二沖程發(fā)動機機械增壓與曲軸箱增壓進排氣性能對比研究

陳龍華，許 敏，袁志遠，王 森

（上海交通大學汽車電子控制技術國家工程實驗室，上海 200240）

二沖程發(fā)動機做功頻率是四沖程發(fā)動機的2倍，并且一般掃氣道式二沖程發(fā)動機不需要正時、配氣等復雜機構，因而具有功率密度大、結構簡單、單位體積質量小等優(yōu)點，廣泛應用于軍用和民用領域。二沖程發(fā)動機一般采用進氣曲軸箱增壓輔以化油器、進氣道電噴或曲軸箱電噴的供油方式，這使得二沖程發(fā)動機研發(fā)中存在兩大技術難點。一是油耗高、排放差。由于二沖程發(fā)動機強制排氣過程中進排氣口會同時打開，一部分混合氣會隨著氣流從排氣管排出，形成未燃碳氫，不但增加了燃油消耗率，同時也使尾氣排放變差。二是潤滑困難。曲軸箱增壓方式不能采用濕式潤滑，一般需要將潤滑油摻入燃油，在曲軸箱內形成油霧潤滑，但潤滑油同時也會隨燃油一起進入氣缸燃燒，從而產(chǎn)生額外的非常規(guī)排放物（如硫化物）。一部分潤滑油還會在掃氣過程隨混合氣排出排氣管，形成顆粒排放物［1－2］。

隨著機械增壓技術和汽油缸內直噴技術［3－4］的發(fā)展，二沖程發(fā)動機的上述兩個弊端有了解決的可能。使用機械增壓，則曲軸箱內可以采用濕式潤滑，并且采用機械增壓方式后增壓比靈活可控，總給氣量可大幅超過氣缸容積，掃氣效率高。采用汽油缸內直噴技術，可避免燃油在掃氣過程排出排氣管，從而降低油耗、改善排放。

應用汽油缸內直噴技術改善二沖程發(fā)動機油耗和排放，國內外已經(jīng)有了大量理論和試驗研究。宋如鋼［5］等在1臺0.05L的曲軸箱增壓式二沖程發(fā)動機上進行了試驗，發(fā)現(xiàn)汽油缸內直噴技術最多可降低45%油耗，同時減少80%未燃碳氫排放。Oswald Roland［6］，Nishida Kenji［7］，Harker Nicholas［8］等都在曲軸箱增壓式二沖程發(fā)動機上證明了汽油缸內直噴技術可以大幅改善油耗和排放。已有的研究多集中在曲軸箱增壓式二沖程發(fā)動機，使用機械增壓取代曲軸箱增壓的研究卻罕見報道，特別是不同進氣增壓方式對二沖程發(fā)動機進排氣過程氣流壓力、速度、流量等行為特征的影響，目前尚無相關文獻報道。

本研究在1臺直列3缸二沖程0.75L排量汽油直噴發(fā)動機上，對比研究曲軸箱增壓和機械增壓兩種增壓方式對進排氣過程壓力波動、氣體流動和氣缸充氣過程的影響，揭示增壓方式對二沖程發(fā)動機進排氣行為特征影響機理，討論兩種增壓方式優(yōu)缺點，從而為二沖程發(fā)動機設計開發(fā)提供指導。

1 二沖程增壓發(fā)動機建模

本研究所用發(fā)動機基本結構參數(shù)見表1，其中θEPO表示排氣口打開角，θIPO表示進氣口打開角，θIPC表示進氣口關閉角，θEPC表示排氣口關閉角。使用發(fā)動機一維性能模擬軟件GT－Power V7.0搭建了仿真分析模型，包括曲軸箱增壓和機械增壓2個模型。

分析工況選擇 3000r／min，6000r／min 和9000r／min全負荷。為了便于對比，同一轉速下，曲軸箱增壓與機械增壓的充氣效率相同（分別為0.7939，0.8044和0.5312），空燃比均為理論空燃比。通過調節(jié)機械增壓模式的增壓比，實現(xiàn)與曲軸箱增壓模式相同有效進氣量，3個轉速下增壓比分別為1.150，1.650和1.358。

表1 發(fā)動機基本結構參數(shù)

2 增壓方式對二沖程發(fā)動機進排氣行為的影響機理

二沖程發(fā)動機的進排氣過程主要由進排氣掃氣口壓力與缸內瞬時壓力的差值推動。從一維N－S動量方程可知，氣體速度隨時間的變化率（即加速度）與壓力梯度正相關，即壓力升高則氣流加速度增大，壓力降低則氣流加速度減?。?－11］。因此，基于二沖程發(fā)動機進排氣掃氣口壓力與氣缸壓力的波動關系，可以分析出進排氣流動規(guī)律。本研究將首先對比分析不同增壓方式對二沖程發(fā)動機進排氣壓力波動過程影響，然后，在此基礎上討論進排氣流動過程差異，最后總結出不同進排氣過程引起的發(fā)動機性能變化。

2.1 增壓方式對進排氣壓力波動過程的影響

不同增壓方式下，二沖程發(fā)動機進氣壓力波動過程存在本質區(qū)別。圖1示出了兩種增壓方式下，進氣口及相鄰進氣道壓力波動隨時間變化過程。轉速升高，則每循環(huán)所占時間縮短，氣缸壓力波周期也相應變短。由圖1分析可知，曲軸箱增壓模式下，進氣過程只有一個波峰，該波峰由活塞下行壓縮曲軸箱引起，形成于曲軸箱內，其波幅取決于曲軸箱壓縮比，不受轉速影響。而機械增壓模式下，進氣過程存在多個波峰，這是由進氣管路頻譜特性引起的，波幅大小決定于機械增壓器增壓比。不同轉速下，對機械增壓模式進氣階段（θIPO到θIPC）有影響的波形數(shù)量不同。3000r／min工況有3個波峰影響進氣，而中高速工況有2個波峰影響進氣。

排氣壓力波動過程受增壓方式影響較小。圖2示出了兩種增壓方式下，排氣口及相鄰排氣道壓力波動隨時間變化過程。兩種增壓方式下，排氣壓力波動過程相似，這是因為排氣管路結構相同。隨著轉速升高，每循環(huán)所占時間縮短，波形數(shù)相應減少。兩種增壓方式下，多段排氣壓力波都會影響氣缸壓力波動過程。3000r／min工況有3個排氣壓力波峰影響氣缸壓力波，中高速工況有2個排氣壓力波峰影響氣缸壓力波。

2.2 增壓方式對進排氣壓差和流速的影響

根據(jù)以上壓力波動分析可知，不同增壓方式下，二沖程發(fā)動機進排氣流動過程會有明顯差異。圖3示出了兩種增壓方式下進排氣壓差對比曲線。其中進氣壓差由進氣口壓力減去氣缸壓力而得，排氣壓差為氣缸壓力減去排氣口壓力。圖4示出了兩種增壓方式下，進排氣口氣流速度對比曲線。

從圖3進氣壓差分析可知，進氣口打開后，兩種增壓方式都存在一段負進氣壓差，這是因為此時氣缸壓力高于進氣壓力，這將引起進氣口打開后的負進氣流速（見圖4），轉速越高，回流越嚴重。兩種增壓方式下，進氣正壓差主要集中在下止點之前。機械增壓模式在下止點之后的進氣正壓差過程比曲軸箱增壓模式更加顯著，特別在中高轉速工況。這是由兩種增壓方式不同的進氣壓力波動過程引起。因此，兩種增壓方式在下止點之后的進氣速度會有較大差異。這從圖4進氣流速曲線分析可知，曲軸箱增壓模式在下止點之后的進氣流速普遍較小，在中低轉速甚至會產(chǎn)生負進氣流速，缸內氣流運動強度會因此減弱，不利于直噴發(fā)動機噴霧混合；機械增壓模式在低速也存在θIPC時刻負進氣流速現(xiàn)象，但在中高轉速工況，進氣流速從下止點到θIPC一直持續(xù)增加，這將產(chǎn)生較強的缸內湍流強度，促進噴霧混合。

由于兩種增壓方式排氣壓力波動過程差別較小，因而排氣壓差和排氣流速也只有輕微差異，主要體現(xiàn)在下止點前后。機械增壓在下止點附近排氣正壓差弱于曲軸箱增壓，因而該期間排氣流速也小于曲軸箱增壓，引起缸內殘余廢氣率增加，產(chǎn)生內部EGR。低中高三個轉速下，機械增壓內部EGR率分別比曲軸箱增壓大19.4%，39.2%和19.2%。這有利于增加缸內混合氣溫度，加速直噴液滴蒸發(fā)；同時增加混合氣比熱容，提高熱效率。

2.3 增壓方式對進排氣流量特性的影響

根據(jù)上述進排氣流速分析可知，兩種增壓方式下進排氣流量特性也會有明顯差異。從圖5示出的進氣流量曲線可知，曲軸箱增壓模式下，大部分進氣充量在下止點之前進入氣缸，這將導致進入氣缸的混合氣在壓縮沖程被掃出排氣管，形成額外掃氣量；而機械增壓模式下，大部分進氣發(fā)生在下止點之后，不容易形成額外掃氣。從排氣流量曲線可知，下止點附近，曲軸箱增壓模式從氣缸流出的工質量大于機械增壓模式。這意味著需要更多的進氣量彌補因此帶來的充氣效率損失。低中高三個轉速下，機械增壓所需總進氣量分別比曲軸箱增壓少25.5%，11.6%和1.48%。

3 增壓方式對缸內有效進氣量和發(fā)動機性能的影響

由前面分析可知，不同增壓方式下，二沖程發(fā)動機缸內有效進氣量的變化規(guī)律也會表現(xiàn)出不同的趨勢。從圖6分析可知，曲軸箱增壓模式下，缸內有效進氣量在下止點之前迅速增加，下止點之后很快達到峰值。隨著此時額外掃氣量的影響，缸內質量開始減小。而機械增壓模式下，缸內有效進氣量主要是在下止點之后逐漸累積起來的，額外掃氣量很少。低中高三個轉速下，機械增壓額外掃氣量分別比曲軸箱增壓少95%，96.5%和60.7%。

兩種增壓方式呈現(xiàn)出不同的進排氣流動特性，將對發(fā)動機性能產(chǎn)生不同的影響。從圖7示出的主要性能指標可知，在相同充氣效率前提下，由于掃氣利用效率高，機械增壓模式所需總進氣量小于曲軸箱增壓模式，并且機械增壓模式的內部EGR率高于曲軸箱增壓模式，這有利于降低燃燒溫度，減小排氣損失。低中高3個轉速下，機械增壓排氣損失分別比曲軸箱增壓少2.37%，1.77%和2.78%。所以機械增壓模式下，發(fā)動機熱效率大于曲軸箱增壓模式，相應地發(fā)動機平均有效壓力也更大。

4 結論

a）不同增壓方式下，二沖程發(fā)動機進氣壓力波和壓差存在很大差別，排氣壓力波和壓差的差異較小，曲軸箱增壓下，進氣壓力波只有一個波峰，形成于曲軸箱，波幅恒定，而機械增壓的進氣壓力波存在多個波峰，波幅可通過增壓比調節(jié)；

b）機械增壓在下止點之后的進氣正壓差過程比曲軸箱增壓明顯，能在缸內形成較強湍流運動，促進噴霧混合；機械增壓在下止點附近排氣正壓差弱于曲軸箱增壓，引起缸內殘余廢氣率增加，產(chǎn)生內部EGR，這有利于提升缸內混合氣溫度，加速直噴液滴蒸發(fā)；同時增加混合氣比熱容，提高熱效率；

c）曲軸箱增壓的大部分進氣充量在下止點之前進入氣缸，缸內有效進氣量很快達到峰值，并伴有額外掃氣；而機械增壓的缸內有效進氣量主要是在下止點之后逐漸累積起來的，額外掃氣量少；在相同充氣效率前提下，機械增壓在低中高3個轉速所需總進氣量分別比曲軸箱增壓少25.5%，11.6%和1.48%，額外掃氣量分別比曲軸箱增壓小95%，96.5%和60.7%，內部EGR率分別比曲軸箱增壓大19.4%，39.2%和19.2%，因而發(fā)動機熱效率和平均有效壓力也分別比曲軸箱增壓高5.3%，4.0%和5.9%。致謝

感謝艾迪捷信息科技（上海）有限公司GTPower軟件和技術支持。感謝伊頓中國提供機械增壓器相關數(shù)據(jù)。

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