便携式小型四冲程汽油机润滑系统研发

田进富 刘广祥 刘占文 颜廷瑞 刘树程 刘乃孟

（1-山东华盛中天机械集团股份有限公司 山东 临沂 276017 2-山东卫士植保机械有限公司）

引言

151F 汽油机是由本公司开发设计的一款便携式小型四冲程汽油机，该机型因体积小、质量轻，可以360°全方位运转，各项性能指标优越，一经投放市场，深受广大消费者喜爱。相较普通便携式小型四冲程汽油机，我们充分优化设计了润滑系统，使得整机的使用寿命提升到500 h；同时大大降低了机油消耗量和废气排放；由于回油室设计在缸盖罩内部，所以整机结构紧凑，故障率低。该机型的设计代表了国际同排量便携式小型四冲程汽油机的先进水平。

1 151F 汽油机的主要技术特点及参数

在产品设计研发过程中，针对润滑系统，重点分析了国内外同类型机器的优缺点，摒弃以往机型结构复杂[1]、维修保养不便，润滑系统故障率高，润滑效果差等缺点，规划了润滑油路的走向，确定泵油的动力[2-3]，尤其是油雾冷凝回收系统的创新设计[4]，大大降低了机油消耗量及排放，提高了发动机的使用寿命，汽油机参数如表1 所示。

表1 151F 汽油机参数表

2 润滑系统的工作原理

润滑系统的动力来自不断上下运动的活塞，由于活塞的上下运动导致密闭的曲轴箱内产生交替变化的正压和负压。活塞上行时曲轴箱为负压，此时气缸体左侧回油孔会将机油收集盒（组装在缸盖罩内）里收集的机油吸入缸体内部，同时右侧的回油孔也会将油底壳内的机油吸入缸体内部，来实现缸套、活塞和曲轴的润滑；活塞下行时曲轴箱为正压，下箱底部设置的单向阀打开（活塞上行时关闭），曲轴箱内的油雾或油滴会随着油气，沿单向阀排入凸轮轴室，用来润滑凸轮和摇臂。由于多次往复运动，凸轮室内的压力会逐渐增加，压力增加的润滑油雾就会沿着气门摇臂的推杆孔进入缸盖上部的摇臂室，在摇臂室内润滑气门及气门摇臂等运动部件。

同样道理，随着摇臂室的压力增加，润滑油雾将沿机油收集盒侧边的冷凝室入口进入缸盖罩迷宫结构的流道，迷宫流道内安装铁丝网，由于铝质缸盖罩的导热和铁丝网的冷凝作用，机油油雾会在此凝结成油滴，由于重力或曲轴箱负压作用，凝结的油滴会通过机油收集盒上面的小孔流入机油收集盒内部。机油收集盒下部有一个导油管，导油管通过管道连接到曲轴箱左侧回油孔，机油会通过此孔流到缸体内部。另外缸盖罩迷宫中被冷凝后的气体（此时机油已经基本被收集完成）在压力高时会通过缸盖罩的大气平衡孔释放到空滤器中，发动机运转过程中会吸入燃烧室燃烧掉，避免少量机油油雾排入大气。至此机油完成了自身循环，不但保证了发动机的正常润滑，也避免了机油的大量呼出。图1 是润滑循环的简易流程图。

图1 润滑循环的简易流程图

3 主要结构

3.1 气缸体

气缸体选用压铸铝合金YL113，缸套采用硼铸铁，减少了因采用镀铬缸体造成的环境污染，又降低了产品的成本。在气缸体上设置了左右两个回油孔，分别与机油收集盒和油底壳相连。与机油收集盒相连实现了机油的回收和循环，避免了机油长时间在过高的温度下工作结胶变质；与油底壳相连实现了机油呼出损耗后能得到及时补充。可保证润滑油能均质、稳定、持续、可靠地润滑各运动副，如图2 所示。

图2 气缸系统结构图

3.2 单向阀

单向阀设置在曲轴箱的下箱上，选用不锈钢材质，为了确保密封效果，密封面增加了3～5°的角度（如图3 所示），避免紧固后出现翘曲，影响密封性能。活塞下行曲轴箱压力高时簧片阀打开，曲轴箱内的机油或油雾进入簧片阀压板密封的油池，随着压力增高，机油及油雾通过上油孔（如图4 所示）上行进入凸轮轴室，实现对凸轮和下摇臂的润滑。过量的机油会通过回油孔（如图5 所示）流回油底壳。

图3 单向阀密封结构

图4 曲轴箱上油孔

图5 曲轴箱回油孔

3.3 凸轮轴

凸轮轴的凸轮采用粉末冶金，齿轮采用增强尼龙PA66。因凸轮采用粉末冶金材料制作，较采用尼龙材质的凸轮型线更稳定、平滑，经凸轮型线仪检测凸轮型线如图6 所示，不但保证了气门开启的准时，而且运动机构耐磨性大幅提升，配气系统运动噪声大大降低。因为齿轮采用尼龙，尼龙的耐磨性和减振性大大减少了发动机运转噪声。凸轮轴如图7、8 所示。

图6 凸轮型线图

图7 凸轮轴正面

图8 凸轮轴背面

3.4 缸盖罩与机油收集盒

作为润滑系统能够可靠循环的核心部件——机油收集盒，位于缸盖的摇臂室上部、缸盖罩的内部，此处温度较高，为防止高温变形，材质选用增强尼龙PA66，详细结构如图9 所示。

图9 缸盖罩结构

润滑油雾沿图9 所示箭头流动，先由冷凝室入口进入，在通过由机油收集盒与缸盖罩装配形成的迷宫中。迷宫中装配有冷凝丝网，油雾将在此凝结成油滴，由于重力及曲轴箱负压作用，机油沿机油收集盒中的回油孔流入机油收集盒内部，如图10 所示。收集起来的机油沿回流管流入气缸套，润滑活塞和曲轴。该结构因结构紧凑、故障率低、可靠性好，目前已经获得国家发明专利。

图10 机油收集盒

4 样机试验

该机型适配机具为背负式吹风机，除按照小型通用汽油机标准完成台架性能和耐久外，我们模拟吹风机的运转状况制作试验台架，工况设定为：56 s怠速运转，304 s 满载持续运转，连续运转500 h 无异常，完全可以满足用户的需要。以下是耐久试验0 h和500 h 后各项性能参数测试数据：如表2、图11、表3 所示，为0 h 台架性能测试数据、曲线和排放测试数据。如表4、图12、表5 所示，为500 h 台架性能测试数据、曲线和排放测试数据。

表2 0 h 台架性能测试数据

图11 0 h 台架性能测试曲线

表3 0 h 排放测试数据

表4 500 h 台架性能测试数据

表5 500 h 排放测试数据

图12 500 h 台架性能测试曲线

试验结果表明经过500 h 实机耐久后，机具运转正常；从测试指标看油耗、功率略有降低，排放略有升高，但耐久前后各指标均符合设计输入要求。根据经验分析：油耗降低与汽油清洁度和汽油中结胶状物体部分堵塞了量孔有关，功率降低和排放升高与运动件磨损、气缸密封降低、燃烧室积炭有关系，但基本在正常磨损范围内，机器满足设计要求，可以批量生产。

试验中涉及的排放法规，按GB26133—2010《非道路移动机械用小型点燃式发动机排放污染物排放限值与测量方法》进行测试，结果满足国Ⅱ规定，同时在不加任何催化装置的情况下达到美国EPA 和CARB Ⅲ阶段法规要求，满足目前国际最严格的排放法规要求。

关于机油的消耗，我们采用添加法测试：每运转50 h 例行保养，消耗的润滑油重新添加至上限，经测试500 h 耐久期平均机油消耗量为2.5 mL/h，油底壳内机油温度始终稳定在90～100 ℃。

5 结论

通过本试验研究，可获得以下结论：

1）活塞往复运动产生的负压，是实现有效润滑的动力，该动力将润滑油成功输送到各运动副，并将多余的润滑油及时收回。由于润滑油的循环流动，降低了发动机温度，实现了运动副的润滑。

2）缸盖罩和机油回收盒是该润滑系统的关键点，可以及时回收多余的润滑油，既减少了机油的消耗，同时也降低了发动机的排放，使发动机排放指标在不加任何催化装置的情况下达到美国EPA 和CARB Ⅲ阶段法规要求，满足目前国际最严格的排放法规要求。

3）由于曲轴箱和油底壳是分离的，机油不会通过活塞进入燃烧室，能够实现360°全方位工作，增加了汽油机的适用范围。