二冲程汽油机工作原理课件

二冲程汽油机工作原理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主要内容汽油机工作原理及其关键部件2汽油机工作原理及其关键部件3汽油机工作原理及其关键部件3内燃机分类内燃机水冷发动机风冷发动机内燃机内燃机内燃机四冲程发动机二冲程发动机汽油发动机柴油发动机单缸发动机多缸发动机化油器式发动机电控喷射式发动机

内燃机单列式发动机双列式发动机4内燃机分类内燃机水冷发动机风冷发动机内燃机内发动机基本术语(1)基本术语上止点，TopDeadCenter,TDC下止点，BottomDeadCenter,BDC5发动机基本术语(1)基本术语5发动机基本术语(2)压缩比，Compressionratio,CR6发动机基本术语(2)压缩比，Compressionrat发动机基本术语(3)曲轴箱压缩比

εkεk=(Vk+Vs)/VkVk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发动机基本术语(3)曲轴箱压缩比εk7四冲程发动机与二冲程发动机8四冲程发动机与二冲程发动机8四冲程发动机工作原理四冲程发动机：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9四冲程发动机工作原理四冲程发动机：活塞往复四个冲程完成一个循四冲程发动机工作过程活塞活塞活塞活塞进气压缩作功排气10四冲程发动机工作过程活塞活塞活塞活塞进气压缩作功排气10二冲程发动机机体基本构造11二冲程发动机机体基本构造11二冲程发动机第一冲程：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。12二冲程发动机第一冲程：压缩、进气第二冲程：做功、排气两个活塞二冲程发动机工作循环13二冲程发动机工作循环13二冲程发动机工作过程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。14二冲程发动机工作过程二冲程内燃机同样具有进气、压缩、燃烧、膨进气过程进气方式：对称进气θi1=θi2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θi1≠θi2簧片阀式对称进气相位图15进气过程进气方式：对称进气相位图15簧片阀进气方式在进气道中安装一个单向簧片阀16簧片阀进气方式在进气道中安装一个单向簧片阀161e40f-6发动机171e40f-6发动机17簧片阀进气特点θi1≠θi2且θi1>θi2。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，结构稍复杂。18簧片阀进气特点θi1≠θi2且θi1>θi2。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β

。也称扫气过量空气系数。β=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β是衡量进入曲轴箱的新气量的多少，β愈大动力性愈好。

19进气过程衡量指标给气比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：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β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β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β也较小。

21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到上气口形状在同样的气口面积下,高度小，宽度大的气口β大。反之，高度大，宽度小则在所有的转速下β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β降低。因此，在选择气口尺寸时应根据该发动机的转速选择。

22气口形状在同样的气口面积下,高度小，宽度大的气口β大。反之，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130°～150°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压缩比有关。曲轴箱容积大，故压缩比低（ek=1.3~1.55），这种扫气泵的充气效率低，扫气压力pk低，约为108kPa

。24扫气泵形式（1）曲轴箱作扫气泵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=109～150kPa

，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。带扫气泵的柴油机25扫气泵形式（2）设置专门扫气泵带扫气泵的柴油机25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=140～200kPa，根据需要，还可以提高扫气压力。用于二冲程柴油机。26扫气泵形式（3）废气涡轮增压做扫气泵26曲轴箱压缩比εk高则高速

β大。εk低则低速β大。这是因为εk大，曲轴箱的压力变化大，各气口前后压差大，气流运动加快，εk大，βmax偏向高速。εk大低速

β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εk=1.25～1.4之间。27曲轴箱压缩比εk高则高速β大。εk低则低速β大。这是因为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28二冲程发动机换气过程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60º~75º(CA

)开启，排气口刚开启时，气缸压力较高，约为300~600kPa，压力比p/pr超过1.9，是超临界排气。在该阶段，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自由排气阶段自由排气阶段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扫气阶段扫气阶段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额外排气阶段额外排气阶段31理想扫气模式完全扫气(perfectscavenging)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β=l时，ηs=100%，在扫气曲线上为一倾斜45°的直线。32理想扫气模式完全扫气(perfectscavenging)完全混合扫气(perfectmixingscavenging)

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，废气浓度逐渐稀释来实现，故也称稀释扫气，如图曲线2所示。

33完全混合扫气(perfectmixingscavengi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ηs等于零的一条横线曲线3。34短路扫气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，也对横流扫气扫气口和排气口沿着气缸圆周布置，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横流扫气扫气口和排气口沿着气缸圆周布置，各在相对的一侧，扫气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。3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。扫气效果最好。结构复杂。

气门气口式39直流扫气气门气口式39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扫气效果评价参数扫气系数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ηs下降；扫气道仰角γ：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。

42二冲程发动机换气过程特点换气时间短，换气质量差。在扫气期间，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1.5~1.7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排放高。43二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其他关键部件及其对发动机性能影响散热片44汽油机排放污染物生成机理45汽油机排放污染物生成机理45主要污染物46主要污染物46CO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；47CO的生成机理CO是燃料在燃烧过程中生成的中间产物；47NOx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）O2↔2O，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NO48NOx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排放物，称为蒸发排放物。换气过程（二冲程发动机）49HC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↔SO2

SO2+O2↔SO32SO2+O2↔2SO350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主要污染物生成影响因素燃烧室结构51二冲程发动机排放特点及主要影响因素52二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EPA3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53小通机分类及排放法规EPA3阶段排放法规限值EPA发动机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UHC54二冲程汽油机主要污染物NOx比例小：浓混合气的使用54二冲程汽油机UHC主要来源燃烧产生的UHC大概为300～400ppm，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3~10倍。55二冲程汽油机UHC主要来源燃烧产生的UHC大概为300～40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57二冲程汽油机排放的关键控制参数气道仰角57气道仰角决定了新鲜混合气