二沖程汽油機(jī)工作原理[65頁(yè)]

1、二沖程汽油機(jī)工作原理,1,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,2,汽油機(jī)工作原理及其關(guān)鍵部件,3,內(nèi)燃機(jī)分類(lèi),4,發(fā)動(dòng)機(jī)基本術(shù)語(yǔ) (1),基本術(shù)語(yǔ) 上止點(diǎn)，Top Dead Center, TDC 下止點(diǎn)， Bottom Dead Center, BDC,5,發(fā)動(dòng)機(jī)基本術(shù)語(yǔ) (2),壓縮比，Compression ratio, CR,6,發(fā)動(dòng)機(jī)基本術(shù)語(yǔ) (3),曲軸箱壓縮比 k k=(Vk+Vs)/Vk Vk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。,7,四沖程發(fā)動(dòng)

2、機(jī)與二沖程發(fā)動(dòng)機(jī),8,四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理,9,四沖程發(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(guò)程,四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程,10,活塞,活塞,活塞,活塞,進(jìn)氣,壓縮,作功,排氣,二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體基本構(gòu)造,11,二沖程發(fā)動(dòng)機(jī),12,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)。,二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán),13,二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程,14,二沖程內(nèi)燃機(jī)同樣具有進(jìn)氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣過(guò)程，這些過(guò)程只用兩個(gè)活塞行程來(lái)完成，其中差別最大的是換氣過(guò)程。在膨脹行程的末期，活塞下

3、行首先打開(kāi)排氣口，開(kāi)始排氣，而后掃氣口開(kāi)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(kāi)始，依次將掃氣口和排氣口關(guān)閉，換氣過(guò)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。,進(jìn)氣過(guò)程,進(jìn)氣方式： 對(duì)稱(chēng)進(jìn)氣 i1 = i2 利用活塞閥控制的曲軸箱進(jìn)氣; 曲軸箱進(jìn)氣口開(kāi)啟角和關(guān)閉角對(duì)稱(chēng)于上止點(diǎn); 非對(duì)稱(chēng)進(jìn)氣 i1 i2 簧片閥式,15,對(duì)稱(chēng)進(jìn)氣相位圖,簧片閥進(jìn)氣方式,在進(jìn)氣道中安裝一個(gè)單向簧片閥,16,1e40f-6發(fā)動(dòng)機(jī),17,簧片閥進(jìn)氣特點(diǎn),i1 i2且i1 i2 。 中低

4、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。,18,進(jìn)氣過(guò)程衡量指標(biāo),給氣比 衡量曲軸箱進(jìn)氣過(guò)程的主要指標(biāo)是給氣比 。 也稱(chēng)掃氣過(guò)量空氣系數(shù)。 =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 由于是衡量進(jìn)入曲軸箱的新氣量的多少， 愈大動(dòng)力性愈好。,19,影響換氣的部件及其參數(shù),影響換氣過(guò)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,20,氣口尺寸,a曲線表示因氣口尺寸過(guò)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(guò)

5、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(kāi)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低最大。 曲線(c)表示氣口尺寸過(guò)小。在IC因尺寸過(guò)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，故給氣比也較小。,21,氣口形狀,在同樣的氣口面積下,高度小，寬度大的氣口大。反之，高度大，寬度小則在所有的轉(zhuǎn)速下都低。 一種氣口尺寸僅對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速過(guò)高和過(guò)低都會(huì)使給氣比降低。因此，在選擇氣口尺寸時(shí)應(yīng)根據(jù)該發(fā)

6、動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速選擇。,22,二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)掃氣泵,二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過(guò)程的特點(diǎn)是進(jìn)、排氣過(guò)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(guò)程很短，為130150曲軸轉(zhuǎn)角，大約是四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過(guò)程的1/3左右。因此，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過(guò)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。,23,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(guò)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)

7、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（ e k = 1.3 1.55 ），這種掃氣泵的充氣效率低，掃氣壓力pk低，約為108 k Pa 。,24,掃氣泵形式（2）,設(shè)置專(zhuān)門(mén)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 = 109 150 k Pa ，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)。,25,帶掃氣泵的柴油機(jī),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 = 140200 k Pa，根據(jù)需要，還可以提高掃氣壓力。用于

8、二沖程柴油機(jī)。,26,曲軸箱壓縮比,k高則高速 大。 k低則低速大。這是因?yàn)閗大，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，k大， max偏向高速。 k大低速 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k=1.251.4之間。,27,二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過(guò)程,二沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣過(guò)程分為三個(gè)階段 自由排氣階段 掃氣階段 額外排氣階段,28,自由排氣階段,自由排氣階段 排氣口開(kāi)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 60 75(CA )開(kāi)啟，排氣口剛開(kāi)啟時(shí)，氣缸壓力較高，約為300 600 kPa，壓力比p/pr超過(guò)1.

9、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(wú)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(guò)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。,29,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(kāi)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(kāi)度均較大，掃氣氣流經(jīng)過(guò)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。,30,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

10、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(chēng)為過(guò)后充氣階段。,31,理想掃氣模式,完全掃氣(perfect scavenging) 完全掃氣也稱(chēng)排擠掃氣或稱(chēng)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) =l時(shí)， s =100%，在掃氣曲線上為一傾斜45的直線。,32,完全混合掃氣(perfect mixing scavengin

11、g) 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(lái)實(shí)現(xiàn)，故也稱(chēng)稀釋掃氣，如圖曲線2所示。,33,短路掃氣 掃氣空氣毫無(wú)掃氣作用立即從排氣口排出。它在掃氣曲線上為s等于零的一條橫線曲線3。,34,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。,35,掃氣形式,廢氣和新鮮充量在氣缸中的流動(dòng)方式稱(chēng)為掃氣形式，也對(duì)換氣過(guò)程的效果起著重要作用。 掃氣形式有以下幾種基本類(lèi)型： 橫流掃氣 回流掃氣 直流掃氣,36,橫流

12、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(chēng)，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。,37,回流掃氣,掃氣口不是正對(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(chēng)，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。,38,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(chēng)換氣，使排氣門(mén)

13、關(guān)閉較早，以實(shí)現(xiàn)過(guò)后充氣。 掃氣效果最好。 結(jié)構(gòu)復(fù)雜。,39,氣門(mén)氣口式,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,40,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s下降； 掃氣道仰角：一般在20以?xún)?nèi)。 水平夾角及焦距： 掃氣道形狀：無(wú)氣流分離，如漸縮型氣道。,41,二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過(guò)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

14、量經(jīng)過(guò)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(guò)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。,42,二沖程發(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(lèi)損失等原因，這一數(shù)值約為1.51.7倍左右； 沒(méi)有單獨(dú)的換氣過(guò)程，利用掃氣將燃燒廢氣掃

15、出，不可避免存在新鮮混合氣損失，未燃HC排放高。,43,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(guò)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(guò)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。,44,汽油機(jī)排放污染物生成機(jī)理,45,主要污染物,46,CO的生成機(jī)理,CO是燃料在燃燒過(guò)程中生成的中間產(chǎn)物； 燃料燃燒過(guò)程中局部空間和

16、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(guò)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(guò)短；,47,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(chēng)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(lái)源）： 燃燒過(guò)程中空氣中的O2與N2反應(yīng)生成NO（ Zeldovich鏈反應(yīng)機(jī)理） O22O，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

17、NO(5%)：空氣中的N2通過(guò)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NO,48,HC生成機(jī)理及排放,排氣：在缸內(nèi)工作過(guò)程中生成并隨排氣排出，稱(chēng)為HC的排氣排放物，主要是在燃燒過(guò)程中未來(lái)得及燃燒或未完全燃燒的燃料或潤(rùn)滑油。 壁面淬熄 狹隙效應(yīng) 潤(rùn)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(guò)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(chē)后進(jìn)氣管中的油

18、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(chēng)為蒸發(fā)排放物。 換氣過(guò)程（二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)）,49,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 SO3 2SO2 +O2 2SO3,50,主要污染物生成影響因素,燃燒室結(jié)構(gòu) 過(guò)量空氣系數(shù) 點(diǎn)火提前角,51,二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)排放特點(diǎn)及主要影響因素,52,小通機(jī)分類(lèi)及排放法規(guī),53,EPA 3階段排放法規(guī)限值,EPA 發(fā)動(dòng)機(jī)分類(lèi)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,二沖程汽油機(jī)主要污染物,NOx比例?。?濃混合氣的使用 HC比例高：掃氣過(guò)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UHC,54,二沖程汽油機(jī)UHC主要來(lái)源,燃燒產(chǎn)生的UHC大概為300400ppm，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(lái)自于掃氣過(guò)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310倍。,55,換氣過(guò)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