為潤滑油密度，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 機油泵的設(shè)計計算

機油泵在同時提供足夠的機油量以及機油壓力的同時，還需要結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、工作可靠，所以針對本小型手持式單缸四沖程汽油機，采用轉(zhuǎn)子式機油泵，轉(zhuǎn)子泵的供油量計算方式為[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)計的汽油機潤滑系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 潤滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 實驗驗證

4.1 對比實驗用汽油機

選用市場上與本設(shè)計排量相近的134 F 汽油機進行對比分析，本設(shè)計汽油機與該134 F 汽油機的具體參數(shù)如表1 所示。

表1 實驗用汽油機參數(shù)

4.2 測試設(shè)備

排放測試設(shè)備：選用HORIBA 公司的MEXA-7 200 D 型氣體測試分析儀，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、線性檢查和NO、效率檢査功能，可測量各種濃度范圍的CO、NOx、THC、O2、CH4、CO2等排放氣體，如圖5所示。

圖5 測試設(shè)備

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

4.3 實驗內(nèi)容

根據(jù)CARB 2023 年后的小型非道路汽油機的排放及可靠性的要求項目，對本設(shè)計與與同等排量的134F 汽油機，各選5 臺進行對比測試，最終試驗結(jié)果取平均值。試驗過程中對樣機均不作保養(yǎng)與維修。

4.4 實驗結(jié)果分析

測試結(jié)果如表2 所示。

表2 實驗結(jié)果

測試結(jié)果顯示，在發(fā)動機初始階段，2 款發(fā)動機有害氣體的排放量基本相同，在耐久時間200 h 時，2款發(fā)動機的劣化系數(shù)（最終排放/初始排放）基本相等；耐久時間200 h 后，本設(shè)計發(fā)動機有害物質(zhì)的排放幾乎沒有增加，劣化系數(shù)幾乎沒有增大，而對比樣機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。對比樣機134F 耐久時間平均為317 h，本設(shè)計汽油機耐久時間平均為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)以上排放對比數(shù)據(jù)分析可以看出，當耐久200 h 前，配置本設(shè)計潤滑系統(tǒng)的汽油機與對比樣機134 F 的潤滑性能基本相同，均能滿足發(fā)動機的使用要求。當耐久200 h 時后，對比樣機134 F 有害物質(zhì)的排放與配置本設(shè)計潤滑系統(tǒng)的汽油機相比急劇增加，說明配置本潤滑系統(tǒng)的汽油機，具有更高的穩(wěn)定性和可靠性。說明該潤滑系統(tǒng)在一定程度上，降低了汽油機有害氣體的排放，增加了汽油機的使用壽命，本文為后續(xù)進一步降低單缸四沖程汽油機有害物質(zhì)的排放及提高使用壽命提供了新的方向。