二衝程發動機掃氣

發動機排出廢氣和充入新鮮空氣或可燃混合氣的全過程叫換氣（gasexchange）過程。沒有換氣過程，發動機不可能持續運轉。單位時間充入缸內的空氣或混合氣量（charge，簡稱充量）是決定發動機動力輸出“量”的因素。所以，換氣過程既是發動機工作過程不可缺少的組成部分，又是決定發動機動力、經濟性極為重要的環節。

二衝程發動機即在曲軸轉一圈（360°）的兩個衝程中完成一個工作循環的發動機，曲軸每轉一圈，發動機對外作功一次。

基本介紹

• 中文名：二衝程發動機掃氣
• 領域：二衝程發動機

換氣過程

圖1-1是曲軸箱掃氣式二衝程發動機換氣階段的結構參數與相位關係簡圖。這裡不討論曲軸箱內的工作過程，只簡要分析氣缸中的換氣情況。

氣缸中的換氣過程由活塞下行、排氣孔打開起，到活塞返回上行、排氣孔關閉時為止，即圖1-1（b）中oe到oc ，大約130～150°CA內完成。此過程可分為以下三個階段。

圖1-1曲軸箱掃氣式二衝程發動機的結構

曲軸箱掃氣式二衝程發動機相點陣圖

自由排氣階段

從排氣孔開啟的oe起，大約到掃氣孔開啟的os止。排氣孔剛打開時，缸內壓力約為0.3~0.6MPa，廢氣以音速流出，稍後變為亞音速自由排氣。到掃氣孔打開時，壓力已降到0.11~0. 13MPa，逐步過渡到強制排氣狀態。自由排氣階段時間很短，卻排出廢氣總量的70%80%。

強制充入階段

從掃氣孔開啟的os起，到掃氣孔關閉的od止。此階段利用掃氣方式將剩餘的20%~30%的廢氣強制排出缸外，同時也通過掃氣孔將曲軸箱內被活塞下行所壓縮的新鮮充量充入氣缸，完成向氣缸的充氣過程。也就是說，缸內的掃氣與進氣基本上是同步進行的。

補充階段

對於圖1-1所示曲軸箱掃氣式二衝程發動機，從掃氣孔關閉的od起，到排氣孔關閉的oc止，還要補充進行部分排氣。而對於圖3-1（c）所示的利用排氣門直流掃氣的二衝程發動機，可以使掃氣孔在排氣門關閉之後才關閉，這時，可以充分利用掃氣的慣性來補充進氣以提高進氣充量係數。

二衝程發動機的掃氣方式除了曲軸箱掃氣之外，還可以使用單獨的掃氣泵，強制從掃氣孔進氣。對於增壓二衝程發動機，可直接由壓氣機提供新鮮充量進行掃氣。

圖1-2二衝程發動機原理圖

掃氣基本形式

二衝程發動機主要有三種不同形式的掃氣系統或換氣方案，如圖3-1所示。

圖3-1二衝程發動機的換氣方案

橫流掃氣

橫流掃氣的特點是掃氣孔及排氣孔分別布置在氣缸的兩側，如圖3-1（a）所示。活塞頂與掃氣孔的傾斜角使氣流可掃到氣缸頂部，有利於減少殘餘廢氣。

橫流掃氣系統結構簡單，但換氣效果不佳。因為氣缸內易留掃氣死角，掃、排氣孔之間容易直通短路，排氣孔晚關也增加了新鮮充量的逸出。此外，兩側缸壁的熱負荷和受力（掃氣壓力）都不均勻。

回流掃氣

回流掃氣的特點是掃、排氣孔均布置在氣缸同側，如圖3-1（b）所示。掃氣孔的傾斜角使得掃氣氣流不僅縱向朝氣缸頂流動，橫向也沿缸壁轉彎而形成回流。回流掃氣的效果要比橫流掃氣好得多，同時又保留了結構簡單的優點，所以在小型發動機上用得較多。

直流掃氣

直流掃氣的特點是在缸蓋上設定排氣門以替代排氣孔，使掃氣氣流沿氣缸軸線運動，如圖3-1（c）所示，大大改善了換氣質量。掃氣孔沿切線排列，使得進入缸內的新鮮充量高速旋轉，形成“氣墊活塞”，既避免新鮮充量與廢氣的過多摻混，又向上加速推出廢氣，進一步改善換氣質量。此外，還可以選擇合適的排氣相位使排氣門早於掃氣孔關閉，以獲得補充進氣的效果。由於沿整個氣缸周邊都可以布置掃氣孔，在掃氣總截面積不變的條件下，可以多開孔而減小氣孔高度，從而減少了作功行程的損失。此種方式還使掃氣對活塞的冷卻均勻，受力也均衡。

直流掃氣的優點很多，但由於增設了排氣門機構，使得換氣系統複雜，發動機高度增加，故主要用於低速大功率二衝程柴油機。

性能特點

從以上對二衝程發動機換氣過程的描述可知，二衝程發動機與四衝程發動機有以下不同的性能特點。

（1）二衝程發動機進、排氣重疊期（掃氣期）可占換氣期的70%~80%，而換氣過程總持續角又比四衝程發動機小得多。以上兩點表明，二衝程發動機換氣時間短，新鮮充量與廢氣又長時同摻混，所以換氣質量不高，殘餘廢氣係數大，並且有大量新鮮充量流失。

（2）二衝程發動機由於在下止點前65~75°CA就開始排氣，所以膨脹作功到此基本終止（只保持低壓作功段）。這相當於有效作功行程減小，再加之掃氣要耗費較多的能量，所以其有效熱效率明顯低於四衝程發動機，燃料消耗率較高。

（3）二衝程發動機變工況運行時，換氣過程變化較大，易於偏離最佳化匹配狀態，所以二衝程發動機變工況運行時的性能較差。

（4）二衝程汽油機由於掃氣時新鮮充量逸出，不僅使燃油經濟性變差，也使未燃排HC放量增多。

以上性能特點表明，二衝程發動機雖然單位時間的作功次數比四衝程發動機多了一倍，但其動力性只增大50%~70%。一般地，二衝程低速柴油機多用於大型船舶和電站機組，而在比功率要求高而結構又要求緊湊的機車、摩托艇以及小型通用動力機械上，較多使用二衝程汽油機。近年來，二衝程汽油機取得了長足進步，如採用電控燃油噴射、缸內直接噴射等技術，使其燃油經濟性和排放性能有了很大改善，不少人正努力擴大其在汽車發動機中的套用。

影響因素

二衝程發動機常用下述三個指標來評定換氣質量。

掃氣係數

掃氣係數ϕ_s定義為換氣結束後，留在氣缸內新鮮充量的質量m1與缸內工質總質量m0之比值。

ϕ_s=m_1/m_0 =m_1/(m_1+m_r )=1/(1+ϕ_r )

式中，m_r和ϕ_r分別為殘餘廢氣質量與殘餘廢氣係數。這一指標直接反映了廢氣被清掃乾淨的程度，即掃氣質量的好壞。

過量掃氣係數

過量掃氣係數（給氣比）ϕ_b定義為每循環由掃氣孔流出新鮮充量的質量m_k與按氣缸排量計算的理論充量的質量m_s的比值。m's可按大氣壓力p0或掃氣壓力pk來計算。兩種m's是不一樣的，換算時應加以注意。ϕ_b=m_k/(m_s^’ )

這一指標反映了每循環消耗新鮮充量的多少。ϕ_b過大，表示耗氣量多，壓氣機消耗功率多，對二衝程汽油機也意味著經濟性下降。但是ϕ_b過小，必然影響掃氣係數ϕ_s（見圖4-1），也是不合理的。

充量係數

充量係數ϕ_c的定義與四衝程發動機相同，主要反映整個進氣過程（由大氣到缸內）組織的好壞。

理想的二衝程發動機換氣過程應使ϕ_s、ϕ_c儘可能大，而使ϕ_b適中。

掃氣係數ϕ_s既與掃氣形式緊密相關，也與掃氣量（給氣比ϕ_b）關係密切。圖4-1是不同掃氣形式下，ϕ_s隨ϕ_b的變化關係曲線。可見直流掃氣的效果最佳，而橫流掃氣的效果最差。

圖4-1各種掃氣形式的掃氣係數變化關係

二衝程發動機ϕ_c的影響因素，除與四衝程發動機相同外，掃氣質量(ϕ_s)和行程損失的大小（指掃、排氣孔使有效行程減小，見圖1-1上）也對有很大的影響。

車用二衝程發動機主要換氣參數的大致範圍是：掃氣壓力p_k=0.125~0.196MPa；過量掃氣係數（給氣比）ϕ_b=1.25~1.50（曲軸箱換氣時為0.5~0.9）；直流掃氣係數ϕ_s=0.8~0.95，回流掃氣ϕ_s=0.8~0.9，橫流掃氣ϕ_s=0.72~0.80。