分層掃氣小型二沖程汽油機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與開發(fā)

劉永根 楊慧明 宋雄偉 楊威 張巍 劉毅

摘要：通過(guò)國(guó)際合作引進(jìn)先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，對(duì)化油器、進(jìn)氣管、活塞、氣缸、配氣相位等進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，成功開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代分層掃氣小型二沖程汽油機(jī)，采用純空氣在空間上先行掃氣，然后新鮮混合氣依次跟進(jìn)掃氣的方式，避免掃氣過(guò)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(wú)需增加觸媒等后處理裝置，經(jīng)臺(tái)架性能及耐久試驗(yàn)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(jì);性能測(cè)試

Key words： stratified scavenging;structural design;performance test

中圖分類號(hào)：F407.471? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）20-0034-03

0? 引言

小型二沖程汽油機(jī)由于其結(jié)構(gòu)緊湊、操作輕便、功重比高、生產(chǎn)和維護(hù)成本低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于農(nóng)林機(jī)械、園藝綠化、航模發(fā)動(dòng)機(jī)等需要?jiǎng)恿π阅軓?qiáng)勁并且輕巧便于攜帶使用的領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)通用小型二沖程汽油機(jī)年產(chǎn)量約占同期全球同類發(fā)動(dòng)機(jī)總產(chǎn)量的40%以上。但其掃氣過(guò)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?xì)浠衔颒C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(dá)國(guó)家不斷實(shí)施日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，美國(guó)EPA早在上世紀(jì)九十年代就最先實(shí)施了通用小型汽油機(jī)的排放法規(guī)，目前已是第三階段要求;歐盟也在2017年實(shí)施了第五階段排放法規(guī)。常規(guī)的小型二沖程汽油機(jī)尾氣排放已越來(lái)越難以滿足日益嚴(yán)苛的法規(guī)要求。

LCS45I機(jī)型的研制，提供了一種高效率低排放的時(shí)間分層掃氣小型二沖程汽油機(jī)。利用純空氣在空間上先行掃氣，然后新鮮混合氣依次跟進(jìn)掃氣。通過(guò)組織合理的進(jìn)掃氣流，首先把進(jìn)氣系統(tǒng)分成兩部分，一路純空氣通過(guò)雙腔化油器的上腔通道在掃氣口附近被吸入儲(chǔ)氣通道，另一路新鮮混合氣通過(guò)雙腔化油器的下腔直接進(jìn)入曲軸箱[2];換氣過(guò)程開始后，位于儲(chǔ)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(shí)間上的先后在缸內(nèi)形成分層流動(dòng)。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(shí)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(lái)提高功率以及減少有害物排放;另一方面，汽油機(jī)在怠速工況時(shí)，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(wú)需增加排氣后處理裝置即能滿足法規(guī)要求，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、經(jīng)久耐用同時(shí)又具備高功率、低排放的特點(diǎn)。

1? LCS45I分層掃氣汽油機(jī)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(jì)

整機(jī)為單缸、分層掃氣、二沖程、風(fēng)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(gè)進(jìn)氣口的模式，專門設(shè)計(jì)兩個(gè)進(jìn)氣口，即雙腔進(jìn)氣系統(tǒng)，一個(gè)吸入純空氣，另一個(gè)吸入新鮮混合氣;增加了進(jìn)氣量，提高了換氣效率。同時(shí)減少了從排氣口到掃氣口的高度，活塞上行時(shí)，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(qiáng)制把充量排出，這時(shí)由于進(jìn)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(dǎo)致油耗增加，同時(shí)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(dú)立的左右側(cè)蓋，保持彎道引導(dǎo)掃氣氣流首先沖向排氣口對(duì)面的氣缸壁，在缸壁的導(dǎo)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(dá)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(jī)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(qiáng)度的基礎(chǔ)上，活塞裙部?jī)蓚?cè)分別設(shè)計(jì)專門的純空氣通道和儲(chǔ)氣型腔，并與掃氣口及雙腔化油器及進(jìn)氣管配合形成純空氣通道。活塞裙部面對(duì)氣缸進(jìn)氣口的位置的純空氣內(nèi)存室與氣缸進(jìn)氣口的純空氣通道連接，并通過(guò)左右空氣通道與活塞裙部的左右儲(chǔ)氣室相互聯(lián)通。當(dāng)活塞在氣缸內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)在曲軸箱內(nèi)產(chǎn)生的負(fù)壓吸入純空氣時(shí)，進(jìn)過(guò)上述通路首先到達(dá)左右儲(chǔ)氣后進(jìn)入氣缸內(nèi)壁的左右儲(chǔ)氣通道上端;負(fù)壓同時(shí)吸入新鮮混合氣進(jìn)入曲軸箱，然后到達(dá)氣缸內(nèi)壁的左右儲(chǔ)氣通道上端。因此，純空氣和新鮮混合氣分層儲(chǔ)存，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒作功后，活塞下移，曲軸箱壓力增加將左右儲(chǔ)氣通道上端的純空氣擠壓進(jìn)入燃燒室，對(duì)廢氣先行掃氣，其次新鮮混合氣才跟進(jìn)進(jìn)入燃燒室，避免了新鮮混合氣的短路損失，降低油耗的同時(shí)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(gè)換氣口的開關(guān)時(shí)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(rèn)為這個(gè)距離越短越有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，因?yàn)樵诟咚贂r(shí)，清除廢氣的時(shí)間變短，提前開啟，也就加長(zhǎng)了排氣和掃氣時(shí)間。與此同時(shí)，利用活塞裙部下沿開關(guān)進(jìn)氣口，進(jìn)氣口的開關(guān)時(shí)間只與它的下沿有關(guān);從進(jìn)氣口下沿到氣缸頂面的距離也是一個(gè)重要尺寸，一般認(rèn)為這個(gè)尺寸越大或活塞裙部越短越有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，因?yàn)楦咚贂r(shí)進(jìn)氣時(shí)間變短，提前開啟，也就增加了進(jìn)氣時(shí)間。為了提高充氣效率，獲得最大功率與最大扭矩，同時(shí)兼顧低速穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)過(guò)優(yōu)化試驗(yàn)，最終確定排氣相位角127.3°，掃氣相位角88.9°，進(jìn)氣相位角149.5°，配氣相位如圖4所示。

2.4 化油器和進(jìn)氣管

化油器喉口部位放置一個(gè)水平隔板，連接油門和阻風(fēng)門，在保證足夠的流通截面積的基礎(chǔ)上將喉口處圓形進(jìn)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(duì)應(yīng)，進(jìn)氣管也一分為二，形成彼此獨(dú)立的上、下型腔兩個(gè)通道，分別用于通過(guò)純空氣和新鮮混合氣;當(dāng)活塞向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dāng)上行到某一位置時(shí)，首先純空氣依次通過(guò)雙腔化油器的上腔通道和進(jìn)氣管的上腔經(jīng)進(jìn)氣口上腔，然后通過(guò)活塞裙部的純空氣通道進(jìn)入儲(chǔ)氣型腔;而儲(chǔ)氣型腔與氣缸兩側(cè)的掃氣口聯(lián)通，實(shí)現(xiàn)了純空氣進(jìn)入掃氣口上部的儲(chǔ)氣通道;其次活塞下邊緣打開進(jìn)氣口，在內(nèi)外壓差的作用下，新鮮混合氣通過(guò)雙腔化油器的下腔和進(jìn)氣管的下腔經(jīng)進(jìn)氣口下腔直接進(jìn)入曲軸箱，曲軸箱開始進(jìn)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(jī)怠速穩(wěn)定，加速性能好，可有效提高汽油機(jī)的功率，結(jié)構(gòu)詳見圖5。

3? 樣機(jī)測(cè)試

3.1 零部件檢測(cè)試驗(yàn)

通過(guò)和美國(guó)公司的合作，完善了零部件的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，編制了一套科學(xué)、合理、規(guī)范的檢驗(yàn)指導(dǎo)書及判定規(guī)則，為產(chǎn)品檢驗(yàn)提高了效率，減低了成本。

優(yōu)化了數(shù)字點(diǎn)火提前角測(cè)試系統(tǒng)，在磁電機(jī)測(cè)試臺(tái)上可以方便快捷的檢測(cè)出汽油機(jī)的點(diǎn)火提前角度，測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。另外優(yōu)化了起動(dòng)器試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了起動(dòng)器耐久拉動(dòng)專用臺(tái)架并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，順利完成10000次起動(dòng)耐久測(cè)試。

3.2 外特性與排放測(cè)試

LCS45I分層掃氣汽油機(jī)按照J(rèn)B/T5135的各項(xiàng)規(guī)定，已經(jīng)通過(guò)企業(yè)產(chǎn)品定型檢驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，排放符合GB26133-2010《非道路移動(dòng)機(jī)械用小型點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物排放限值與測(cè)量方法》的各項(xiàng)指標(biāo);在不加任何觸媒催化裝置的情況下符合美國(guó)EPA第三階段及歐Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 模擬工況耐久試驗(yàn)

在耐久測(cè)試臺(tái)架上，帶上模擬負(fù)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(cè)試150h。發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率下降不超過(guò)0小時(shí)測(cè)定值的5%;發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)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(shí)，通過(guò)了振動(dòng)試驗(yàn)、超速試驗(yàn)、突加（減）速試驗(yàn)、噪音試驗(yàn)、停機(jī)試驗(yàn)等，強(qiáng)化了發(fā)動(dòng)機(jī)的指標(biāo)考核，使得產(chǎn)品更加成熟可靠。

4? 結(jié)論

①通過(guò)國(guó)際科技合作，研制出的新一代分層掃氣小型二沖程汽油機(jī)，通過(guò)對(duì)活塞及氣缸掃氣結(jié)構(gòu)型式的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，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(dāng)掃氣時(shí)的短路損失，避免部分新鮮混合氣直接排除機(jī)外，從而達(dá)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(duì)氣缸上排氣口，掃氣口及進(jìn)氣口進(jìn)行優(yōu)化布置，同時(shí)配合活塞頂面及裙部尺寸，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的排放及整機(jī)溫度，同時(shí)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(lái)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(yán)苛的法規(guī)要求。③通過(guò)對(duì)曲軸箱體進(jìn)行時(shí)效處理、離合器處選用高等級(jí)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(chǔ)油孔和輸出端控制螺紋退火距離等等優(yōu)化設(shè)計(jì)措施，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久使用壽命。

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