二冲程发动机扫气过程的端口流动特性及计算

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：图7-25 二冲程发动机换气过程2.端口流动特性二冲程发动机没有进气门、排气门，仅在气缸壁上设置有进气口、排气口和扫气口，端口根据活塞的位置打开和关闭。图7-26 气缸端口的几何学形状二冲程发动机端口的通道面积随活塞的上下运动（位置）发生变化，因而定义动态流量系数进行相关计算。通过排气口的压力比变化很大，此值在排气减压排放期间大，但在扫气过程期间几乎为1。

大部分二冲程发动机是曲轴箱换气类型。换气过程是进入曲轴箱内的混合气（或空气）通过扫气口（扫气端口）引入气缸，然后燃烧气体通过排气口（排气端口）被排放的过程。此时，应尽可能减小进入气缸内的混合气直接通过排气口被排放，使其尽可能充满气缸。扫气的状态会受到扫气类型、活塞头部形状和端口位置的影响，此外会受到扫气压力、排气压力和旋转速度的影响。

1.扫气、排气口打开和关闭时期

活塞阀式二冲程发动机的扫气、排气口的打开和关闭时期是，由活塞打开和关闭在气缸壁上设置的端口的时期。曲轴箱二冲程发动机的正时线图和混合气交换过程时的流动成分如图7-25所示。

①排气口打开时期（EO）：当活塞从上止点开始下降到下止点前（BBDC）55°～65℃A时，排气口开始打开，气缸内的燃烧气体开始排放。这称为减压排放，气缸内压力会降低到周围压力。因此，二行程发动机的做功行程是活塞从上止点开始到排气口开始打开为止。

②扫气口打开时期（SO）：排气口打开开始5°～10℃A后，即下止点前（BBDC）50°～60℃A时扫气口开始打开，在曲轴箱内被压缩的新气（混合气或空气）开始进入气缸。此时，进入的新气边驱赶废气排放边进入，部分新气还通过排气口直接排放。如此，利用新气（或空气）驱赶排出气缸内燃烧废气的作用称为扫气。

③扫气口关闭时期（SC）：在扫气过程期间，曲轴箱与气缸内的压力成为大气压，活塞开始上升运动，在约下止点后（ABDC）55℃A时关闭扫气口，结束扫气过程。在扫气过程末期，因气缸内压力高，曲轴箱内的压力低，气缸内的混合气（新气+残留废气）可能会逆流到曲轴箱内。

④排气口关闭时期（EC）：扫气口关闭后，在约下止点后（ABDC）60℃A时排气口关闭，开始压缩气缸内的混合气。

⑤进气口打开时期（IO）：活塞继续上升，气缸内的气体继续被压缩，曲轴箱内压力进一步降低。此时，进气口（曲轴箱端口）在约上止点前（BTDC）60℃A打开，混合气进入曲轴箱。

⑥点火（或喷射）通常在上止点前（BTDC）10°～40℃A时发生。点火后活塞继续上升直到上止点为止持续做压缩功。做功行程是活塞从上止点位置下降开始持续到排气口打开为止。

⑦进气口关闭时期（IC）：进气口在约上止点后（ATDC）60℃A时关闭。曲轴箱内的压力虽然比大气压略微低一些，但在进气口关闭前，在活塞下降的情况下少量的气体会漏出。

簧片阀式二冲程发动机采用簧片阀替代进气口。这种发动机因没有进气口，正时线图会变得简单一些，如图7-25a所示。尤其是，簧片阀的打开时期（IO）和关闭时期（IC）不依靠活塞，而可以设计为以不同的方式控制开闭。即，把簧片阀在扫气口关闭后打开，并在活塞上止点附近关闭。此外，也不存在随着活塞的上升而向曲轴箱内逆流现象。转阀式二冲程发动机采用盘式阀替代簧片阀。转阀式也与簧片阀式相似，气门正时不必与上止点对称，因此与曲轴箱换气式不同。

图7-25 二冲程发动机换气过程

2.端口流动特性

二冲程发动机没有进气门、排气门，仅在气缸壁上设置有进气口、排气口和扫气口，端口根据活塞的位置打开和关闭。因此，为了使气缸能经得住爆发压力，润滑正常，并避免损伤活塞环，这些端口不能做得很大。通常，端口面积占气缸壁面积的60%～70%。

通过各端口（孔）的气体质量流量，与四冲程发动机类似，由式（7.6）可知，受到面积、流量系数和压力比（或速度）等的影响。

因二冲程发动机的端口位于气缸壁上，端口的形状会影响容积效率（或质量流量）。这与四冲程发动机的气门和端口形状影响容积效率的情况相同。气缸端口的几何学形状如图7-26所示。参考此图，当活塞端口完全打开时，有效流动面积A可以用下式进行计算：

A=BH-0.86r² （7.35）

端口被活塞部分关闭时，有效流动面积式为

A=bh-0.43r² （7.36）

式中，B、H分别为端口的横向和纵向长度；b、h分别为端口被打开时的横向长度和纵向长度；r为端口边缘的曲率半径。

图7-26 气缸端口的几何学形状

二冲程发动机端口的通道面积随活塞的上下运动（位置）发生变化，因而定义动态流量系数进行相关计算。二冲程发动机改变进气口形状、压力（压力差）、转速等参数求得的动态平均流量系数C_D，m如图7-27a所示。可以看出，动态平均流量系数通常随转速（或打开和关闭速度）的增加而减小。把这用理论进气速度u₂与进气口打开时的活塞平均速度u_p的比值进行整理，如图7-27b所示，与压力差（p₁-p₂）无关显示在1个曲线上部，动态平均流量系数C_D，m受到u₂/u_p的支配。如果此值较大，动态平均流量系数C_D，m可以接近静态平均流量系数C_S，m的0.72倍。此值远大于锥形气门的动态平均流量系数。

通过排气口的压力比变化很大，此值在排气减压排放期间大，但在扫气过程期间几乎为1。

图7-27 动态流量系数检测值

二冲程发动机扫气过程的端口流动特性及计算

相关推荐