一种手持式单缸四冲程汽油机的优化设计

王 见 李清砺 朱玉全 孙希强 刘丕莲 宋 双

（1-临沂科技职业学院 山东 临沂 276000 2-浙江大学山东（临沂）现代农业研究院）

引言

近年来，随着大气污染的日益严重，世界各国对汽油机排放和可靠性的要求日趋严格，美国自2010年1 月1 日起实施第三阶段排放法规，欧盟自2017年1 月1 日起实施第五阶段排放指令，对汽油机排放废弃物中的HC+NOx及CO 的含量进行了限定，尤其是美国加州空气资源委员会（CARB）拟对2023年以后生产的小型非道路汽油机的排放及可靠性作出新的规定。因此，为满足国内外对环境保护的需求，需要进一步降低小型汽油机有害物质的排放。本文从一种排量为25 mL 手持式单缸四冲程汽油机的润滑系统出发，设计一种使用寿命长、性能可靠的润滑系统，从而提高整机寿命以及降低机油消耗率进而减少汽油机有害物质的排放。

1 目前四冲程汽油机润滑系统

1.1 润滑系统的主要结构

目前，大多小型四冲程汽油机的润滑系统主要包含储油室、曲轴箱室、簧片阀、齿轮室、气门室、上油通道、回油通道、箱体回油道、油气分离式、进油口、单向阀等，如图1 所示。其中，根据汽油机对润滑油的需求量以及汽油机润滑油的雾化条件，部分汽油机在曲轴上装有溅油拨叉（甩油盘）；又根据润滑雾油气分离原理的不同，油气分离室也可由离心装置来替代。

图1 润滑系统原理

1.2 汽油机的润滑过程

以图1 的润滑系统为例，当活塞上行时，曲轴箱底部的簧片阀关闭，曲轴室的压力下降，此时曲轴室内的压力小于储油室及凸轮室的压力，在压力差的作用下，凸轮室内的润滑油经进油通道、储油室中的润滑油经进油口和鸭嘴阀进入曲轴室（鸭嘴阀保证润滑油道自储油室至曲轴室单向导通）。当活塞下行时，曲轴室的压力升高，簧片阀开启，曲轴室内的压力大于储油室及凸轮室的压力，在压力作用下，部分润滑油雾经过上油通道到达气门室，部分润滑油雾通过进油通道经曲轴室进入凸轮室。同时，进入气门室内参与润滑后的润滑油雾，部分通过缸体内回油通道回到储油室，部分进入凸轮室，连同凸轮室中的润滑油经凸轮室中的回油通道回到储油室。进入凸轮室中的油雾大部分被分离成油滴和空气，空气及逃逸出的润滑油雾进入空滤器参与再次燃烧，油滴通过凸轮室中的回油通道回到润滑油室，如图2 所示。该润滑系统经试验及市场验证，基本能够满足目前相关法律法规对排放及可靠性的要求。

图2 润滑流程

2 润滑系统失效对汽油机的影响

保证汽油机具有可靠、有效的润滑系统，是汽油机能够正常工作的必要条件。上述汽油机的润滑系统结构简单，容易实现，但存在以下缺点：

1）该润滑系统中的鸭嘴阀始终处在高温润滑油雾中，而鸭嘴阀一般为橡胶件，在此环境下鸭嘴阀运行200～300 h 会发生老化失效现象；

2）该润滑系统中的簧片阀始终随活塞的往复运动进行开启、关闭动作，而簧片阀一般为薄板件，在此状态下簧片阀运行200～300 h 会发生疲劳失效现象。

无论是鸭嘴阀还是簧片阀的失效，均会造成汽油机润滑不良的现象发生，从而导致汽油机内的气门、摇臂、滚针轴承、活塞、活塞环（气环、油环）等运行部件的异常磨损，严重时会造成汽油机故障甚至报废，降低了汽油机的使用寿命。此外，燃烧室内大量的高温燃气，会因气环的磨损而窜入汽油机曲轴室内，使得活塞环处的热负荷增加，阻碍冷却的顺利进行，此时润滑油的消耗量也会增加，粘度较大，不易挥发的润滑油，进入燃烧室后，难以进行充分的燃烧，使得汽油机气门、活塞环槽等位置出现严重的积碳，积碳的存在会影响到汽油机的正常运转与排放。

汽油机排放物中的主要有害成分为NOx、HC 化合物、CO 以及颗粒物等，由润滑油产生的积碳对以上成分的主要影响有：

1）积碳热传导率较低，积碳会导致缸内温度升高导致NOx排放的增加[1-4]。NOx中的NO 的生成随温度的提高而成指数函数急剧增加，当温度达到2 000 K 时具有很高的产生速率，此时温度每提高100 K，NO 的生成速率几乎翻一番[5]，所以，所以降低整机温度及减少积碳的产生，可有效降低整机NOx的排放；

2）积碳的存在会导致HC 的增加[6-10]。积碳对HC化合物的作用机理相当复杂，部分学者认为影响机理，可能像润滑油膜对可燃混合气中的HC 起吸附和解吸作用[11]，积碳的多孔结构会使作用机理进一步复杂化。同时，积碳的存在会减小缝隙的尺寸促进淬熄，进而增加HC 的排放量。

3）CO 的排放也会因为积碳的减少而减少[12]。积碳是一种不易气化的难挥发物，且一般附着在温度相对较低的活塞机气门表面，所以难以充分燃烧产生CO 有害气体，从而增加了汽油机有害物质的排放。

因此以上润滑系统设计仅能够满足现国内外对小型汽油机寿命及排放的要求，要想满足后续加州空气资源委员会（CARB)对非道路小型汽油机排放及可靠性要求，还需要对该润滑系统进行优化设计。

3 润滑系统的优化设计

3.1 结构设计

保证发动机具有合适的润滑油量，是发动机能够正常工作的必要条件。当润滑系统因某一零部件失效时，就会造成汽油机零部件润滑油供应量不足，进而造成汽油机内相关零部件的急剧磨损，导致汽油机出现故障。本设计通过改进机油泵设计，增加发动机润滑系统的可靠性和耐久性，如图3 所示。

图3 改进润滑系统原理

该润滑系统中，机油泵通过吸油管与机油室连通，实现机油泵从机油室吸取润滑油，供应活塞与缸壁之间、活塞环与缸壁之间所需润滑油的目的。当汽油机活塞下行时，曲轴箱内的压力为正压，此时曲轴箱内的润滑油雾在压力作用下，通过润滑油道经齿轮室进入配气室，对汽油机内的各零部件进行相应润滑，参与润滑后的润滑油雾进一步进入油气分离室。当汽油机活塞上行时，曲轴箱内的压力为负压，此时在配气室内碰撞液化的润滑油雾，以及油气分离室内未完全液化的润滑油雾，在负压的作用下被回吸至机油室。此外，部分逃逸出的润滑油雾，经呼吸管进入汽油机的进气部分吸入到汽油机燃烧室参与燃烧。

3.2 设计参数

3.2.1 循环润滑油量

循环润滑油量主要取决于汽油机传至润滑油的热量Qo[13]。在目前汽油机中，Qo一般约为燃烧室内混合气发热量Qf的1.5%～2.0%，若该润滑油参与活塞冷却，则传给润滑油的热量可达6%左右。本设计中，连杆小头与活塞、连杆大头与曲轴、曲轴与箱体均为滚动轴承连接，所以本设计取下限值。

汽油机中进入燃烧室的混合气发热量为[13]

式中：Qf为汽油机燃油混合气发热量，kJ/h；Pe为汽油机的标定功率，kW；ηe为汽油机的有效效率，汽油机取值0.25。

在求得汽油机传给机油的热量Qo后，即可求得润滑系统中的循环油量Vo[13]，即

式中：Vo为润滑油循环量，L/h；ρ 为润滑油密度，取值ρ=0.85～0.90，kg/L；c 为机油的比热容，取值c=1.7～2.1，kJ/（kg·℃)；△t 为润滑油进出口的温差，取值8～15 ℃。

3.2.2 机油泵的供油量及供油压力

汽油机润滑循环油路中，有机油过滤器、限压油道、油气分离器以及由于零部件摩擦产生的零部件间隙等的存在，这些存在不仅需求一定的润滑油，还会对润滑油的循环造成一定的循环阻力，因此机油泵需要一定的供油量Vp以及一定的供油压力，一般供油量的取值为[13]。

本设计优先考虑汽油机中最低油压设计，先根据主轴颈内机油的离心力来确定主油道的主油道的供油压力，当忽略润滑油粘性剪切的作用时，最小油压为[13]

式中：ρ 为润滑油密度，取值ρ=0.85～0.90，kg/L；ω 为曲轴旋转角速度，s-1；r 为主轴半径，mm。

3.2.3 机油泵的设计计算

机油泵在同时提供足够的机油量以及机油压力的同时，还需要结构简单、制造方便、工作可靠，所以针对本小型手持式单缸四冲程汽油机，采用转子式机油泵，转子泵的供油量计算方式为[13]

式中：Vp为转子泵供油量，L/min；Fc为内外转子间的最大齿间面积，mm2；z1为内转子齿数；b 为转子厚度，mm；np为内转子转速，r/min；ηp为转子泵的容积效率，一般取0.8～0.85。其中，内外转子间的最大齿间面积可近似取[13]

式中：ρ1、ρ2为内转子的最大、最小半径，mm。

按照上述方法，所设计的汽油机润滑系统如图4所示。

图4 润滑系统结构

4 实验验证

4.1 对比实验用汽油机

选用市场上与本设计排量相近的134 F 汽油机进行对比分析，本设计汽油机与该134 F 汽油机的具体参数如表1 所示。

表1 实验用汽油机参数

4.2 测试设备

排放测试设备：选用HORIBA 公司的MEXA-7 200 D 型气体测试分析仪，该分析仪包括样气采样单元、样气处理分析单元，且具备泄漏检查、干扰检査、线性检查和NO、效率检査功能，可测量各种浓度范围的CO、NOx、THC、O2、CH4、CO2等排放气体，如图5所示。

图5 测试设备

耐久性验证设备：3GB250 背负式割灌机，田间试验模拟。

4.3 实验内容

根据CARB 2023 年后的小型非道路汽油机的排放及可靠性的要求项目，对本设计与与同等排量的134F 汽油机，各选5 台进行对比测试，最终试验结果取平均值。试验过程中对样机均不作保养与维修。

4.4 实验结果分析

测试结果如表2 所示。

表2 实验结果

测试结果显示，在发动机初始阶段，2 款发动机有害气体的排放量基本相同，在耐久时间200 h 时，2款发动机的劣化系数（最终排放/初始排放）基本相等；耐久时间200 h 后，本设计发动机有害物质的排放几乎没有增加，劣化系数几乎没有增大，而对比样机134F 有害物质的排放急剧增加，劣化系数急剧增大，如图6 所示。对比样机134F 耐久时间平均为317 h，本设计汽油机耐久时间平均为523 h，使用寿命可提高约65%。

图6 排放物的比较

5 结论

根据以上排放对比数据分析可以看出，当耐久200 h 前，配置本设计润滑系统的汽油机与对比样机134 F 的润滑性能基本相同，均能满足发动机的使用要求。当耐久200 h 时后，对比样机134 F 有害物质的排放与配置本设计润滑系统的汽油机相比急剧增加，说明配置本润滑系统的汽油机，具有更高的稳定性和可靠性。说明该润滑系统在一定程度上，降低了汽油机有害气体的排放，增加了汽油机的使用寿命，本文为后续进一步降低单缸四冲程汽油机有害物质的排放及提高使用寿命提供了新的方向。