二沖程汽油機(jī)工作原理

主要內(nèi)容汽油機(jī)工作原理及其關(guān)鍵部件汽油機(jī)主要污染物生成機(jī)理二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)排放特點(diǎn)及主要影響因素二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)降排路線分析1第一頁，共64頁。汽油機(jī)工作原理及其關(guān)鍵部件2第二頁，共64頁。內(nèi)燃機(jī)分類3內(nèi)燃機(jī)水冷發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃機(jī)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)單缸發(fā)動(dòng)機(jī)多缸發(fā)動(dòng)機(jī)化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)電控噴射式發(fā)動(dòng)機(jī)

內(nèi)燃機(jī)單列式發(fā)動(dòng)機(jī)雙列式發(fā)動(dòng)機(jī)第三頁，共64頁。發(fā)動(dòng)機(jī)基本術(shù)語(1)基本術(shù)語上止點(diǎn)，TopDeadCenter,TDC下止點(diǎn)，BottomDeadCenter,BDC4第四頁，共64頁。發(fā)動(dòng)機(jī)基本術(shù)語(2)壓縮比，Compressionratio,CR5第五頁，共64頁。發(fā)動(dòng)機(jī)基本術(shù)語(3)曲軸箱壓縮比

εkεk=(Vk+Vs)/VkVk為活塞位于下止點(diǎn)時(shí)曲軸箱容積；Vk+Vs(工作容積)為活塞位于上止點(diǎn)時(shí)曲軸箱容積。6第六頁，共64頁。四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)與二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)7第七頁，共64頁。四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理8四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)：活塞往復(fù)四個(gè)沖程完成一個(gè)循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)。四個(gè)循環(huán)：進(jìn)氣行程壓縮行程作功行程排氣行程四沖程汽油機(jī)的工作過程第八頁，共64頁。四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程9活塞活塞活塞活塞進(jìn)氣壓縮作功排氣第九頁，共64頁。二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體基本構(gòu)造10第十頁，共64頁。二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)11第一沖程：壓縮、進(jìn)氣第二沖程：做功、排氣兩個(gè)活塞行程內(nèi)，即曲軸旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間內(nèi)完成一個(gè)工作循環(huán)。第十一頁，共64頁。二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)12第十二頁，共64頁。二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程13二沖程內(nèi)燃機(jī)同樣具有進(jìn)氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣過程，這些過程只用兩個(gè)活塞行程來完成，其中差別最大的是換氣過程。在膨脹行程的末期，活塞下行．首先打開排氣口，開始排氣，而后掃氣口開啟，具有一定壓力的新鮮充量由掃氣口流人氣缸，并強(qiáng)迫廢氣由排氣口流出，進(jìn)行充量更換，然后，活塞到達(dá)下止點(diǎn)后又上行，在壓縮行程的開始，依次將掃氣口和排氣口關(guān)閉，換氣過程結(jié)束。新鮮充量由掃氣泵提供，掃氣泵的作用是對(duì)新鮮充量進(jìn)行壓縮，使其壓力提高后，再進(jìn)入氣缸。第十三頁，共64頁。進(jìn)氣過程進(jìn)氣方式：對(duì)稱進(jìn)氣θi1=θi2利用活塞閥控制的曲軸箱進(jìn)氣;曲軸箱進(jìn)氣口開啟角和關(guān)閉角對(duì)稱于上止點(diǎn);非對(duì)稱進(jìn)氣θi1≠θi2簧片閥式14對(duì)稱進(jìn)氣相位圖第十四頁，共64頁?；善y進(jìn)氣方式在進(jìn)氣道中安裝一個(gè)單向簧片閥15第十五頁，共64頁。1e40f-6發(fā)動(dòng)機(jī)16第十六頁，共64頁。簧片閥進(jìn)氣特點(diǎn)θi1≠θi2且θi1>θi2。中低速不會(huì)產(chǎn)生反噴，穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性好。由于在進(jìn)氣道中安裝簧片閥而存在阻力，高速充量比活塞閥式低，結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜。17第十七頁，共64頁。進(jìn)氣過程衡量指標(biāo)給氣比衡量曲軸箱進(jìn)氣過程的主要指標(biāo)是給氣比β

。也稱掃氣過量空氣系數(shù)。β=每循環(huán)供給的新氣質(zhì)量/在大氣狀態(tài)下氣缸工作容積Vs所占有的空氣質(zhì)量由于β是衡量進(jìn)入曲軸箱的新氣量的多少，β愈大動(dòng)力性愈好。

18第十八頁，共64頁。影響換氣的部件及其參數(shù)影響換氣過程的部件及其參數(shù)主要有：氣口尺寸形狀掃氣泵形式曲軸箱壓縮比·19第十九頁，共64頁。氣口尺寸a曲線表示因氣口尺寸過大而出現(xiàn)進(jìn)氣反噴。因從IO到上止點(diǎn)曲軸箱壓力很快達(dá)到大氣壓線(虛線)，當(dāng)活塞從上止點(diǎn)向下行走時(shí)多曲軸箱受壓縮，因氣口過大而未關(guān)故產(chǎn)生曲軸箱向進(jìn)氣管倒流，使IC點(diǎn)pk低，當(dāng)掃氣口剛打開時(shí)，氣缸內(nèi)壓力高于曲軸箱內(nèi)壓力，使得燃燒廢氣倒流入曲軸箱內(nèi)，掃氣不完全，給氣比β較小。曲線(b)表示對(duì)該轉(zhuǎn)速下，氣口尺寸適中。在IC點(diǎn)pk高，SC點(diǎn)pk低β最大。曲線(c)表示氣口尺寸過小。在IC因尺寸過小阻力大，pk上升慢，直到IC時(shí)pk還很低。在掃氣期間，其壓力下降也慢，直到掃氣口關(guān)閉(SC)時(shí)，壓力pk還很高，故給氣比β也較小。

20第二十頁，共64頁。氣口形狀在同樣的氣口面積下,高度小，寬度大的氣口β大。反之，高度大，寬度小則在所有的轉(zhuǎn)速下β都低。

一種氣口尺寸僅對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速過高和過低都會(huì)使給氣比β降低。因此，在選擇氣口尺寸時(shí)應(yīng)根據(jù)該發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速選擇。

21第二十一頁，共64頁。二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)掃氣泵二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程的特點(diǎn)是進(jìn)、排氣過程基本同時(shí)進(jìn)行，并利用新鮮充量掃除廢氣，所以，新鮮充量會(huì)與廢氣混合，廢氣排出不徹底，容易損失新鮮充量。如按曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)算，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程很短，為130°～150°曲軸轉(zhuǎn)角，大約是四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程的1/3左右。因此，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程的組織比較困難，其關(guān)鍵環(huán)節(jié)是掃氣泵和掃氣形式。為了利用新鮮充量掃除廢氣，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)必須設(shè)置掃氣泵，使新鮮充量壓力高于氣缸內(nèi)廢氣壓力。22第二十二頁，共64頁。掃氣泵形式（1）曲軸箱作掃氣泵

將曲軸箱封閉，利用活塞運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)曲軸箱進(jìn)氣過程，并壓縮曲軸箱內(nèi)氣體，提高其壓力，起到掃氣泵作用。曲軸箱內(nèi)最高壓力與曲軸箱壓縮比有關(guān)。曲軸箱容積大，故壓縮比低（ek=1.3~1.55），這種掃氣泵的充氣效率低，掃氣壓力pk低，約為108kPa

。23第二十三頁，共64頁。掃氣泵形式（2）設(shè)置專門掃氣泵

這種結(jié)構(gòu)二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的掃氣壓力pk適中，pk=109～150kPa

，因?yàn)椴幌Ｍ妮^多的功率驅(qū)動(dòng)掃氣泵，所以不采取較高掃氣壓力。因掃氣氣體損耗大，多用于二沖程柴油機(jī)。24帶掃氣泵的柴油機(jī)第二十四頁，共64頁。掃氣泵形式（3）

廢氣渦輪增壓做掃氣泵這種結(jié)構(gòu)二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)掃氣泵時(shí)不消耗額外功率，并和廢氣渦輪增壓技術(shù)相結(jié)合，故掃氣壓力較高，pk=140～200kPa，根據(jù)需要，還可以提高掃氣壓力。用于二沖程柴油機(jī)。25第二十五頁，共64頁。曲軸箱壓縮比εk高則高速

β大。εk低則低速β大。這是因?yàn)棣舓大，曲軸箱的壓力變化大，各氣口前后壓差大，氣流運(yùn)動(dòng)加快，εk大，βmax偏向高速。εk大低速

β小是因?yàn)閴翰畲笤斐蓽u流損失大，能量消耗大所致。增加曲軸箱的壓縮比受結(jié)構(gòu)的限制不可能太大，一般εk=1.25～1.4之間。26第二十六頁，共64頁。二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程二沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣過程分為三個(gè)階段自由排氣階段掃氣階段額外排氣階段27第二十七頁，共64頁。自由排氣階段自由排氣階段排氣口開啟到新鮮充量進(jìn)入氣缸，為自由排氣階段。排氣口一般在下止點(diǎn)前60o~75o(CA

)開啟，排氣口剛開啟時(shí)，氣缸壓力較高，約為300~600kPa，壓力比p/pr超過1.9，是超臨界排氣。在該階段，排氣流量與排氣管內(nèi)的氣體狀態(tài)無關(guān)，只取決于缸內(nèi)氣體的狀態(tài)和排氣口流通截面的大小。自由排氣階段是二沖程內(nèi)燃機(jī)換氣過程的最重要階段，也包括超臨界排氣和亞臨界排氣，排出大約70%~80%的廢氣。28第二十八頁，共64頁。掃氣階段掃氣階段

隨著活塞下行及廢氣迅速外流，缸內(nèi)氣體壓力驟降，可形成較高的真空，此時(shí)掃氣口開度也已加大，使新鮮充量急速流入氣缸。隨后，掃氣口與排氣口開度均較大，掃氣氣流經(jīng)過掃氣口進(jìn)入氣缸，將缸內(nèi)廢氣從排氣口壓向排氣管，實(shí)現(xiàn)掃氣。

29第二十九頁，共64頁。額外排氣階段額外排氣階段掃氣口關(guān)閉到排氣口關(guān)閉，為額外排氣階段。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)原因，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)掃氣口關(guān)閉時(shí)刻早于排氣口。在這一階段，由于活塞上行的排擠和排氣氣流的慣性作用，部分廢氣與新鮮充量的混合氣繼續(xù)排出，直到排氣口關(guān)閉為止。對(duì)于掃氣口關(guān)閉時(shí)刻晚于排氣口的發(fā)動(dòng)機(jī)而言，由于可以獲得新鮮充量的額外加入，故這一階段被稱為過后充氣階段。30第三十頁，共64頁。理想掃氣模式完全掃氣(perfectscavenging)完全掃氣也稱排擠掃氣或稱全驅(qū)掃氣。它是掃氣用新鮮氣進(jìn)入氣缸后不與廢氣混合，并將廢氣向前排擠，當(dāng)廢氣全部被排擠出排氣口時(shí)，新氣剛好到達(dá)排氣口。這種情況最為理想，流入氣缸的新氣體積等于被排擠出的廢氣體積。當(dāng)β=l時(shí)，ηs=100%，在掃氣曲線上為一傾斜45°的直線。31第三十一頁，共64頁。完全混合掃氣(perfectmixingscavenging)

掃氣用新氣進(jìn)入氣缸后，立即與氣缸中的廢氣均勻混合，從排氣口排出與進(jìn)氣量相等積體的混合氣。這種掃氣是靠新氣不斷流入，并不斷排出混合氣，從而使氣缸的混合氣中，廢氣濃度逐漸稀釋來實(shí)現(xiàn)，故也稱稀釋掃氣，如圖曲線2所示。

32第三十二頁，共64頁。短路掃氣

掃氣空氣毫無掃氣作用立即從排氣口排出。它在掃氣曲線上為ηs等于零的一條橫線曲線3。33第三十三頁，共64頁。實(shí)際掃氣方式上述三種標(biāo)準(zhǔn)掃氣型式都是理想化的，在實(shí)際二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)上是三種型式在一臺(tái)機(jī)子上交互存在而有所接近。34第三十四頁，共64頁。掃氣形式

廢氣和新鮮充量在氣缸中的流動(dòng)方式稱為掃氣形式，也對(duì)換氣過程的效果起著重要作用。掃氣形式有以下幾種基本類型：橫流掃氣回流掃氣直流掃氣35第三十五頁，共64頁。橫流掃氣掃氣口和排氣口沿著氣缸圓周布置，各在相對(duì)的一側(cè)，掃氣口沿圓周和氣缸中心線都有傾斜角，控制氣流方向，以提高換氣質(zhì)量。排氣、掃氣定時(shí)關(guān)于下止點(diǎn)對(duì)稱，掃氣口比排氣口先關(guān)，有額外排氣階段。在氣缸死角（圖中A區(qū)域）容易積存廢氣，容易出現(xiàn)新鮮充量短路，即新鮮充量直接從掃氣口流向排氣口，如圖中B路線。36第三十六頁，共64頁?；亓鲯邭鈷邭饪诓皇钦龑?duì)著排氣口設(shè)置，兩者常位于氣缸同側(cè)。掃氣口有傾斜角，以控制氣流方向。

掃、排氣定時(shí)對(duì)稱，產(chǎn)生額外排氣。克服橫流換氣中新鮮充量短路的現(xiàn)象，掃氣效果比橫流好。

37第三十七頁，共64頁。直流掃氣掃氣口沿切線方向排列，形成氣墊，沿氣缸軸線運(yùn)動(dòng)，將廢氣推出氣缸

。可以實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱換氣，使排氣門關(guān)閉較早，以實(shí)現(xiàn)過后充氣。掃氣效果最好。結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

38氣門氣口式第三十八頁，共64頁。掃氣效果評(píng)價(jià)參數(shù)掃氣系數(shù)為換氣后留在缸內(nèi)的新鮮氣質(zhì)量為換氣后留在缸內(nèi)氣體的總質(zhì)量39第三十九頁，共64頁。關(guān)鍵部件及其參數(shù)對(duì)掃氣的影響S/D的影響:在其它條件不變的情況下，S/D增加，掃氣效率下降；掃氣壓力的影響:掃氣壓力增壓，容易造成新氣與廢氣的混合，從而使掃氣效率下降；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n：

n增加，掃氣壓力增加，氣流紊流加劇，新氣與廢氣混合，掃氣效率ηs下降；掃氣道仰角γ：一般在20°以內(nèi)。水平夾角及焦距：掃氣道形狀：無氣流分離，如漸縮型氣道。40第四十頁，共64頁。二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程特點(diǎn)換氣時(shí)間短，換氣質(zhì)量差。在掃氣期間，將有較多的新鮮充量經(jīng)過排氣口直接流入到排氣管中，增加了新鮮充量的消耗量。進(jìn)排氣過程同時(shí)進(jìn)行，新鮮充量與廢氣易于摻混，殘余廢氣系數(shù)較大。掃氣消耗功大，再加上掃氣損失，其指示熱效率明顯低于四沖程內(nèi)燃機(jī)，因此燃油消耗率較高。排放高，對(duì)于化油器式二沖程汽油機(jī)而言，由于在掃氣期間有較多新鮮充量短路而直接流入排氣管，導(dǎo)致其未燃HC排放較高。

41第四十一頁，共64頁。二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作特點(diǎn)曲軸旋轉(zhuǎn)一周即為一個(gè)工作循環(huán)，壓縮和進(jìn)氣（新鮮混合氣進(jìn)入曲軸箱）為一個(gè)沖程，燃燒和排氣在一個(gè)沖程；理論上二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)功率是四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)功率的2倍，事實(shí)上，由于各類損失等原因，這一數(shù)值約為1.5~1.7倍左右；沒有單獨(dú)的換氣過程，利用掃氣將燃燒廢氣掃出，不可避免存在新鮮混合氣損失，未燃HC排放高。42第四十二頁，共64頁。其他關(guān)鍵部件及其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響散熱片散熱片多少、形狀及其分布直接影響冷卻效果，進(jìn)而影響進(jìn)氣密度和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性；冷卻空氣通過時(shí)，空氣阻力要求小，制造散熱片的材料要有良好的導(dǎo)熱性，散熱片要有一定的機(jī)械強(qiáng)度；通過CAE等現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段可以很方便的研究各參數(shù)對(duì)散熱性能的影響，從而達(dá)到擇優(yōu)的目標(biāo)。化油器空燃比影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、排放性和熱負(fù)荷，在一定程度上需要折中，需根據(jù)具體情況進(jìn)行空燃比調(diào)整匹配。

43第四十三頁，共64頁。汽油機(jī)排放污染物生成機(jī)理44第四十四頁，共64頁。主要污染物45第四十五頁，共64頁。CO的生成機(jī)理CO是燃料在燃燒過程中生成的中間產(chǎn)物；燃料燃燒過程中局部空間和瞬時(shí)存在下列條件之一，則CO不能繼續(xù)燃燒生成CO2而就被排出機(jī)外：反應(yīng)著的氣體溫度突然過低；反應(yīng)著的氣體突然缺乏氧化劑；反應(yīng)物停留在合適于反應(yīng)條件（如溫度和濃度等）的時(shí)間過短；46第四十六頁，共64頁。NOx生成機(jī)理空氣中的N2，在燃燒室內(nèi)由于高溫發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生NO及NO2，統(tǒng)稱氮氧化物（NOx），排氣中NO2濃度比NO低很多，大約占5%；熱NO（發(fā)動(dòng)機(jī)NO排放的主要來源）：

燃燒過程中空氣中的O2與N2反應(yīng)生成NO（Zeldovich鏈反應(yīng)機(jī)理）O2?2O，N2+O?NO+N，O2+N?NO+O，OH+N?NO+H

主要受以下因素影響：燃燒溫度混合氣濃度（氧含量）高溫下滯留時(shí)間

快速型NO(<5%)：空氣中的N2通過兩步反應(yīng)生成NO（Fenimore）,只發(fā)生在存在碳?xì)鋱F(tuán)的不完全燃燒區(qū)域，與溫度關(guān)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NO47第四十七頁，共64頁。HC生成機(jī)理及排放排氣：在缸內(nèi)工作過程中生成并隨排氣排出，稱為HC的排氣排放物，主要是在燃燒過程中未來得及燃燒或未完全燃燒的燃料或潤滑油。壁面淬熄狹隙效應(yīng)潤滑油膜的吸附和解吸燃燒室中沉積物的影響曲軸箱：從燃燒室通過活塞與氣缸之間的間隙漏入曲軸箱的竄氣，含有大量HC。蒸發(fā)：從汽油機(jī)和其他輕質(zhì)液體燃料點(diǎn)燃機(jī)的燃油系統(tǒng)，即從燃油箱、化油器、燃油管接頭等處以及停車后進(jìn)氣管中的油膜蒸發(fā)的燃油蒸氣，如果進(jìn)入大氣，同樣構(gòu)成HC排放物，稱為蒸發(fā)排放物。換氣過程（二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)）48第四十八頁，共64頁。硫氧化物生成機(jī)理燃油中約95%的硫都會(huì)釋放到空氣中，5%以硫酸鹽的形式存在于灰分或顆粒中。燃料S+O2?SO2

SO2+O2?SO32SO2+O2?2SO349第四十九頁，共64頁。主要污染物生成影響因素燃燒室結(jié)構(gòu)過量空氣系數(shù)點(diǎn)火提前角50第五十頁，共64頁。二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)排放特點(diǎn)及主要影響因素51第五十一頁，共64頁。小通機(jī)分類及排放法規(guī)52EPA3階段排放法規(guī)限值EPA發(fā)動(dòng)機(jī)分類方法目前，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)多用于手持式通機(jī)產(chǎn)品；CO能滿足排放法規(guī)要求；HC+NOX是主要控制對(duì)象第五十二頁，共64頁。二沖程汽油機(jī)主要污染物NOx比例?。簼饣旌蠚獾氖褂肏C比例高：掃氣過程中新鮮混合氣與廢氣摻混致使未燃混合氣直接排出二沖程汽油機(jī)控制關(guān)鍵在于UHC53第五十三頁，共64頁。二沖程汽油機(jī)UHC主要來源燃燒產(chǎn)生的UHC大概為300～400ppm，而通常排放中大概有1500（小負(fù)荷）~5000（大負(fù)荷）ppm的UHC,大部分來自于掃氣過程。二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的UHC大概是四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的3~10倍。54第五十四頁，共64頁。換氣過程中的UHC損失新鮮混合氣的短路損失（影響目前HC排放的主要因素）：混合于廢氣中由排氣道排出的新鮮混合氣；直接由排氣口逃逸的新鮮混合氣（氣道形狀及位置設(shè)計(jì)不佳時(shí)）；55第五十五頁，共64頁。二沖程汽油機(jī)排放的關(guān)鍵控制參數(shù)氣道仰角氣道參數(shù)