分層掃氣小型二沖程汽油機結(jié)構(gòu)設(shè)計與開發(fā)

劉永根 楊慧明 宋雄偉 楊威 張巍 劉毅

摘要：通過國際合作引進先進設(shè)計理念，對化油器、進氣管、活塞、氣缸、配氣相位等進行全新設(shè)計，成功開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代分層掃氣小型二沖程汽油機，采用純空氣在空間上先行掃氣，然后新鮮混合氣依次跟進掃氣的方式，避免掃氣過程中新鮮混合氣的短路損失而造成油耗升高及排放污染現(xiàn)象，無需增加觸媒等后處理裝置，經(jīng)臺架性能及耐久試驗后，滿足現(xiàn)階段排放法規(guī)要求。

Abstract： Through the international cooperation to introduce advanced design concept， the carburetor， air inlet pipe， the piston and cylinder， with gas phase， such as a new design， successfully developed with independent intellectual property rights of a new generation of stratified scavenging of small two-stroke gasoline engine， using pure scavenging air in space， and then fresh mixture， in turn， follow up scavenging way， It can avoid fuel consumption increase and emission pollution caused by short circuit loss of fresh mixture in scavenging process， and no need to add catalyst and other post-treatment devices. After the performance and durability test of the bench， it can meet the requirements of current emission regulations.

關(guān)鍵詞：分層掃氣;結(jié)構(gòu)設(shè)計;性能測試

Key words： stratified scavenging;structural design;performance test

中圖分類號：F407.471? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0034-03

0? 引言

小型二沖程汽油機由于其結(jié)構(gòu)緊湊、操作輕便、功重比高、生產(chǎn)和維護成本低等特點，廣泛應(yīng)用于農(nóng)林機械、園藝綠化、航模發(fā)動機等需要動力性能強勁并且輕巧便于攜帶使用的領(lǐng)域。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前國內(nèi)通用小型二沖程汽油機年產(chǎn)量約占同期全球同類發(fā)動機總產(chǎn)量的40%以上。但其掃氣過程中短路損失造成大量的新鮮混合氣直接從排氣口流失，造成油耗升高并且排放尾氣中含有大量的碳氫化合物HC和一氧化碳CO等有害物質(zhì)，已成為大氣的主要污染源之一[1]。歐美發(fā)達國家不斷實施日益嚴格的排放法規(guī)，美國EPA早在上世紀九十年代就最先實施了通用小型汽油機的排放法規(guī)，目前已是第三階段要求;歐盟也在2017年實施了第五階段排放法規(guī)。常規(guī)的小型二沖程汽油機尾氣排放已越來越難以滿足日益嚴苛的法規(guī)要求。

LCS45I機型的研制，提供了一種高效率低排放的時間分層掃氣小型二沖程汽油機。利用純空氣在空間上先行掃氣，然后新鮮混合氣依次跟進掃氣。通過組織合理的進掃氣流，首先把進氣系統(tǒng)分成兩部分，一路純空氣通過雙腔化油器的上腔通道在掃氣口附近被吸入儲氣通道，另一路新鮮混合氣通過雙腔化油器的下腔直接進入曲軸箱[2];換氣過程開始后，位于儲氣通道前端的純空氣被在曲軸箱內(nèi)預(yù)壓縮的新鮮混合氣先擠壓流入氣缸內(nèi)清掃廢氣，而后新鮮混合氣才流入氣缸，利用時間上的先后在缸內(nèi)形成分層流動。即利用純空氣將新鮮混合氣與廢氣隔離開，阻止新鮮混合氣直接從排氣口流出，這樣大大減少了新鮮混合氣的逃逸;同時優(yōu)化了減少了掃氣口與排氣口的高度差，在避免廢氣從掃氣口倒流入曲軸箱的情況下，增加有效行程，來提高功率以及減少有害物排放;另一方面，汽油機在怠速工況時，雙腔化油器的上腔通道始終處于關(guān)閉狀態(tài)，只打開下腔通道，保持了怠速性能穩(wěn)定，加速性能好。在此基礎(chǔ)上降低了HC和CO排放值，無需增加排氣后處理裝置即能滿足法規(guī)要求，最終實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。整機結(jié)構(gòu)緊湊、經(jīng)久耐用同時又具備高功率、低排放的特點。

1? LCS45I分層掃氣汽油機主要技術(shù)參數(shù)

主要技術(shù)參數(shù)見表1。

2? 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

整機為單缸、分層掃氣、二沖程、風冷型式，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，詳見圖1。

2.1 氣缸

汽缸內(nèi)壁區(qū)別傳統(tǒng)的一個進氣口的模式，專門設(shè)計兩個進氣口，即雙腔進氣系統(tǒng)，一個吸入純空氣，另一個吸入新鮮混合氣;增加了進氣量，提高了換氣效率。同時減少了從排氣口到掃氣口的高度，活塞上行時，氣缸內(nèi)壁上從掃氣口關(guān)閉到排氣口關(guān)閉這段距離，它是靠活塞上行強制把充量排出，這時由于進氣已結(jié)束，氣缸中大量的新鮮混合氣也隨廢氣一起被排出，導致油耗增加，同時使HC排放增加，因此這段愈少愈好。另外，優(yōu)化布置掃氣道結(jié)構(gòu)形式，采用雙通道掃氣道結(jié)構(gòu)，分別是截面積大小和角度不同的主副掃氣道;附加獨立的左右側(cè)蓋，保持彎道引導掃氣氣流首先沖向排氣口對面的氣缸壁，在缸壁的導引下折向向上，再沿著燃燒室頂部折轉(zhuǎn)向下，流向排氣口。增大了掃氣截面和更好的組織了掃氣氣流，避免了短路掃氣損失。該氣缸結(jié)構(gòu)新穎，性能可靠，不僅達到減少尾氣排放和滿足排放法規(guī)的要求，而且降低了氣缸的工作溫度并提高了小型汽油機的功率，氣缸結(jié)構(gòu)詳見圖2。

2.2 活塞

活塞區(qū)別傳統(tǒng)的光滑圓柱型式，在滿足結(jié)構(gòu)強度的基礎(chǔ)上，活塞裙部兩側(cè)分別設(shè)計專門的純空氣通道和儲氣型腔，并與掃氣口及雙腔化油器及進氣管配合形成純空氣通道?；钊共棵鎸飧走M氣口的位置的純空氣內(nèi)存室與氣缸進氣口的純空氣通道連接，并通過左右空氣通道與活塞裙部的左右儲氣室相互聯(lián)通。當活塞在氣缸內(nèi)向上運動在曲軸箱內(nèi)產(chǎn)生的負壓吸入純空氣時，進過上述通路首先到達左右儲氣后進入氣缸內(nèi)壁的左右儲氣通道上端;負壓同時吸入新鮮混合氣進入曲軸箱，然后到達氣缸內(nèi)壁的左右儲氣通道上端。因此，純空氣和新鮮混合氣分層儲存，當發(fā)動機燃燒作功后，活塞下移，曲軸箱壓力增加將左右儲氣通道上端的純空氣擠壓進入燃燒室，對廢氣先行掃氣，其次新鮮混合氣才跟進進入燃燒室，避免了新鮮混合氣的短路損失，降低油耗的同時也減少了有害物的排放，活塞結(jié)構(gòu)詳見圖3。

2.3 配氣相位

利用活塞頂面開關(guān)排氣口和掃氣口，所以這兩個換氣口的開關(guān)時間只與它們的上沿位置有關(guān);排氣口距離氣缸頂面的距離十分重要，一般認為這個距離越短越有利于提高發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，因為在高速時，清除廢氣的時間變短，提前開啟，也就加長了排氣和掃氣時間。與此同時，利用活塞裙部下沿開關(guān)進氣口，進氣口的開關(guān)時間只與它的下沿有關(guān);從進氣口下沿到氣缸頂面的距離也是一個重要尺寸，一般認為這個尺寸越大或活塞裙部越短越有利于提高發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，因為高速時進氣時間變短，提前開啟，也就增加了進氣時間。為了提高充氣效率，獲得最大功率與最大扭矩，同時兼顧低速穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。經(jīng)過優(yōu)化試驗，最終確定排氣相位角127.3°，掃氣相位角88.9°，進氣相位角149.5°，配氣相位如圖4所示。

2.4 化油器和進氣管

化油器喉口部位放置一個水平隔板，連接油門和阻風門，在保證足夠的流通截面積的基礎(chǔ)上將喉口處圓形進氣通道分割為互不干涉的純空氣通道和新鮮混合氣通道兩部分，形成雙腔化油器結(jié)構(gòu)。與雙腔化油器對應(yīng)，進氣管也一分為二，形成彼此獨立的上、下型腔兩個通道，分別用于通過純空氣和新鮮混合氣;當活塞向上止點運動時，氣缸上部燃燒室里的混合氣開始受壓，活塞下部封閉的曲軸箱容積增大，曲軸箱內(nèi)壓力迅速下降[3]，當上行到某一位置時，首先純空氣依次通過雙腔化油器的上腔通道和進氣管的上腔經(jīng)進氣口上腔，然后通過活塞裙部的純空氣通道進入儲氣型腔;而儲氣型腔與氣缸兩側(cè)的掃氣口聯(lián)通，實現(xiàn)了純空氣進入掃氣口上部的儲氣通道;其次活塞下邊緣打開進氣口，在內(nèi)外壓差的作用下，新鮮混合氣通過雙腔化油器的下腔和進氣管的下腔經(jīng)進氣口下腔直接進入曲軸箱，曲軸箱開始進新鮮混合氣。另外，在怠速工況下，純空氣通道一直處于關(guān)閉狀態(tài)，而只打開新鮮混合氣通道;使得汽油機怠速穩(wěn)定，加速性能好，可有效提高汽油機的功率，結(jié)構(gòu)詳見圖5。

3? 樣機測試

3.1 零部件檢測試驗

通過和美國公司的合作，完善了零部件的評價標準，編制了一套科學、合理、規(guī)范的檢驗指導書及判定規(guī)則，為產(chǎn)品檢驗提高了效率，減低了成本。

優(yōu)化了數(shù)字點火提前角測試系統(tǒng)，在磁電機測試臺上可以方便快捷的檢測出汽油機的點火提前角度，測試數(shù)據(jù)見表2。另外優(yōu)化了起動器試驗，設(shè)計了起動器耐久拉動專用臺架并實現(xiàn)自動控制，順利完成10000次起動耐久測試。

3.2 外特性與排放測試

LCS45I分層掃氣汽油機按照JB/T5135的各項規(guī)定，已經(jīng)通過企業(yè)產(chǎn)品定型檢驗，各項指標超出國家標準，排放符合GB26133-2010《非道路移動機械用小型點燃式發(fā)動機排放污染物排放限值與測量方法》的各項指標;在不加任何觸媒催化裝置的情況下符合美國EPA第三階段及歐Ⅴ排放標準。

3.3 模擬工況耐久試驗

在耐久測試臺架上，帶上模擬負載;按照高速40s，轉(zhuǎn)速控制在7800～8300rpm;怠速20s，轉(zhuǎn)速控制在2700～3300rpm;以此循環(huán)往復(fù)，耐久測試150h。發(fā)動機標定功率下降不超過0小時測定值的5%;發(fā)動機主要零部件（包括氣缸、活塞、活塞環(huán)、曲軸箱、曲軸連桿總成、飛輪、點火器、化油器、離合器、消音器等）未出現(xiàn)損壞或失效現(xiàn)象。與此同時，通過了振動試驗、超速試驗、突加（減）速試驗、噪音試驗、停機試驗等，強化了發(fā)動機的指標考核，使得產(chǎn)品更加成熟可靠。

4? 結(jié)論

①通過國際科技合作，研制出的新一代分層掃氣小型二沖程汽油機，通過對活塞及氣缸掃氣結(jié)構(gòu)型式的創(chuàng)新設(shè)計，合理組織掃氣氣流，用純空氣將新鮮混合氣與廢氣隔離開，阻止新鮮混合氣直接從排氣口流出，利用純空氣充當掃氣時的短路損失，避免部分新鮮混合氣直接排除機外，從而達到節(jié)油和降低尾氣中CO、HC等有害物質(zhì)排放的目的。②對氣缸上排氣口，掃氣口及進氣口進行優(yōu)化布置，同時配合活塞頂面及裙部尺寸，降低了發(fā)動機的排放及整機溫度，同時在避免廢氣從掃氣口倒流入曲軸箱的情況下，縮短掃排產(chǎn)，增加有效行程，來提高功率以及減少有害物排放;在不加任何觸媒催化裝置的情況下符合日益嚴苛的法規(guī)要求。③通過對曲軸箱體進行時效處理、離合器處選用高等級滾針軸承、化油器膜片材質(zhì)使用聚酯纖維、曲軸主軸頸位置布置儲油孔和輸出端控制螺紋退火距離等等優(yōu)化設(shè)計措施，提高了發(fā)動機的耐久使用壽命。

參考文獻：

[1]劉圣華，周龍保.內(nèi)燃機學[M].四版.北京：機械工業(yè)出版社，2017.

[2]文華，劉永長，魏明銳.二行程汽油機分層掃氣性能的數(shù)值模擬研究[J].車用發(fā)動機，2003（6）：25-28.

[3]劉長生.兩種小型二沖程汽油機的配氣方式及特點[J].小型內(nèi)燃機與摩托車，2011（5）：84-89.