汽车发动机原理课件：二冲程

一、二冲程及示功图二冲程发动机是曲轴回转一圈，活塞上下两个行程，就完成一个工作循环，它与四冲程发动机的不同之处主要在于换气过程，现用曲轴箱扫气二冲程发动机为例说明之，如图2-32所示，在工作缸下部开有排气口1、扫气口2和进气口3。活塞由下止点向上运动，当活塞上行关闭排气口后(图2-32a的位置)即开始压缩过程，如示功图中的a-c段,上行至上止点前约10°~30°(CA)，喷油(或点火)继而高温、高压气体推动活塞下行，即做功的膨胀过程，如示功图中的z-b段，活塞下行至b点，开启排气口(图2-32b的位置)，膨胀过程结束，排气过程开始。排气口开始打开时，缸内压力一般为0.3~0.6MPa，排气处于超临界状态，废气以声速流出汽缸，缸内压力迅速下降，进入亚临界状态。从排气口开始打开到缸内压力接近扫气压力，新气开始流入汽缸这段排气，称为自由排气。此时是靠缸内与排气管之间的压差排除废气，其中从排气口打开到扫气口打开这一段，又称先期排气(示功图中的b-f段)，必须保证先期排气时面值，以避免废气倒流。当扫气口打开，已被提高压力的新鲜工质得以进入汽缸，并驱赶废气继续排出，此过程一直进行到下止点后扫气口关闭为止，由于此阶段是利用新气扫除废气，故称为扫气过程，如示功图中的f-d-h段，扫气口关闭后，排气口还开着，这时由于活塞上行的排挤及排气气流的惯性，会继续排出新鲜工质和废气的混合气，直至排气口完全关闭，如示功图中的a点。从扫气口关闭到排气口关闭这段是额外排气阶段，其中有大量新鲜工质排出，是要尽量避免的阶段，活塞继续上行，重复压缩过程，进行新的循环，从排气口开始打开到排气口完全关闭，即示功图上的b-d-a曲线，为二冲程，占130°~150°(CA)。在排气口开启期间，废气及新鲜工质不断从排气口流出，这部分汽缸容积不能容纳新鲜工质，称为损失容积，二冲程发动机的有效压缩是从排气口关闭后开始，故其有效工作容积为:式中:ψ——行程损失百分比，ψ=Ve/VS=hp/s。hp——排气口高度。s——活塞行程。Ve——排气口高度所占汽缸容积。VS——活塞行程容积。二冲程发动机换气过程与四冲程相比可以看出，四冲程的进、排气过程是分开的，总共经历410°~480°(CA)，而二冲程的换气过程仅相当130°~150°(CA)，为四冲程的1/3左右，而且它又是进、排气过程同时进行，利用新鲜工质来扫除废气，新鲜工质容易与废气相混而损失，废气也不易清除干净，因此组织好二冲程较为困难，成为其特有的问题。二、扫气泵由于二冲程发动机的进、排气过程是重叠进行的，它利用新气扫除废气，则必须提高进入汽缸新气的压力，而设置扫气泵，扫气泵大致有如下三种类型。(１)曲轴箱扫气形式如图2-32所示，它是将曲轴箱封闭起来，当活塞向上止点运动时，曲轴箱压力迅速下降，上行至活塞下边缘打开进气口(图2-32ｃ)，新鲜工质被吸入曲轴箱，该过程称为曲轴箱进气过程，直到活塞下行，活塞下边缘关闭进气口止。再下行，活塞开始压缩曲轴箱中的新鲜工质，使其压力升高，从而起扫气泵的作用，压缩的最高压力与曲轴箱压缩比εk有关，即曲轴箱最大容积与最小容积之比，即:式中:Vk——曲轴箱的最小容积。由于曲轴箱容积大，其压缩比较低，一般范围为1.3

~1.55，充量系数低，大致为0.6~0.7，扫气压力仅为108kPa左右,因此，要求尽可能增大进入曲轴箱的新气量,因其结构简单、紧凑，所以仅用于小型汽油机及单缸柴油机上。(２)采用单独的扫气泵如图2-33，扫气泵大多用转子泵或离心泵，直接由发动机曲轴增速驱动，一般扫气压力Pk=

109~150kPa。(３)废气涡轮增压(见)其扫气压力Pk=

140~200kPa甚至更高。由于带动扫气泵要消耗发动机的有效功，因此应在尽量低的扫气压力Pk和尽量少的扫气泵供气量的前提下，将废气清除干净和充入更多的新鲜充量。三、扫气系统的基本形式根据新鲜充量在汽缸中流动的性质，扫气形式可分为横流扫气、回流扫气和直流扫气三种。１.横流扫气图2-34为这种扫气系统的简图和气口开启面积图，它是将扫气口与排气口布置在汽缸圆周的两对面。为使扫气进行得完善，扫气口在圆周和沿汽缸中心线方向均有倾斜角，以控制气流方向。由于扫、排气定时对称，扫气口比排气口早关，产生额外排气，而且在Ａ区易于残留废气，又可能如Ｂ所示产生扫气短路现象(即新鲜充量直接由排气口流出)，所以换气效果较差。２.回流扫气如图2-35所示，扫气口不是正对着排气口设置，两者常位于汽缸同侧，扫气口亦在圆周和沿汽缸中心线两个方向有倾斜角，使扫气气流沿活塞顶和汽缸壁引向汽缸上部形成回流，将废气由排气口挤出，它部分克服横流换气中新鲜充量短路的现象，扫气效果比横流好，同时亦有结构简单、制造方便的优点，因而在小型二冲程发动机上获得广泛应用。３.直流换气方案如图2-36所示，它的主要特点是扫气气流沿汽缸轴线运动，换气品质最好，图2-36a)为气门气孔直流换气方案，由于排气门受凸轮操纵，因此可以实现不对称换气，使排气门关闭较早，以实现过后充气，为使新鲜空气不与废气掺混，扫气口沿切线方向排列，使进入汽缸的扫气空气旋转形成气垫，避免与废气相混，并将废气推出汽缸。图2-36b)为直流对向活塞换气系统，扫、排气口的启闭由相反方向运动的活塞控制，两活塞运动错开一定曲轴转角9°~15°，就可使排气孔比进气孔早开、早闭，造成过后充气，其结构也很复杂，整机高度增大，且缸套热负荷较为严重。四、换气质量的评价指标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出，事实上，废气与新鲜充量相混是不可避免的，一部分废气留在汽缸里，一部分新鲜空气由排气口跑掉，对柴油机来说，多供一些空气，使废气清除得干净些，仅是损失一点空气，多消耗些功，而在汽油机中是用油气混合气扫气，任何混合气的外逸都意味着损失燃油，废气排放的增加。评价二冲程发动机换气效果常用如下三个指标。１.扫气系数ϕsϕs是换气后留在汽缸内的新鲜充量的质量m1与换气后汽缸内气体的总质量m0之比，即:式中:mr——扫气后缸内残余废气的质量。２.过量扫气系数(给气比)ϕkϕk是扫气中所用新气总质量mk与在大气状态充满汽缸工作容积Vs的新气质量ms之比，即:ϕk=mk/msϕk表示向汽缸供给新气的多少，ϕk小，说明消耗的新气量少，压气机的耗功也小。３.给气效率ηtηt是换气后留在汽缸内的新气质量m1与每循环供给的新气质量mt之比，即:ηt=m1/mt它从数量上说明新气流失量的多少，改善换气效果最有效的办法是进行换气试验，从中找出最佳的结构方案。目前汽车、拖拉机二冲程发动机参数的大致范围是:扫气压力Pk=

125~196kPa过量扫气系数ϕk=1.2

~1.5(曲轴箱换气，ϕk为0.5~0.9)。扫气系数ϕs直流0.8~0.95，回流0.8~0.9，曲轴箱换气0.72

~0.8。五、二冲程发动机的应用和发展由于二冲程发动机是曲轴每转一圈做功一次，与同转速的四冲程发动机相比，单位时间内的工作循环次数提高一倍，所以在相同功率下，二冲程机的外形尺寸小，质量轻，这是它的最大优点，但因缸壁上开有气口，有部分损失容积，加之换气效果较差，带动扫气泵需要消耗有效功，故二冲程机的升功率比四冲程机仅大50％~70％。二冲程机转矩的周期性波动较小，当要求飞轮旋转的不均匀度相同时，其飞轮尺寸、质量要比同缸数的四冲程机小。二冲程机的缺点是换气效果较差，新鲜充量与废气容易相混，残余废气系数大，致使其经济性、ＨＣ、排烟等性能均不如四冲程机，在相同额定工况时，二冲程汽油机的燃油消耗率比四冲程机高20％~30％，部分负荷时燃油消耗率更高。由于与同转速的四冲程机相比，单位时间内的燃烧次数提高一倍，故燃烧噪声大，NOx排放量高，且热负荷高，冷却困难，容易出现排气口处和活塞顶局部过热，喷油孔堵塞，针阀咬死，甚至活塞拉缸等现象。为了发挥其优点，解决存在的问题，近年来，国内外对中、小型二冲程发动机进行了大量的试验研究，采用新技术、新材料、新工艺，使其实用化前景十分可观。日本丰田汽车公司除研制出S-2型二冲程直列六缸水冷汽