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1、小型二冲程割草机的起动性能研究张擎鸣，斯拉海提，钟赛君摘要：摘要：对当前农业生产中小型农用机械的缺点进行分析，主要对应用比较广泛 的小型二冲程割草机起动问题研究，在对割草机保持本身优点前提下作出结构 改进。按照起动简易化的方向出发，对反冲拉绳起动系统和电动机辅助起动系 统做了相应的研究。关键词：关键词：二冲程；割草机；发动机起动我国是一个农业大国，农村人口占 80.0%以上。老年人口绝大部分分布在农村，这与 发达国家相反。国内农民的平均年龄逐年增高，正迈向高龄化的趋势1。与此同时，由于 农民工的劳动力外流，导致更多妇女和老年人成为留守家庭的主要劳动力。这些情况都说 明农民的整体体力有所变弱。在
2、保证农产品产量不变的前提下，就需要使用更多的农用机 械设备辅助来提高生产能力。装配有 20-50cc 的小型二冲程发动机的设备有割草机，链锯和油锯等商品，在当前市 场中运用最普遍的就是割草机2 3。在我国主要是农民和园艺工作者使用这类设备比重很 大，从事农业生产的人口的老龄化逐年增加,60 岁超越总数的半数以上, 从市场产品的信 息反馈上了解到，很多使用者无法独立方便的使用这些农用设备，突出的问题就是起动机 器太困难。例如常使用的割草机，若将其设计成任何从业者都能轻松使用，就成了这类产 品的开发关键点。1 1农用割草机的缺陷农用割草机的缺陷而汽车等大型发动机产品的起动操作过程中，早已解决了起动
3、时复杂的操作和对力量 的要求。而小型二冲程机器本身优点就表现在使用轻便和构造简单上，如果按照汽车等大 型机器来设计就必须增加较多辅助设备，导致整体重量增加和结构复杂化，使它的优点无 法体现，这样就带来设计上的瓶颈。对此类发动机的起动问题出发，按通用设计的观点必 须让一般使用者都能自如的起动和操纵机器4。割草机的外观如图 1 所示，手持式通常是在约 1.5 米长竿的顶端连接着修剪草的切割 刀片,另一边连接着小型发动机。这样设计比推式割草机要轻便灵活，在使用时可以多自由 度范围内自由操作，对作业地面的平整程度也没有要求，整体重量约在 4kg 左右。图 1 手持式割草机割草机的燃油供给系统是利用曲轴
4、箱内的脉冲压力将燃料抽取。所以启动时在化油器 中没有燃油储存，如果安装气动泵直接吸取油箱的燃油，只需要轻松的按动按钮就可以上 行供油，然后关闭减压阀拉动起反冲拉绳，如果此时的发动机能继续工作就可正常起动， 但是如果出现曲轴转动数次后就停止，那么减压阀打开再次拉动反冲拉绳，在多次的起动 拉绳后火花塞顶端将被大量的燃油溅湿，导致无法起动5。小型通用发动机的点火时间通常设定在上止点提前角 25 度附近，男性拉动反冲时速度 快而且力量大起动时起动较容易，而女性拉反冲的速度比较慢，如果当活塞快到达上止点 前停止了，有时会引起曲轴回转的现象，回转冲力过大可能伤到操作者手臂。对于女性来 说发动机起动是个不容
5、易的工作。020040060080010001200140016001800051015202530曲轴的转速（rpm）起动负荷（kg）图 2 曲轴转速与起动力量关系图 2 是以起动曲轴速度为水平轴，反冲拉力为垂直轴，按照拉动反冲时的各种速度相 应需要的拉力负载图。如图可见当速度低于 1000rpm 时力量需求变化较大，如果起动时力 量在这根拟合曲线以下就很可能发生发动机反转现象。2 2起动容易化方案起动容易化方案容易起动的措施大致区分有三个：1 曲轴足够的转矩、2 曲轴旋转的速度、 3 起动操 作步骤的简化。前两项的设定最佳值必须根据实际使用工具的型号和性能决定。前面介绍 的割草机的种类，分
6、为手持式和背负式。手持式是在杆体一侧装载着发动机,靠双手支撑重 量的类型。另一类,背负式的发动机装载在后背的背包上，由肩背负载机器重量的类型，通 过灵活的柔性连接轴发动机的动力传递到刀片上。两种类型的起动方法就不相同，使用手 持式时,须在地面上用手拉起反冲拉绳来起动机器。而在使用背负式时,先将引擎背在肩上 固定后,再用手拉起反冲拉绳起动机器。据调查通常男性能拉动的反冲拉绳也只在 20 公斤， 然而对于女性 10 公斤已经快到极限，如果 12 公斤的反冲拉绳将会有 20%以上的女性完全 无法承受。对于背负式的起动必须将机器背在背部再用手猛力下拉反冲拉绳，所以操作起 来比手持式更复杂。如果将起动时
7、的减压阀操作和反冲拉绳的拉动操作省略掉，就是起动 操作的简易化的研究方案（如图 3）图 3 起动方式容易化技术方案3 3起动简易化技术起动简易化技术在起动时减小内部压力和降低反冲拉绳的拉力和速度，是研究的两个出发点。图 4 排气减压气缸3.13.1 启动减压技术启动减压技术在排气孔的气缸壁上开一道槽（如图 4）6，当起动发动机时，气缸压缩冲程中可以让 部分压缩气体泄出的方法来减少压力。这类技术在 1991 开始广泛的应用在割草机上，虽然 这种结构简单并且不会增加整体重量，但是压缩冲程减压会导致整体输出功率下降 10%左发动机起动容易化起动拉力的减小化起动速度的降低化操作流程减少化减压排气减压省
8、去油泵操作省去减压阀操作省去起动时油门操作省去拉绳起动转轮轴径增大发动机不回转惯性力矩开始跳火时转速下降；次级电压升高；提前角控制蓄力式起动全自动式自动阀装置怠速起动新型启动系统的研发点机械式减压阀右，并且使用年限较长的割草机在减压槽上会有很多堆积物存在，进而导致排气性能下降。 虽然存在这些缺点，但是由于加工简单而且在不会添加太多成本，所以被广泛的应用。如果只是在起动时开启减压直到起动后关闭的装置（机械式减压阀），随后研发出按 动式减压阀（图 5）和转轮蓄压式减压阀。按动式减压阀只需在起动时按动阀体，启动结 束后气体压力将会关闭阀门，不会导致漏气降低功率。转轮蓄压式减压阀结构在起动时是 自动开
9、启的。起动过程中气体压力到达正常运转时推动阀门关闭，在发动机起动后减压阀图 5 机械减压阀图 6 转轮蓄压式减压阀一直处于关闭状态。当发动机停止运转时，减压阀会自动开启使蓄压室内的尾气排尽（如 图 6）。（这些结构 92 年被开发应用到后来蓄力式出现将其取代。）使用这两种减压阀会 导致点火提前角较迟，低转速的油锯等机械使用不会影响起动，而对于小功率转速高排量 小的割草机起动有所影响，所以这类型减压阀早在大型油锯中运用，一直没有在割草机上 使用。考虑成本就很少使用直到 99 年后才开始在割草机上出现。3.23.2 蓄力反冲起动器蓄力反冲起动器这种机构在转轮和发动机曲轴上的棘轮之间加装了蓄力弹簧，
10、弹簧外端通过卡簧和曲 轴棘轮连接在一起，当拉起拉绳时发条弹簧开始曲轴一起转动，随着活塞上升靠近上止点 时，缸内压力也在急剧上升，发条弹簧蓄力也更大（如图 7）。活塞越过上止点时发条弹 簧的蓄力全部释放作为辅助动力，在越过上止点后发动机转速即便为 0 发条弹簧的蓄存能 量也足够起动的需求。（图 8 蓄力式操作原理）这种起动方式即便在低速下也可以达到起运行中起动时动发动机效果，只需将转轮直径设计合理，也可以满足对力量减弱的要求。此类发动机 2000 年上市，市场占有率在 50%以上。缺陷在于整体重量一般增加 300g 以上。图 7 蓄力式反冲拉绳-300-200-1000100200300400-
11、0.25-0.2-0.15-0.1-0.0500.050.10.150.20.25曲轴转矩蓄力弹簧转矩曲轴转角转矩蓄力弹簧活塞上行上行-50050100150200250300350050010001500200025003000回转速度曲轴转图 8 蓄力式反冲拉绳的工作原理图3.33.3 电动机起动器电动机起动器小型电动机转速快但转矩小，起动发动机时需要一定的转矩才能使曲轴运动，所以通常 是以齿轮减速器来调节转矩和速度。按照传统的三个齿轮轴减速器，就会至少需要两个较 大的齿轮来调节。这样既增加了整体重量又使电动机的有效功率将较低。为此设计了行星 轮减速器，传统的减速器要少使用一个大齿轮。还可
12、以连接蓄力弹簧，补充在快到上止点 时的大转矩需求（如图 9）。起动方式简单，并在车辆和大型机器使用比较广泛。现阶段 主要使用在背负式上，由于必须安装辅助电池，整体重量会超出 1kg 以上，不太适合在手 持式割草机上装载。图 9 构造比较自动进气控制系统是在常温环境下来配合发动机的起动需求，按发动机所需的空燃比来 供应燃料。传统的燃油供给系统只是安装了电磁阀化油器，发动机起动时由燃油供给系统曲轴大平齿轮大平齿轮小平齿轮电动机大平齿轮小平齿轮行心轮11行心轮电动机蓄力弹簧曲轴提供燃油，当发动机预热状态时也起用燃料供应,这样便常出现混合气过浓状态,引起起动 不良。自动进气控制系统则根据环境温度来控制
13、起动时最佳的供油时间和油的雾化，系统 主要由 1.电磁阀驱动器 2.温度控制感应器 3.燃料雾化加热器三部分构成。起动流程是按 下起动按钮并且曲轴旋转数据电磁线圈开始检测，数据电磁线圈内设置了温度传感器辅助 线圈温度检测,如果环境温度不超过 30，电磁阀自动开始驱动燃料的供应。但是温度传 感器部位温度长时间处在 30 以下时，供油系统就会持续供油，过多的燃料就会使空燃比过 低不利于燃烧。在温度传感器的附近设置了相应的回油阀（如图 10）。图 10 自动进气系统自动进气控制系统按钮开启的同时，传感器附近的加热器就开始通电,温度传感器附近就会 过热图 11（曲轴转动频率和温度的关系图）024681
14、0121401020304050607080外界温度30 外界温度20 外界温度15 外界温度10 外界温度5曲轴旋转加 热 器 温 度图 11 曲轴转动频率和温度的关系在低温的情况燃料的自然挥发量少,需要起动燃料供应。如外部环境温度 5的情况下,加热器 温度感应器充电器飞轮曲轴流量计起动燃油通路电磁阀 进气系统曲轴需要达到每秒 4 转的速度就达到自动进气控制系统燃料供应的需求,环境温度在 30 度 及以上时，供油电磁阀关闭，这样就可在低温下正常供油，高温时供油量不会过多来保证 发动机成功起动。对于电池的选取上。进行了相同 8V 电压的两种电池在室内环境下自然放电试验， Li- ion 锂电池
15、具有明显的优越性能，Ni-Cd 镍镉电池不仅自然放电量大，而且存在充电记忆效 应，特别是在气温较低的季节电池的使用频率较高，一般起动得最低电压保持在 6.5V 左右， 所以 Ni-Cd 镍镉电池最多可放置 50 天，而 Li-ion 锂电池 50 天后只有 0.3V 的降低，在重 量上也不会给整体增加太多负担（如图 12）。010203040506070809066.577.588.5 Li-ionNi-cd放置时间（天电压（V启 动图 12 电池自然放电对比4 4 总结总结自 1995 年加利福尼亚州开始对二冲程机械的排放制定法规，到 2000 年后变得更加严 格，2005 年美国制定二冲程
16、发动机的排气量是以前的 1/5。在超出标准的产品严禁生产， 欧洲和日本等国家标准趋于一致，由于要解决二冲程发动机的燃料泄露缺点，在其结构上 不断改进，同时也为提高热效率进行提高压缩比，稀薄燃烧等技术，这些技术对起动上带 来很多困难，因此起动问题就显得更加重要。关键技术有很多发展方向，例如轻量化、燃 油供应和操作简单化。随着辅助设备的发展也会给发动机起动带来很大前景，如电池的轻 便化和可靠性能提高等。参考文献参考文献1 孙水英，曾慧，张丽平我国人口老龄化现状与护理对策J护理学杂志2006 年 11 月 21 卷 21 期2周龙保内燃机学M.北京：机械工业出版社，1999.219-2303 神本武征他夢将来-技術開発軌跡未来-M 社团法 人自动车技术会 2009-10-74 田中 孝二郎，沢 則弘，林 重信小型 2 補助改善 関研究R Research reports, Kushiro Technical College 9
