第三章_二冲程发动机的换气过程

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，儿乎全部采用曲轴箱换气形 式，其换气过程如图3所示。活塞阀式曲轴箱进气的换气过程示意图BiCO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

2、力与曲轴箱压缩比有关。当活塞位于下止点时曲轴 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）。则曲轴箱压缩比以为Ek=（Vk+Vs）/Vk现代摩托车发动机的曲轴箱压缩比£k=l 25-1. 4之间。当活塞从上止点向下行走，到图31 a）所示的位置时，排气 口打开，由于这时缸内压力高达0304MPa,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。前：A，上IF活塞继续下行打开扫气口,当曲轴箱压力pk>p（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

3、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岀，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 力提咼后

4、，冉进入气缸。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阶段。1. 自由排气阶段一从排气口开启直到新鲜充量进入气缸为止。(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70%80%。2. 扫气与强制排气阶段一扫气口开启，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一从扫气

5、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。空气空气增压a03啊斛皿过裡 匚二I代虹中工惟11程曲轴辎扫弋式二冲裡发动机的站构与相位关系简图二冲程发动机的曲轴箱进气过程的进气相位图IO. TC进气开关角一、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）o其配

6、气相位图如 图32所示。即朗=92 o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; I S Sg所谓非对称进气方式，就是进气开启角不等于关闭角印2的进气方式即 6i1主6i2o 一般分为簧片阀式和转阀式进气两种。1 簽片阀式进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34簧片阀式进气过 程原理图厂勲冷,图3-4簧片阀进气过程原理简图图3-5簧片阀进气相位图簧丿丫阀进气的特点：1) 9i1 Gi2>0i1 > 0i2 o这种不对称进气角由于 印1大而印2小，中低速不会产生反喷，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。

7、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。a）转阀开启进气孔，b）转阀关闭进气孔 丄一转阀，2进气口，Oi转阀开启角 Gc阀切角下止点图39转阀进气相位图其特点:(1) 6i=前 +0i20i1ei2(2)阀缺角Bic定，进气口尺寸一定后，8啲值便是定值，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

8、锈钢片制作，要求平整、光滑、均匀。阀盘的轴向 间隙仅0.5mrri左右，达不到要求就会岀现密封不严、磨损，甚 致卡死。1、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 气比卩O也称扫气过量空气系数。P=m 1 /口$=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1=由于P是衡量进入曲轴箱的新气量的 多少，0愈大愈好。影响给气比P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 "戈母v 1 V9" - J/0|1/11/-u /AV)11i14 i'111L11 JIiIj<|LJ800 1200 160?

9、 2000n(r/ min)图3-10活塞阀进气方式的给气比特性图310为活塞阀进气方式的给气比 特性曲线。通常，在设计的标定转速 下，P最高，当转速下降时P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p的因素1)气口尺寸对p的影响图312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。盘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P下降。曲线(b)表示对

10、该转速下，气口尺 寸适中。在IC点Pk高，SC点Pk低0最人。图312气口尺寸对Pk的影响a虚线，气口尺寸过大b实线，气口尺寸适中 c-点划线，气口尺寸过小曲线(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p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0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 卩大。反之，高度大，宽度小则在所有的转速下0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B降低（图31 4所示）。

11、因此，在选择气口尺寸时应根 据该发动机的转速选择。n ( r / min) X 10 3图313 气口开头对0的影响图314 气口尺寸与转速关系3）曲轴箱压缩比£k图315为曲轴箱压缩比ek对0的影响。£k高则高速p大。Ekj氐则低速p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 快算对于一定给气量所需的时 间才能短，故wk大，pmax偏 向高速。£k大低速0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 ek=1.25 1.4之间。图3-15曲轴箱压缩比耳对卩的影响3. 转

12、阀进气方式对p的影响图31 6是在日本山叶Gl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，转阀进气的给气比卩的变化曲线。LI.syI65T.!»5：iTi IC5T5 I 叫 I。l»TjD4.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，其卩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，所 以给气比随转速 变化比较平缓。I 像体:!?- 训；丄"11 . r ni

13、 i n j pj 2h .S（片阀迥PH廉好妁;治K 3 r赞片阀辺:气方宾发萤也阀 1:!i -朋片一:r- c - s凶；：一匕肚闽邓在低速也儿乎看 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。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|3=卩1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，在时面图上对应而积 BHKBo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图3-18二冲程发动机排气过程图先期排气是从排气口始开(EO).到扫气口始开

14、 (SO)为止这一段排气。由于排气口打开时，气缸 压力达0.304MPa,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 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吋，排气 进入亚临界状态。实际上临界点在什么位置是趴 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。s T1 S I ii3F I I2 亚临界排气对应图318中时面图AHKSA从扫气开始（SO）点到气缸压力p二pk止这一段为

15、自由排气的 亚临界排气段。其特点是排气速度取决于压差厶p=p-pro由 于这时压養小，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。1o驱赶排气（扫气过程）对应时面图HMGKH从图38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）。

16、（忽略气缸向曲轴箱倒流）。2.过后排气对应时面图MDGM图3-18二冲程发动机排气过程图从扫气口关（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。(EdM )wd g 士rw图3-19不同排气相位角时外特性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

17、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）o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”I第六节二冲程发动机的扫气过程二冬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:式中：rrio=mi 口mx%mo + mr高，

18、说明进入气缸刀S表示扫气品质的好坏，2、给气效率nt:新气流失少，或废气被清扫的多。它是评价扫气 的主要指标。、标准扫气所有的扫气过程，可用三种标准扫气形式來评 价上&习 b1 > 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算不与废气混合，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0=|时，77s=1OO%,在扫气曲线上为一倾斜 45°的直线(见图3-30)o叱叩时卿U.I MIH3-302、完全混合扌T气(p

19、erfect 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 气浓度逐渐稀释來实现，故也称稀释扫气。L rD 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 %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。三、实机扫气方案实机上，与上述相对应的扫气方案有横流扫气，直流扫气和回 流扫气三种。其中摩托车发动机上基本上都采用回流扫气型式或 回流横流混合

20、扫气型式。四、扫气系统的基本形式1、横流扫气扫气口与排气口布置在 气缸圆周的两对面。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。卜 1卜点换气效果较差。图2-25 横流扫气形式以及气口开启高度怡 随曲轴转甫p的变化四、扫气系统的基本形式2、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。四、扫气系统的基本形式3、直流换气方案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

21、过后 充气。:.扫气效果最好。S2-27直流扫气3）气门气孔式b）对向活塞式C）气口开启高度随 曲抽转鮎的变化结构复杂。三种换气方案1. 横流扫气：扫气口与排气口布置在气缸周围相对 的两个壁面上。易产生换气短路，换气效果差，气缸的受热不均匂。2. 回流扫气:扫气口与排气口位于气缸同侧。扫气 口也在纵横方向有倾斜角，使扫气气流的主流在气缸 内沿活塞顶和气缸壁流动时转弯而形成回流，将废气 由排气口挤应空攵果较好-穴，汽a )b )用3-32横汛扫气改谨方案iW流式；（2）回流式；（3）直流式叮b>二冲程内廳机的换气方案3 直流扫气主要特点：扫气气流沿气缸轴 线运动，换气品质最好，效果较 好。

22、可以方便地实现不对称换 气，将排气门较早关闭，以达到 过后充气的目的。活塞受到扫 气空气的冷却作用，工作条件较 好。由于扫气口沿整个气缸圆 周分布，气孔的孔高可以缩短， 以减少行程损失。结构较为复 杂，排气门的尺寸也比四冲程内 燃机大。336 S/D对的影响(回流扫气)影响扫气效率的因素I、S/D的影响在其它条件不变的情况下，S/D增加，下- 降(图3-36)o因为S/D增加，上部扫气比较困° 难。受气道结构布置窗口尺寸的限制，如果要° 清扫上部废气，则下部废气便难于清扫。故，0 摩托车用二冲程发动机的S/D <1,使彳$较高o 是其重要的原因。2、扫气压力Pk的影响

23、Pk增加，容易造成新气与废气的混合，从而 总 使扫气效率下降。例如，当时， Pk=108(kPa)时，ns =0.66。Pk=167(kPa) 时，” $ =0.59。3、发动机转速nn增加一时，Pk增加，气流紊流加剧，新， 废气混合，扫气效率“s下降。4、扫气道仰角YI :空 纟銮7 ! IY角是气缸轴线与扫气道轴线的夹角。Y的作用主要在于形成稳定的上流 扫气气流。x例如：丫=90° 时，亿=0.55。v二40° 时，亿=0.65。-般尸75。80。，+过小，.气道陡峭，气道的流 通有效断面将减少。在混合扔气形式中作为辅助扫气入k道，其仰角Y般较小（20° ）o

24、5、水平夹角及焦距e图3-39水平夹角与扫气图水平夹角及焦距e对扫气气流的分布 影响很大。角过小（图3-39a）则在气 缸中心产生高速舌。过犬，在沿缸壁 产生高速区。它们首先会造成短路扫 气。同时会产生与废气的混合，使扫 气效率下降。一般二110°130。 同时要求焦距ed/5（d-缸径）较为理 想。而AB延长线与EF延长线交于G点为 佳。图341为国外部分高性能摩托车用二行程发动机的扫气道布置图。从图中 可以看岀，各种形状，数量的扫气道都有，好的扫气道布置的目标，都是尽力提高ns o图341 国外扫气道布置图6、扫气道形状图3-42扫气道形状扫气道的形状对气流的影响如图3-42所示。 图a）为等截面的弯道，它会在拐弯处产生气流的 分离丽增加流动损失。图b）为逐渐收缩的弯道， 它是采用较多的形状，其流动气流很少分离， 流动损失小。图c）是一种强烈向上的气道，它保 证流动气流无分离，同时还可产生稳定向上的五、换气质量的估计最理想的换气过程应是废气和新鲜充量毫不相混, 扫气气流将废气全部挤岀。:事实上，一部分废气留在气缸里，一部分新鲜空 气田排气口跑掉。二行程换气