不同密封方式对微型摆式内燃机的影响

吴天宇，史 波

（南京航空航天大学 能源与动力学院，江苏 南京 210016）

不同密封方式对微型摆式内燃机的影响

吴天宇，史 波

（南京航空航天大学 能源与动力学院，江苏 南京 210016）

建立了微型摆式内燃机的实验平台，主要探究石墨线密封和润滑脂密封的效果。为了便于实验的研究和分析，利用电动机带动四杆机构在冷态的情况下进行腔室内压力数据的采集。数据表明，石墨线密封的摩擦较大，压比上升不够明显，而润滑脂密封的摩擦适中，压比上升明显。因此，选用润滑脂密封是合适的。

微型摆式内燃机；密封；压缩比

当今社会，微型便携式移动电子设备发展迅速，提供持续长久的电能就成了关键性的问题。目前使用的电源大多数是便携式化学储能电池，以锂电池为主导，这类电池的缺点主要是电量少，已经不能满足便携式电子设备对电源蓄电能力和充电时间的要求［1］。由于液态碳氢燃料具有很高的能量密度，比如汽油的能量密度就是普通商用电池的50倍［2］，而且燃料与同等能量的化学储能电池相比，易于运输、存储，能量补充简单、快捷［3］。所以，目前电源的发展方向主要集中在以碳氢燃料为能量的微动力源［4-5］。

传统的内燃机为活塞在气缸中作直线式往复运动，并通过曲柄连杆机构将往复运动转化为旋转运动。摆式内燃机突破了传统的内燃机运动规律，将直线式往复运动改变为绕中心轴的摆动，有利于扭矩的传递；将传统的圆柱式气缸改变为扇形气缸，可以使结构更加紧凑，尺寸更小［6-7］。这种微型摆式内燃机振动小、噪声低，具有很大的优势。

由于机械加工精度的限制，目前为止，微型摆式内燃机的运行问题主要集中在间隙和泄露上，根据数学模型的计算，间隙在10 μm以内，每增大1 μm，内燃机效率将下降1%～2%；当间隙超过10 μm时，每增大1 μm，效率将下降3%以上，如果间隙过大，内燃机将无法工作［8-10］。如何解决腔室和摆臂之间的泄露问题，成了微型摆式内燃机研究发展的一个关键所在。笔者在此基础上搭建了微型摆式内燃机的实验平台，并开展了实验测试。

图1 样机结构

1 实验概述

1.1 样机参数

微型摆式内燃机的样机结构如图1所示，其实验样机实物如图2所示，尺寸参数见表1，其中摆臂将腔体分为四个独立的燃烧腔，摆臂上开了密封用的线槽。A、B、C处为主要泄露面，A为摆臂上下端面与腔体内表面之间的间隙，约为30 μm；B为摆臂前后端面与腔体前面盖之间的间隙，约为15 μm；C为轮毂与腔体支架之间的间隙，约为15 μm。这三处间隙，如果过小，会使摆臂在运行过程中卡死，或是摩擦过大；如果过大，会导致泄露严重，无法持续运行。

图2 实验样机

该试验样机为四冲程热力循环，当它点火运行时是自由摆的状态，压缩比呈周期性变化，不便于测量和研究。在这里，为了便于探究各种密封方式的效果，设计了一套外部的四杆机构，利用电机带动，将电机的旋转运动转换为内燃机的往复运动。设计的四杆机构的摆动范围为0～70°，设计压比3.3，且该四杆机构在特殊位置时连杆两两正交，机架为最长杆，因此，无急回特性，满足实验需求。

表1 结构参数

1.2 实验条件

实验中使用的电动机为220 V/250 W的直流电机，通过一个调速器调节电压来控制电机转速，其额定转速为1 480 rpm，额定扭矩为1.8 Nm。实验在室温的条件下进行，为了获得腔室内部实时的压力变化，在四个腔室中左下角的腔室内开了一个直径为2 mm的测压孔，通过一根30 mm长的引压管引到腔室外，再利用卡套连接到压力变送器上。实验中使用的压力变送器量程为0～200 kPa，精度为量程的0.5%，响应速度为2 ms，通过4～20 mA电流输出压力信号。压力信号输出到安捷伦34970A数据采集器，再由采集器输出到电脑并保存，其中安捷伦34970A的采样频率为25 Hz。

在遵循结构简单，不增加额外密封装置原则的前提下，主要探究两种密封方式的效果：（1）石墨线密封。在摆臂的线槽中嵌入石墨线，由于发动机点火运行的高温条件，考虑到石墨线的柔性以及耐高温性，故选用石墨线作为一种密封手段。（2）高温润滑脂密封。润滑脂作为轴承润滑与密封，效果良好，考虑到发动机点火运行中的高温条件，选用高温润滑脂作为一种密封手段。

1.3 实验步骤

（1）打开电脑电源，压力变送器电源，电动机电源。（2）连接数据采集器与电脑，打开Agilent数采软件并设置好通道及采样步长。（3）选择某种密封方式，安装调试试验样机，装上压力变送器，连接四杆机构与微型内燃机输出轴。（4）打开采集开关，开始采集数据。（5）调节电动机转速，从0一直缓慢加速到1 400 rpm，观察压力数据的变化。（6）关闭电动机，停止数据采集，并保存实验结果。

2 实验数据与分析

2.1 密封条件

2.1.1 无密封条件

将实验样机装配完成后，用扭矩扳手测得此时中心摆的摩擦扭矩约为0.3 Nm，在没有任何密封措施的条件下，得到了腔内的压力数据如图3所示。图3中，横坐标为电动机转速ω，纵坐标为压力变送器表压示数P。分析图3可知，内燃机腔内压力随转速的增大而增大，且随着转速的提高，压力变化的速率也越来越快，表现为曲线越来越密，腔内出现的负压程度也越高。由此可知，运转频率越高，在压缩时得到的压力就越高，做功能力越强；同时，随着运转频率的提高，进气时腔内负压也越高，吸气能力就越强，工质更多，做功能力更强。

图3 无密封条件下腔内压力曲线

与此同时，根据图3中数据，在1 400 rpm的转速下，腔室内最高压力大约只有130 kPa，而四连杆机构的设计压比为3.3，即在无泄漏时，等温情况下，腔室内最高压力应达到330 kPa左右。因此，微型摆式内燃机如果单纯依靠公差配合是无法达到实验所需的密封要求的。

2.1.2 石墨线密封

石墨及其制品具有高强耐酸性、抗腐蚀和耐高温性，被广泛应用在冶金、化工、高能物理、航天、电子等方面。文中主要考虑到石墨有下列特性：（1）石墨具有超强的耐高温性。石墨的熔点为3 800℃左右，即使在超高温电弧下灼烧，也几乎没有质量损失，其热膨胀系数也很小。（2）石墨具有良好的导热性和抗热震性。在常温下使用能经受住外界温度的剧烈变化而不致破坏，且体积变化很小，不会产生裂纹。（3）碳原子之间的空隙结构和层状结构，使石墨在工业上常用作润滑剂，可以在高速、高温、高压的环境下使用。

出于机体结构和摆臂结构的考虑，在实验中使用的是直径为2 mm的石墨线作为填充材料，如图4所示。由于石墨线柔性的特点，在5 mm深的线槽中嵌入了3层石墨线，将线槽完全填充满，并使石墨线填补加工装配时留下的间隙，这样做可以尽可能的减小泄露。将实验样机装配完成后，用扭矩扳手测得此时中心轴的摩擦扭矩约为0.8 Nm。

按照实验步骤完成压力测试后，得到腔内的压力变化曲线如图5。

图4 石墨线密封

图5 石墨线密封条件下压力曲线

由图5中可见，在石墨线密封的条件下，腔内压力的变化趋势随着转速的提升基本也呈线性关系，也就是说随着转速的提高，腔内的密封性也越来越好。可以看到在1 400 rpm转速时，腔内的最大压力能够达到约175 kPa，且腔内负压也接近-10 kPa，其效果要比无密封时好很多。结合石墨的耐高温、耐磨等特点，这是一种较好的密封手段。

2.1.3 高温润滑脂密封

由于石墨特殊的层状结构，在经过多次实验后发现石墨线有脱落的迹象，且其对中心轴的影响较大，摩擦扭矩达到了0.8 Nm，摩擦较大，会导致输出轴功的减少，甚至影响机体稳定运行。考虑到大型工业机械设备在高温恶劣环境下工作时，其轴承处用到的高温润滑脂，笔者在这里也试着选用高温润滑脂来进行实验测试。润滑脂主要是由矿物油（或合成润滑油）和稠化剂调制而成，为稠厚的油脂状半固体，主要用于机械的摩擦部分，起润滑和密封作用；也可以用于金属表面，起填充间隙和防锈的作用。

润滑脂的工作原理，是稠化剂将油保持在需要润滑的部件上，当润滑脂在机械中受到运动部件的剪切作用时，稠化剂将油释放出来，减小运动面之间的摩擦；当剪切作用停止后，它又能恢复一定的稠度。润滑脂的这种特殊的流动性，使其可以用在不适用于润滑油的部位，而且由于它是半固体物质，其密封和保护的作用都要比润滑油好。

在实验中，笔者将摆臂上的线槽填充满润滑脂，并在摆臂端面与腔室、摆臂与前后盖、轮毂与卡臂这三处关键泄露处抹上了润滑脂。实验中使用的润滑脂为杭州得润宝油脂公司生产的高温润滑脂，型号为GH9100超高温极压合成润滑脂，工作温度范围为-40～600℃。将实验样机装配调试完成后，利用扭矩扳手测得此时中心摆的摩擦扭矩为0.6 Nm。

按照实验步骤完成压力测试后，得到腔内的压力变化曲线如图6。从图6中曲线可见，在高温润滑脂的密封下，其腔内压力变化与转速也基本呈线性关系，可以看到在1 400 rpm转速时，腔内最大压力可以达到220 kPa，腔内负压约-10 kPa。实验中使用的四杆机构设计压比为3.3，用高温润滑脂可以达到压比2.2，说明其密封效果较好，且由于其耐高温的特性，用作微型摆式内燃机的密封手段是较好的。

2.2 实验分析

将数据采集器采集得到的实验数据经过整理，绘制成如下转速—压力曲线图，如图7所示。其中横坐标为电动机转速，纵坐标为压力变送器的最大表压，实际上运行过程中腔室内的压力是周期性波动的，然而在这里笔者较关心腔室内能够达到的最大压力，因此，这里纵坐标选用最大表压。可以看到随着转速从0增加到1 400 rpm，腔室内压力逐步提升，基本呈线性关系。

图6 润滑脂密封条件下压力曲线

图7 不同密封条件下的转速—压力关系

对比分析以上三种情况下的实验数据，汇总见表2。

表2 三种情况下的实验数据

实验前利用零维数学模型算得摩擦力对内燃机的影响较小，因此，这里只考虑两种密封方式带来泄露量的减少。石墨线密封的情况下，对比无密封的情况压比上升40%，而润滑脂密封的情况下压比上升70%。在遵循结构简单，不增加额外密封装置原则的前提下，使用润滑脂密封的泄漏量较少，密封效果更好。

3 结语

文中搭建了微型摆式内燃机实验平台，利用电动机带动四杆机构，在冷态的情况下进行实验和数据采集，对比研究了两种密封方式的效果。由于实验设备的限制，文中的实验数据并不能将腔体内部压力情况进行完整充分的采集记录，但其变化范围和趋势是正确的。结果表明，使用高温润滑脂密封，结构简单，且效果较好。

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责任编辑：谢金春

The influence of different ways of sealing on micro internal-combustion swing engine

WU Tianyu，SHI Bo
（College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

This paper investigated the leakproofness of graphite yams and lubricating grease by establishing an experimental platform of micro internal-combustion swing engine.A four-link mechanism was set up in order to carry out experiments conveniently at normal temperatures.After experiments，we find that the pressure ratio of the internal-combustion engine using lubricating grease to avoid leakage is larger than that of using graphite yams.The friction of lubricating grease is smaller than that of graphite yams.Therefore，it is more suitable to choose lubricating grease to avoid leakage.

micro internal-combustion swing engine；sealing；pressure ratio

TK121

A

1672-0687（2016）02-0064-04

2015-12-24

国家重点基础研究发展规划项目（2014CB239600）

吴天宇（1992-），男，江苏苏州人，硕士研究生，研究方向：传热传质。