1、二冲程汽油机工作原理,1,主要内容,汽油机工作原理及其关键部件汽油机主要污染物生成机理二冲程发动机排放特点及主要影响因素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,发动机基本术语 (1),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),压缩比，Compression ratio, CR,6,发动机基本术语 (3),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
2、冲程发动机,8,四冲程发动机工作原理,9,四冲程发动机：活塞往复四个冲程完成一个循环的发动机。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,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,13,二冲程发动机工作过程,14,二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
3、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,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; 非对称进气 i1 i2 簧片阀式,15,对称进气相位图,簧片阀进气方式,在进气道中安装一个单向簧片阀,16,1e40f-6发动机,17,簧片阀进气特点,i1 i2且i1 i2 。 中低速不会产
4、生反喷，稳定性和经济性好。 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,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,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 曲轴箱 压缩比,20,气口尺寸,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
5、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。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。,21,气口形状,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。因此，在选择气口尺寸时应根据该发动机的转速选
6、择。,22,二冲程发动机扫气泵,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。 为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）,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
7、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）,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。 因扫气气体损耗大，多用于二冲程柴油机。,25,带扫气泵的柴油机,扫气泵形式（3）,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
8、,曲轴箱压缩比,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。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,二冲程内燃机的换气过程分为三个阶段 自由排气阶段 扫气阶段 额外排气阶段,28,自由排气阶段,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
9、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,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,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
10、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,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。,32,完全混合扫气(perfect mixing scavenging)扫气用新气进入气缸后，立即
11、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。,33,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等于零的一条横线曲线3。,34,实际扫气方式,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,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。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,扫气口和排气口沿着气缸圆周布置
12、，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。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口，如图中B路线。,37,回流扫气,扫气口不是正对着排气口设置，两者常位于气缸同侧 。 扫气口有倾斜角，以控制气流方向。 扫、排气定时对称，产生额外排气。 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,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 。 可以实现不对称换气，使排气门关闭较早，以实现过后充气。 扫气效果最
13、好。 结构复杂。,39,气门气口式,扫气效果评价参数,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,S/D的影响:在其它条件不变的情况下，S/D增加，扫气效率下降； 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； 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； 扫气道仰角：一般在20以内。 水平夹角及焦距： 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,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
14、充量的消耗量。 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。 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。 排放高，对于化油器式二冲程汽油机而言，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,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； 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； 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
15、放高。,43,其他关键部件及其对发动机性能影响,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。 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,46,CO的生成机理,CO是燃料在燃烧过程中生成的中间产物； 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
16、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；,47,NOx生成机理,空气中的N2，在燃烧室内由于高温发生氧化反应产生NO 及NO2，统称氮氧化物（NOx），排气中NO2浓度比NO低很多，大约占5%； 热NO（发动机NO排放的主要来源）： 燃烧过程中空气中的O2与N2反应生成NO（ Zeldovich链反应机理） O22O，N2+O NO+N，O2 +N NO+O，OH+N NO+H 主要受以下因素影响： 燃烧温度 混合气浓度（氧含量） 高温下滞留时间 快速型NO(5%)：空气中的N2通过两步反应生成
17、NO（Fenimore）,只发生在存在碳氢团的不完全燃烧区域，与温度关系不大。N2+CH HCN+N， N+ O2 NO+O 燃料型NO：燃料中的氮氧化物生成NO,48,HC生成机理及排放,排气：在缸内工作过程中生成并随排气排出，称为HC的排气排放物，主要是在燃烧过程中未来得及燃烧或未完全燃烧的燃料或润滑油。 壁面淬熄 狭隙效应 润滑油膜的吸附和解吸 燃烧室中沉积物的影响 曲轴箱：从燃烧室通过活塞与气缸之间的间隙漏入曲轴箱的窜气，含有大量HC。 蒸发：从汽油机和其他轻质液体燃料点燃机的燃油系统，即从燃油箱、化油器、燃油管接头等处以及停车后进气管中的油膜蒸发的燃油蒸气，如果进入大气，同样构成HC
18、排放物，称为蒸发排放物。 换气过程（二冲程发动机）,49,硫氧化物生成机理,燃油中约95%的硫都会释放到空气中，5%以硫酸盐的形式存在于灰分或颗粒中。燃料S +O2 SO2SO2 +O2 SO32SO2 +O2 2SO3,50,主要污染物生成影响因素,燃烧室结构 过量空气系数 点火提前角,51,二冲程发动机排放特点及主要影响因素,52,小通机分类及排放法规,53,EPA 3阶段排放法规限值,EPA 发动机分类方法,目前，二冲程发动机多用于手持式通机产品； CO能满足排放法规要求； HC+NOX是主要控制对象,二冲程汽油机主要污染物,NOx比例小： 浓混合气的使用 HC比例高：扫气过程中新鲜混合
19、气与废气掺混致使未燃混合气直接排出 二冲程汽油机控制关键在于UHC,54,二冲程汽油机UHC主要来源,燃烧产生的UHC大概为300400ppm，而通常排放中大概有1500（小负荷）5000（大负荷）ppm的UHC,大部分来自于扫气过程。二冲程发动机的UHC大概是四冲程发动机的310倍。,55,换气过程中的UHC损失,新鲜混合气的短路损失（影响目前HC排放的主要因素）： 混合于废气中由排气道排出的新鲜混合气； 直接由排气口逃逸的新鲜混合气（气道形状及位置设计不佳时）；,56,二冲程汽油机排放的关键控制参数,气道仰角气道参数气口位置结构参数,57,气道仰角,决定了新鲜混合气气流进入缸内角度，影响扫
20、气气流在缸内的运动轨迹，进而影响新鲜混合气逃逸和HC排放。,58,气道参数,气道形状直接决定了各扫气道扫气气流之间及扫气气流与燃烧废气之间的相互作用，因而对换气过程和HC排放的影响很大。,59,气口位置,排气气口位置（排气定时）决定了排气口开启时刻缸内的排气压力大小，影响了排气初始速度。此外，排气口关闭时刻直接决定了新鲜混合气逃逸的多少。 扫气气口位置（扫气定时）决定了扫气口打开时的缸内压力与曲轴箱之间的压力差，进而影响扫气气流进入缸内的速度和扫气效率，是决定发动机工作过程中新鲜混合气量多少的关键因素。,60,废气中燃料含量的变化,废气中燃料含量的变化,结构参数,缸径：缸径大小影响燃烧室的面容比及罅隙，进而影响燃烧过程中形成的HC； 曲轴箱容积：曲轴箱容积大小影响了扫气压力的变化，进而影响了进入气缸内氧气的质量和HC逃逸。,61,二冲程发动机降排技术路线分析,62,二冲程发动机降排技术路线,分层扫气技术路线：是目前排放控制效果比较好的技术， 原机排放即可满足排放法规要求；非分层扫气技术路线：优化的4-通道扫气道催化器方案。,63,减排技术路线对比,64,Thank You !,
