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1、二冲程汽油机工作原理天津内燃机研究所第一研究室 2011年6月28日1主要内容v 汽油机工作原理及其关键部件v汽油机主要污染物生成机理v二冲程发动机排放特点及主要影响因素v二冲程发动机降排路线分析2汽油机工作原理及其关键部件3内燃机分类4内燃机水冷发动机风冷发动机内燃机内燃机内燃机四冲程发动机二冲程发动机汽油发动机柴油发动机单缸发动机多缸发动机化油器式发动机电控喷射式发动机内燃机单列式发动机双列式发动机发动机基本术语 (1)v基本术语 上止点，Top Dead Center, TDC 下止点， Bottom Dead Center, BDC 5发动机基本术语 (2)v压缩比，Compressi
2、on ratio, CR6发动机基本术语 (3)v曲轴箱压缩比 k k=(Vk+Vs)/Vk Vk为活塞位于下止点时曲轴箱容积；Vk+Vs( 工作容积)为活塞位于上止点时曲轴箱容积。7四冲程发动机与二冲程发动机8四冲程发动机工作原理9v四冲程发动机：活塞往复四个冲 程完成一个循环的发动机。v 四个循环： 进气行程 压缩行程 作功行程 排气行程四冲程汽油 机的工作 过过程四冲程发动机工作过程10活塞活塞活塞活塞进气压缩作功排气二冲程发动机机体基本构造11二冲程发动机12第一冲程：压缩、进气第二冲程：做功、排气v 两个活塞行程内，即曲轴旋转一 周的时间内完成一个工作循环。二冲程发动机工作循环13二
3、冲程发动机工作过程14v 二冲程内燃机同样具有进气、压缩、燃烧、膨胀和排气过 程，这些过程只用两个活塞行程来完成，其中差别最大的 是换气过程。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 充量由扫气口流人气缸，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，在压缩行程 的开始，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。进气过程v进气方式： 对称进气 i1 = i2 利用活塞阀控制的曲轴箱进气; 曲轴箱进气口开启角和关闭角对称 于上止点; 非对称
4、进气 i1 i2 簧片阀式15对称进气相位图簧片阀进气方式v在进气道中安装一个单向 簧片阀16v1e40f-6发动机17簧片阀进气特点vi1 i2且i1 i2 。 v中低速不会产生反喷，稳定性和经济性好。 v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。18进气过程衡量指标v给气比 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。 =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， 愈大动力性愈好。 19影响换气的部件及其参数v影响换气过程的部件及其参数主要有： 气口 尺寸 形状 扫气泵形式 曲
5、轴箱 压缩比20气口尺寸v 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，当扫气口刚 打开时，气缸内压力高于曲轴箱内压 力，使得燃烧废气倒流入曲轴箱内， 扫气不完全，给气比较小。v 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 。v 曲线(c)表示气口尺寸过小。在IC因尺 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。
6、21气口形状v 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。 v 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。因此，在选择 气口尺寸时应根据该发动机的 转速选择。 22二冲程发动机扫气泵v二冲程发动机换气过程的特点是进、排气过程基 本同时进行，并利用新鲜充量扫除废气，所以， 新鲜充量会与废气混合，废气排出不彻底，容易 损失新鲜充量。如按曲轴转角计算，二冲程发动 机换气过程很短，为130150曲轴转角，大约 是四冲程发动机换气过程的1/3左右。因此，二冲 程发动机换气过程的组织比较困难，其关键环节 是扫气泵和扫气形式。 v为
7、了利用新鲜充量扫除废气，二冲程发动机必须 设置扫气泵，使新鲜充量压力高于气缸内废气压 力。23扫气泵形式（1）v曲轴箱作扫气泵将曲轴箱封闭，利用活塞运动实现曲轴箱 进气过程，并压缩曲轴箱内气体，提高其 压力，起到扫气泵作用。曲轴箱内最高压力与曲轴箱压缩比有关。 曲轴箱容积大，故压缩比低（ e k = 1.3 1.55 ），这种扫气泵的充气效率低，扫气 压力pk低，约为108 k Pa 。24扫气泵形式（2）v设置专门扫气泵这种结构二冲程发动机的 扫气压力pk适中，pk = 109 150 k Pa ，因为 不希望消耗较多的功率驱 动扫气泵，所以不采取较 高扫气压力。 v因扫气气体损耗大，多用
8、于二冲程柴油机。25带扫气泵的柴油机扫气泵形式（3）v 废气涡轮增压做扫气泵这种结构二冲程发动机驱动扫气泵时不消耗 额外功率，并和废气涡轮增压技术相结合 ，故扫气压力较高，pk = 140200 k Pa ，根据需要，还可以提高扫气压力。用于 二冲程柴油机。26曲轴箱压缩比v 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，气流运 动加快，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。v 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。 27二冲程发动机换气过程v二冲程内燃机的换气过程
9、分为三个阶段 自由排气阶段 扫气阶段 额外排气阶段28自由排气阶段v自由排气阶段排气口开启到新鲜充量进入气缸，为自由排气阶段 。排气口一般在下止点前 60 75(CA )开启， 排气口刚开启时，气缸压力较高，约为300 600 kPa，压力比p/pr超过1.9，是超临界排气。在该 阶段，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 。自由排气阶段是二冲程内燃机换气过程的最重 要阶段，也包括超临界排气和亚临界排气，排出 大约70% 80%的废气。29扫气阶段v扫气阶段随着活塞下行及废气迅速外流，缸内气体 压力骤降，可形成较高的真空，此时扫气 口开度也已加大，使
10、新鲜充量急速流入气 缸。随后，扫气口与排气口开度均较大， 扫气气流经过扫气口进入气缸，将缸内废 气从排气口压向排气管，实现扫气。30额外排气阶段v额外排气阶段扫气口关闭到排气口关闭，为额外排气阶段。 因为结构原因，二冲程发动机扫气口关闭时刻 早于排气口。在这一阶段，由于活塞上行的排 挤和排气气流的惯性作用，部分废气与新鲜充 量的混合气继续排出，直到排气口关闭为止。 对于扫气口关闭时刻晚于排气口的发动机而言 ，由于可以获得新鲜充量的额外加入，故这一 阶段被称为过后充气阶段。31理想扫气模式v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
11、 缸后不与废气混合，并将废气向 前排挤，当废气全部被排挤出排 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 。32v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，如图曲线2所示。 33v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
12、线曲线3。34实际扫气方式v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。35扫气形式v 废气和新鲜充量在气缸中的流动方式称为 扫气形式，也对换气过程的效果起着重要 作用。 v 扫气形式有以下几种基本类型： 横流扫气 回流扫气 直流扫气36横流扫气v 扫气口和排气口沿着气缸圆周 布置，各在相对的一侧，扫气 口沿圆周和气缸中心线都有倾 斜角，控制气流方向，以提高 换气质量。v 排气、扫气定时关于下止点对 称，扫气口比排气口先关，有 额外排气阶段。在气缸死角（ 图中A区域）容易积存废气， 容易出现新鲜充量短路，即新 鲜充量直接从扫气口流向排气
13、口，如图中B路线。37回流扫气v扫气口不是正对着排气口 设置，两者常位于气缸同 侧 。 v扫气口有倾斜角，以控制 气流方向。 v扫、排气定时对称，产生 额外排气。 v克服横流换气中新鲜充量 短路的现象，扫气效果比 横流好。 38直流扫气v 扫气口沿切线方向排列，形成 气垫，沿气缸轴线运动，将废 气推出气缸 。 v 可以实现不对称换气，使排气 门关闭较早，以实现过后充气 。 v 扫气效果最好。 v 结构复杂。 39气门气口式扫气效果评价参数v扫气系数为换气后留在缸内的新鲜气质量为换气后留在缸内气体的总质量40关键部件及其参数对扫气的影响vS/D的影响:在其它条件不变的情况下，S/D增加，扫气效率
14、 下降； v扫气压力的影响:扫气压力增压，容易造成新气与废气的 混合，从而使扫气效率下降； v发动机转速n： n增加，扫气压力增加，气流紊流加剧， 新气与废气混合，扫气效率s下降； v扫气道仰角：一般在20以内。 v水平夹角及焦距： v扫气道形状：无气流分离，如渐缩型气道。41二冲程发动机换气过程特点v换气时间短，换气质量差。在扫气期间，将有较 多的新鲜充量经过排气口直接流入到排气管中， 增加了新鲜充量的消耗量。 v进排气过程同时进行，新鲜充量与废气易于掺混 ，残余废气系数较大。 v扫气消耗功大，再加上扫气损失，其指示热效率 明显低于四冲程内燃机，因此燃油消耗率较高。 v排放高，对于化油器式二
15、冲程汽油机而言，由于 在扫气期间有较多新鲜充量短路而直接流入排气 管，导致其未燃HC排放较高。 42二冲程发动机工作特点v曲轴旋转一周即为一个工作循环，压缩和进 气（新鲜混合气进入曲轴箱）为一个冲程， 燃烧和排气在一个冲程； v理论上二冲程发动机功率是四冲程发动机功 率的2倍，事实上，由于各类损失等原因， 这一数值约为1.51.7倍左右； v没有单独的换气过程，利用扫气将燃烧废气 扫出，不可避免存在新鲜混合气损失，未燃 HC排放高。43其他关键部件及其对发动机性能影响v散热片 散热片多少、形状及其分布直接影响冷却 效果，进而影响进气密度和发动机动力性 ； 冷却空气通过时，空气阻力要求小，制造
16、散热片的材料要有良好的导热性，散热片 要有一定的机械强度； 通过CAE 等现代设计手段可以很方便的研 究各参数对散热性能的影响，从而达到择 优的目标。 v化油器 空燃比影响发动机的动力性、排放性和热 负荷，在一定程度上需要折中，需根据具 体情况进行空燃比调整匹配。 44汽油机排放污染物生成机理45主要污染物46CO的生成机理v CO是燃料在燃烧过程中生成的中间产物；v 燃料燃烧过程中局部空间和 瞬时存在下列条件之一，则 CO不能继续燃烧生成CO2而就被排出机外： 反应着的气体温度突然过低； 反应着的气体突然缺乏氧化剂 ； 反应物停留在合适于反应条件 （如温度和浓度等）的时间过 短；47NOx生成机理v 空气中的N2，在燃烧室内由于高
