小型内燃发动机的设计要素

摘 要：本文主要结合于小型发动机的实际研发过程，列举设计关键要素供读者参考。油路、电路、散热系统、润滑系统和压力系统这些要素的完善设计共同构筑成熟完善的发动机框架。

关键词：油路；化油器；电路；磁电机；火花塞；润滑；单向阀；压力；散热片

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.011

目前，随着现代工业化进程的发展，小型发动机的应用普及，广泛应用于园林机械、植保机械、灌溉机械、农用机械以及建筑机械等领域。而小型发动机的设计技巧以及使用寿命却有待持续完善提升，各生产环节对质量影响要素的把控还应从加强对发动机的设计技巧了解基础上进行提升。一个成熟的发动机，应首先具备完善的油路、电路和润滑系统的设计，如果是四冲程还包括压力平衡系统的设计。

1 小型发动机油路设计技巧

设计前首先要判定所开发发动机工作型式以及油箱布置，一般若油箱布置在工作状态的上部，并且工作状态油箱振动较小，则可以选用浮子式化油器，利用燃油重力实现自动补给供油。当发动机处于非工作状态时，化油器浮子室内的汽油处于相对静止的设计油平面高度，此时，浮子的浮力绕浮子销的力矩，等于浮子总成的重力、针阀总成的重力和针阀弹簧的弹力、油箱中的汽油作用于针阀锥面上的压力，绕浮子销的力矩之和。由此可知，影響化油器供油主要在于油平面高度的因素。当发动机处于工作状态时，化油器浮子室内的汽油处于一个相对稳定的油平面高度，此时，由于发动机的震动，浮子的上下震动带动针阀的打开和关闭，针阀弹簧此时就发挥了减震的作用，此时进油针阀一直处于打开状态，开度的大小由此时发动机的汽油消耗量而决定的。对于一些特殊用途的发动机，比如，冲击夯、微耕机等，他们的工作条件恶劣，伴随着剧烈的震动和颠簸，如果，化油器浮子的活动范围过大，会导致发动机处于工作状态时，浮子很难达到相对的动态平衡；此时供油量会大于发动机的汽油消耗量，导致从化油器平衡管溢油。因此，化油器的浮子活动范围一般要求控制在主量孔流量的2-3倍。相对于浮子式化油器，膜片式化油器工作比较稳定，但是要尽量缩短油箱到化油器的距离，降低管束阻力，同时膜片式化油器更容易被污染，出现供油不足在调节配气螺钉无效时，要进行化油器拆解清洗。

2 小型发动机电路设计技巧

对于小型发动机点火，主要通过磁电机也就是点火线圈发出高压直流电，通过电阻型火花塞时产生电火花，从而对油雾进行点燃。二冲程发动机曲轴转一圈点火一次，四冲程汽油机，曲轴转两圈，点火虽然两次，但是有效点火仅一次。这里有三个关键要素的控制，包括磁电机间隙、火花塞间隙和火花塞型号的选定。首先磁电机间隙一般调整在（0.3～0.5）mm，这个间隙内切割磁感线产生的电压足够促使火花塞点火，同时可以避免间隙过小时，由于转子跳动以及粉尘异物的介入导致转动干涉问题，造成磁电机磨损，卡滞。火花塞间隙一般设定在（0.7～0.9）mm。这个间隙下在中央电极和侧电极形成的电流火花比较均匀，强度比较高。如果间隙再加大，火花将比较弱，不足以点燃油雾；间隙弱再减小，火花虽然比较强，但是长度比较短，不利于点火，同时间隙过小，电极件容易夹附积炭等异物，造成连电无火情况的存在。对于火花塞型号，首先应选取合适的热值，发动机压缩比越大，工作转速越高，越应选用热值较高的型号，这样散热比较快，能避免火花塞头部烧穿以及电极融化问题产生，但是热值高存在更易产生积炭的缺点，造成跳火等现象。

3 小型发动机润滑系统和压力平衡系统的设计

二冲程发动机主要靠汽油和机油混合后燃烧时直接润滑，但四冲程发动机润滑系统设计较为复杂。不但要通过溅油拨叉在曲轴箱负压是吸油溅油对活塞缸体运动部位进行润滑，还要通过平衡气压管结合气压的平衡带动油雾的循环，到达气门及摇臂区域，对发动机顶部的高速运转补充润滑油。气门端盖压力升高后，通过废气管排除平衡气压。油雾回流时，可以根据流体力学中，压力优先通过大孔平衡，而小孔由于阻力大，其漏油或平衡效果可以忽略不计，再设定相应位置的单向阀即可实现控制油雾按照既定路线流转。技巧上结合气流方向设计迷宫的形状及倾向来形成压力平衡通道，迷宫的形状决定了喷机油量。也可通过设计塑料弯形回油管确保平衡孔在油面以上而不会直接喷出油雾到外界。

4 小型发动机散热系统的设计

对于发动机寿命影响最大的因素就热量，当热量生成速度大于散热速度造成汽缸温度过高时，将造成润滑油变质润滑效果降低，以及运动组件与汽缸膨胀而拉伤的问题。正常情况负载运转，风冷缸头火花塞座温度应在260摄氏度以下。发动机热量的产生与排量、压缩比有关，而热量的散发与缸体散热片面积，风扇叶片鼓风流速有关。当温度超标时，应考虑增加散热片数量或面积，同时调整风扇叶片数量与高度，将温度降低到200摄氏度左右，以期达到最高的能量转化率。

总之，一款成熟优良的发动机，需要全面平衡设计好油路、电路、散热系统、润滑系统和压力平衡系统，只有各个环节细节做好，才能在长期耐久使用中满足客户的性能需求。

参考文献：

[1]JB/T 5135.3 通用小型汽油机技术条件[S].

作者简介：田长森（1983-），男，山东济宁人，本科，初级工程师，研究方向：小型发动机。