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1、第三章 二冲程发动机的换气过程,第一节 换气过程的描述（一）,在摩托车用二冲程发动机中，几乎全部采用曲轴箱换气形式，其换气过程如图3-1所示。,活塞向上止点运动时，上部气缸内气体受压缩(图c)。活塞下面封闭的曲轴箱容积增大，曲轴内压力Pk迅速下降，当上行到某一位置时，活塞下边缘(也有在活塞裾部开有窗口)打开进气口(图c)，这时在P。-Pk的压差下，新气流进曲轴箱，这个过程叫曲轴箱进气。曲轴箱开始进气经过上止点，到进气开始的对称位置关闭为止。在活塞边缘关闭气口后，活塞再下行便开始压缩，使曲轴箱内进入的新气压力提高。曲轴箱内压缩也是一个多变过程，其最高压力与曲轴箱压缩比有关。当活塞位于下止点时曲轴
2、箱容积为Vk最小。当活塞位于上止点时，曲轴箱容积最大Vk+Vs(工作容积)。则曲轴箱压缩比 k为 k=(Vk+Vs)/Vk 现代摩托车发动机的曲轴箱压缩比k=1.25-1.4之间。,当活塞从上止点向下行走，到图3-1 a)所示的位置时，排气口打开，由于这时缸内压力高达0.30.4MPa，废气以声速从排气口排出，排气过程开始，从排气口打开到扫气口打口这段排气叫先期排气。 活塞继续下行打开扫气口，当曲轴箱压力pkp(气缸压力)时，新气从曲轴箱通过扫气口进入气缸，同时驱赶废气继续排出。由于这时利用新气清扫废气，故该过程称为扫气过程，如图31b所示，此过程一直进行到下止点后扫气口关闭为止。当活塞继续上
3、行关闭排气口止，整个换气过程结束。下面分别就此三个过程进行分析。,二冲程发动机换气过程的描述（二）,一、二冲程发动机的换气过程 二冲程发动机进气、压缩、燃烧、膨胀和排气过程是用两个活塞行程来完成的，其换气过程的工作顺序是：在膨胀行程的末期，活塞下行，首先打开排气口，开始排气，而后扫气口开启，具有一定压力的新鲜充量由扫气口流入气缸，并强迫废气由排气口流出，进行充量更换，然后，活塞到达下止点后又上行，依次将扫气口和排气口关闭，换气过程结束。新鲜充量由扫气泵提供，扫气泵的作用是对新鲜充量进行压缩，使其压力提高后，再进入气缸。,换气过程分为三个阶段，自由排气阶段、扫气与强制排气阶段和过后排气或过后充气
4、阶段。 1.自由排气阶段从排气口开启直到新鲜充量进入气缸为止。 特点 ： （1）下止点前6075（CA）开启，气缸内压力较高，约为300600kPa，气缸内的燃气以声速流出。 （2）排气流量与排气管内的气体状态无关，只取决于缸内气体的状态和排气口流通截面的大小。 （3）缸内燃气可以流出大约 7080。 2. 扫气与强制排气阶段扫气口开启，新鲜充量进入气缸，直到活塞下行到下止点后再上行将扫气口关闭为止。 特点： 利用扫气气体强制将废气排出气缸外，还要充入新鲜充量。,3.过后排气或过后充气阶段从扫气口关闭到排气口关闭期间。 特点： 该阶段所持续的时间较短。由于活塞已经开始上行，缸内气体压力提高，对
5、过后排气是有利的而不利于过后充气。要达到过后充气的目的，就必须提高扫气泵的扫气压力，相应地增加扫气泵消耗的机械功。,二冲程发动机的曲轴箱进气过程,一、进气方式的分类 到目前为止，曲轴箱进气方式可分为对称进气和非对称进气两大类。 (一)对称进气方式 利用活塞阀控制的曲轴箱进气便属于对称进气方式。其特点是曲轴箱进气口开启角和关闭角对称于上止点。(见图31 c)。其配气相位图如图32所示。即i1 = i2 。这种进气方式由于对称上止点。 其缺点是：,(二)非对称进气方式 所谓非对称进气方式，就是进气开启角i1不等于关闭角i2的进气方式即 i1 i2。一般分为簧片阀式和转阀式进气两种。 1.簧片阀式进
6、气方式 这种进气方式是在进气道中安装一个单向簧片阀。图3-4簧片阀式进气过程原理图。,簧片阀进气的特点： 1)i1 i2且i1 i2 。这种不对称进气角由于i1大而i2小，中低速不会产生反喷，稳定性和经济性好。 2)由于在进气道中安装簧片阀而存在阻力，高速充量比活塞阀式低。结构稍复杂，可靠性也差些。,2.转阀进气方式 它也是一种非对称的进气方式。,其特点： (1) i= i1+ i2 i1 i2 (2)阀缺角ic一定，进气口尺寸一定后, i的值便是定值,可用阀盘键槽的旋转，改变与曲轴的相对位置，可使整个角度提前或迟后。当装上以后其相对于上、下止点的位置便是固定值，不随任何工况而变，这是与簧片进
7、气的主要差别。 (3)转阀打开气口以后，气口全开，进气阻力很小，故该型式用在高升功率的发动机上。 (4)结构复杂，工艺要求高，特别是阀盘，通常用厚度仅0.5mm的不锈钢片制作，要求平整、光滑、均匀。阀盘的轴向间隙仅0.5mm左右，达不到要求就会出现密封不严、磨损，甚致卡死。,二、给气比特性及其影响因素,衡量曲轴箱进气过程的主要指标是给气比 。 也称扫气过量空气系数。 =m1/ms=每循环供给的新气质量/在大气状态下气缸工作容积Vs所占有的空气质量 由于是衡量进入曲轴箱的新气量的多少， 愈大愈好。 影响给气比的因素 (一)进气方式对给气比的影响 1、活塞阀进气方式的给气比特性曲线 图310为活塞
8、阀进气方式的给气比特性曲线。通常，在设计的标定转速下， 最高，当转速下降时急剧下降，在低速区又出现一个小的高峰，整个曲线呈马鞍形。,2、活塞阀进气方式影响的因素,1)气口尺寸对 的影响 图3-12可以看出，a曲线表示因气口尺寸过大而出现进气反喷。因从IO到上止点曲轴箱压力很快达到大气压线(虚线)，当活塞从上止点向下行走时多曲轴箱受压缩，因气口过大而未关故产生曲轴箱向进气管倒流，使IC点pk低。 在下止点后活塞上行，扫气期间气缸压力增加，从而产生气缸向曲轴箱倒流，pk增加，故 下降。 曲线(b)表示对该转速下，气口尺寸适中。在IC点pk高，SC点pk低最大。 曲线(c)表示气口尺寸过小。在IC因
9、尺寸过小阻力大，pk上升慢，直到IC时pk还很低。在扫气期间，其压力下降也慢，直到扫气口关闭(SC)时，压力pk还很高，故给气比也较小。,2)气口形状,图31 3是活塞阀进气方式的气口形状对给气比的影响。从图中可以看出，在同样的气口面积下,高度小，宽度大的气口大。反之，高度大，宽度小则在所有的转速下都低。 一种气口尺寸仅对应一个最佳转速，转速过高和过低都会使给气比降低(图31 4所示)。因此，在选择气口尺寸时应根据该发动机的转速选择。,3)曲轴箱压缩比k,图3-15为曲轴箱压缩比 k对的影响。k高则高速 大。 k低则低速大。这是因为k大，曲轴箱的压力变化大，各气口前后压差大多新气流动加快箩对于
10、一定给气量所需的时间才能短，故k大， max偏向高速。 k大低速 小是因为压差大造成涡流损失大，能量消耗大所致。 增加曲轴箱的压缩比受结构的限制不可能太大，一般k=1.251.4之间。,3转阀进气方式对的影响,图31 6是在日本山叶G1型摩托车发动机上，利用拖动法测得的不同进气相位角，不同转速下，转阀进气的给气比的变化曲线。,4簧片阀进气方式,图3-17是簧片阀进气的发动机剖面图及簧片阀另件图。这种进气方式由于开启角大，关闭角小，可防止低速进气反喷，低速给气比较活塞阀进气方式高。高速区，由于簧片阀的流通阻力损失大，其比前两种进气方式低，另外。曲轴箱上的,簧片阀，能够吸收曲轴箱内压力的微弱波动，
11、所以给气比随转速变化比较平缓。在低速也几乎看不到小的波峰的存在。,第四节 二冲程发动机的排气过程,排气过程分为自由排气和强制排气两个阶段。,一、自由排气段对应时面图BHKB,从排气口打开到气缸内压力p与扫气口压力pk相等p=pk时止这段排气称为自由排气。其特点是缸内废气靠压差自由流出，在时面图上对应面积BHKB。自由排气又包括两个部分：先期排气(超临界状态)和亚临界排气。 1先期排气对应时面图BASB，图3-18 先期排气是从排气口始开(EO)到扫气口始开(SO)为止这一段排气。由于排气口打开时，气缸压力达0.30.4MPa，排气在超临界状态下进行,，其废气以声速排出。这段时间虽短，但排出的废
12、气约占总废气排出量的7080。当活塞继续下行，排气压力迅速降低，当 pr/p0.528时，排气进入亚临界状态。实际上临界点在什么位置是一个不定值，因为气缸压力p和排气管压力pr都随发动机转速负荷而变化，故一般近似地把从排气口始开至扫气口始开这一段视为超临界状态。这时排气量仅与排气口面积和气体状态有关，而与压差无关。,2亚临界排气对应图3-18中时面图AHKSA 从扫气开始(S0)点到气缸压力p=pk止这一段为自由排气的亚临界排气段。其特点是排气速度取决于压差p=p-pr。由于这时压差小，流速低，排出废气的量不多。 二、强制排气段对应时面图HDKH3 从气缸压力p=pk后新气进入气缸驱赶废气开始
13、到排气口关闭止这段排气称作强制排气段。它包括驱赶排气(扫气)和过后排气两部分。前者是指在新气的驱赶下排气，后者指在活塞向上排挤下排气。 1。驱赶排气(扫气过程) 对应时面图 HMGKH 从图3-18中气缸压力p=pk以后，气缸压力迅下降，这时因曲轴箱压力pk高于气缸压力p，促使新气通过扫气口按照一定的路线驱赶废气，清扫废气的质量与扫气的型式、扫气口扫气道的形状尺寸以及扫气压力及其变化等有关(详见后一节)。(忽略气缸向曲轴箱倒流)。 2过后排气对应时面图MDGM 从扫气口关(SC点)到排气口关(EC点)称作过后排气。，它是靠活塞上行强制把充量排出。这时由于气缸进气已结束，气缸中大量的新气也随废气
14、一起被排出，使燃料流失，油耗率增加，同时使HC排放增加，使二冲程发动机的排放指标HC远远高于四冲程发动机。因此，这一段愈少愈好。,上述是整个排气过程的说明。由于在绝大多数摩托用二行程发动机中，排气和扫气都是窗孔式并由活塞顶面控制，故排气相角相对下止点对称。排气窗口的高度是决定排气过程的最重要参数。一方面，排气窗口高度要足够，以使扫气口打开时气缸压力要降到与曲轴箱压力pk相近，以避免废气从扫气口大量倒流入曲轴箱。转速高的发动机应选用窗口高的排气口，以保证足够的自由排气时面值，使排气充分。另一方面，排气窗口高度直接造成有效行程损失，过后排气时间过长，经济和排放指标变差，低速更为明显(见图31 9)
15、。具体选择排气口高度值时，主要根据摩托车发动机的设计目标而定。,第六节 二冲程发动机的扫气过程,一、二冲程发动机扫气过程评价指标 二冲程发动机的扫气过程直接影响发动机的性能指标。评价二冲程发动机扫气过程好坏嘲评价指标有： 1、 扫气效率s ： 式中：m0=m1 s表示扫气品质的好坏， s高，说明进入气缸 新气流失少，或废气被清扫的多。它是评价扫气 的主要指标。 2、给气效率t ：,二、标准扫气,所有的扫气过程，可用三种标准扫气形式来评价。 1、完全扫气(perfect scavenging) 完全扫气也称排挤扫气或称全驱扫气。它是扫气用新鲜气进入气缸后箩不与废气混合，并将废气向前排挤，当废气全
16、部被排挤出排气口时，新气刚好到达排气口。这种情况最为理想，流入气缸的新气体积等于被排挤出的废气体积。当 =l时， s =100%，在扫气曲线上为一倾斜45的直线(见图3-30)。 2、完全混合扫气(perfect mixing scavenging) 扫气用新气进入气缸后，立即与气缸中的废气均匀混合，从排气口排出与进气量相等积体的混合气。这种扫气是靠新气不断流入，并不断排出混合气，从而使气缸的混合气中，废气浓度逐渐稀释来实现，故也称稀释扫气。,3、短路扫气 扫气空气毫无扫气作用立即从排气口排出。它在扫气曲线上为s等于零的一条横线(图3-30)曲线3。 上述三种标准扫气型式都是理想化的，在实际二冲程发动机上是三种型式在一台机子上交互存在而有所接近。
