液压挺杆润滑系统的研究

吴俊锋 薛颖炳

摘 要：为了充分利用液压挺杆可以降低气门传动机构噪声、免气门间隙调整的优点，就液压挺杆使用过程中会出现“升程损失”及“启动噪声”问题进行了研究。通过对液压挺杆工作过程的分析，通过对为液压挺杆提供压力油的润滑系统的分析，得出，机油中气泡含量以及是否有空气直接进入液压挺杆是决定液压挺杆能否正常工作的关键问题。为此需要采取的措施有二，一是要减少机油中混入空气的产生。二是，限制气泡进入液压挺杆中。

关键词：液压挺杆 润滑系统 发动机 研究

液压挺杆可以自动调整气门传动链中由于热膨胀、磨损和制造公差等引起的气门间隙，使配气机构运转平稳、降低噪音且免去间隙调整。但是作为液压补偿元件液压挺杆的工作质量与供油品质有关，机油的状况直接受该发动机润滑系统的影响，所以对机油品质要求的提高也就增加了发动机润滑系统的设计难度。本文从理论与实际使用的角度来分析液压挺杆的正常工作中除了要减少卷入机油中的气体的同时还要避免在气泡进入液压挺杆的高压油腔。

1 液压挺杆的使用问题

液压挺杆在实际使用过程中会出现“升程损失”以及“启动噪声”问题。

在正常的情况下，液压挺杆柱塞由于机油泄露而引起的升程损失在0.01～0.05mm范围之内。当升程损失超过0.1mm时，即认为超过液压挺杆所允许的范围，同时噪声加剧。

在发动机停止工作时，在发动机长时间停放后以及频繁起动时，空气进入液压挺杆的高压油腔，会产生噪声。运动损失与启动噪声两方面的问题在使用中往往是同时出现。

液压挺杆利用机油可以传递压力的作用使其在使用过程中自动消除气门间隙的调整。然而不可避免地会出现气门“升程损失”以及“启动噪声”问题，机油的品质将直接影响到其工作质量。

2 润滑油

润滑系统的以下两个方面对液压挺杆的使用起关键性的作用。

2.1 机油压力

一定的机油压力是液压挺杆在凸轮处于基圆段进行补充机油时打开单向阀的必要条件。使用中液压挺杆供油压力不得低于0.05Mpa。理想的压力值为0.3～0.35MPa。

2.2 机油中的气体含量

机油中会混入和溶入气体。

2.2.1 溶入气体

空气与惰性气体一样会溶解在机油中。其溶解度随着压力的升高而升高。关系见图1，融入关系为：溶解的空气最大可能值约为绝对油压（空气的Bunsen系数）。图1表明最大空气量取决于润滑系统的绝对压力。

2.2.2 混入气体对机油的影响

混入气体油液内的空气量使油液的体积弹性模量急剧下降，而且将使黏度增大。

体积弹性模量K为压缩系数的倒数，即具体地表征该油液的可压缩性程度。纯机油的体积弹性模量很大，纯液压用油的平均值在范围内，但如果液体中混有不溶解的气体，则体积弹性模量就有很大的降低。体积为的混气油液中，如果气体的体积为，则纯油液的体积为。如果用表示混入气体机油的体积弹性模量，表示气体的体积弹性模量，表示纯油液的体积弹性模量，则有：

其中，（从最安全的角度考虑，我们选用纯液压用油的最小值）由此可以计算出不同混入气体量时的体积弹性模量如表1。

由表1可以看出，当机油中混入体积百分比为0.5%时，体积弹性模量降为原来纯液体的59%，在实际使用中当体积弹性模量为以上可以忽略由于该液体的压缩性而导致的升程减小。即当机油中的气体混入体积比超过0.7%时，液压挺杆工作过程中不能近似为刚性体。更为严重的是气体的体积弹性模量仅为纯液体的0.7%。

2.3 小结

（1）作为液压挺杆的供油系統来说，缸盖油道的机油压力不应该小于0.05Mpa，理想的供油压力为3～3.5Mpa。

（2）机油中气体的存在方式有两种：溶入和混入。溶入气体对机油的体积弹性模量几乎没有影响且气体的溶入量与机油压力成正比关系。然而，机油中的混入气体对机油的体积弹性模量影响很大，当机油中的气体混入体积比超过0.7%时，将会导致严重的液压挺杆工作不正常现象。

3 润滑系统的改进

从以上的分析可以看出，一定的机油压力是液压挺杆工作的前提条件。另外，进入挺杆高压腔机油的体积弹性模量高于7000bar，而机油中气泡的混入量直接影响到实际工作机油的体积弹性模量。虽然机油中气体的混入量可以通过增加机油压力将部分气体溶入机油从而达到减少混入气体的目的。但是，机油压力的无限提高将会增加机油泵以及润滑系统所有零部件的负荷。所以，归纳起来有两点：（1）避免气体卷入机油。（2）尽量避免气体直接进入液压挺杆高压油腔。

3.1 避免机油卷入气体的措施

减少油液与空气的接触和搅动可以减少机油中卷入气体的总量，是减少气泡的根本措施。

发动机的润滑方式以压力润滑与飞溅润滑为主，其中飞溅润滑是产生气泡的原因之一，机油泵的泄油是机油飞溅而导致机油中空气含量增加的主要因素。

在汽油机的设计中，在机油泵泄压阀的出油端接入管路将机油直接导入机油盘油面以下，可以避免机油与空气的接触，减少了空气卷入机油的机会。其结构如图2所示（1为机油泵，2为泄压阀，3为机油回油导管）。

另外，在很多的机型上机油泵采用内部循环的机油回路是避免气泡产生的最佳措施。

通过以上措施可以减少发动机在运行过程中气体在机油中存在，即使由于不可避免的因素，诸如，冷却润滑活塞的连杆喷孔所带来的气泡的产生、机油晃动等产生的少量气泡可以通过在机油泵的作用下将机油加压而溶解一部分之后，即使有部分剩余的气泡以混入方式存在机油中，其体积百分比也不会超过0.7%，可以确保在使用中正常工作。但是，在长期停车或者频繁启动的情况下这种措施是没有能力解决的，为此，必须采取第二种措施使发动机在启动后机油很快就可以进入液压挺杆而不是空气直接进入挺杆油腔。

3.2 使发动机缸盖油道能存油的措施

使发动机缸盖油道内能保存机油是防止冷启动状态气体不要直接进入高压油腔的直接手段。为达到此目的主要有两种方案在使用。（1）使用限流管。90年以前的桑塔纳气缸盖采取这种措施。如图3所示，在进入气缸盖的油孔加工成阶梯孔，压入一限流管和一个泄流闷头，闷头上钻有排气小孔，当发动机停止后，限流管到机油泵之间的机油排空，气缸盖上的油道保持一定的油面，油面的高度将取决于限流管的高度。

（2）使用机油止回阀。90年以后的桑塔纳、帕萨特等都采用这种方案。是指机油通过机油滤清器过滤后，在机油滤清器座上将油路分成两路，一路进入曲轴箱对曲轴主轴承、连杆轴承等进行润滑。另一路通过曲轴箱钻孔进入气缸盖对液压挺杆、凸轮轴进行润滑。机油止回阀安装在通往缸盖支路的开始处。下次起动时液压挺杆可以很快供油。这种方案将发动机的润滑系统与液压挺杆的供油系统在机油滤清器处分开，是一种有效的解决措施。

4 回油问题

由于液压挺杆在使用中要求有一定的供油压力使气缸盖油道供油较多，这样就要求缸盖有充足的回油道，如果该发动机是每缸2气门，则回油腔空间充足，但4气门就会出现回油道不充足的问题，在高速状态下可能就会出现机油回流不畅出现烧机油的严重问题。

5 结语

（1）液压挺杆可以自动调整气门传动链中的气门间隙，同时降低气门传动中的噪声。但是由于机油中会有气体卷入且当混入气体体积百分比超过0.7%时 “升程损失”与“启动噪声”问题加剧。

（2）采用避免气体混入机油内部，同时保证机油在启动过程中迅速进入液压挺杆内部可以有效降低液压挺赶噪声的问题。

参考文献：

[1]求是村.液压流体力学[M].杭州： 机械工业出版社，1979：8-15.

[2][德]Koch F Maassen F Geiger U.现代发动机润滑系统的开发[J] .国外内燃机，1999（1）：43-48.