分層掃氣二沖程汽油機(jī)設(shè)計(jì)

摘要：以一款配套油鋸的排量為50.8 mL汽油機(jī)為研究對(duì)象，采用仿真與臺(tái)架試驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析降低分層掃氣二沖程汽油機(jī)排放及提高功率的技術(shù)。結(jié)果表明：分層掃氣二沖程汽油機(jī)的HC-NOx與CO比排放均隨過量空氣系數(shù)λ增大而下降，但CO比排放降幅更大；當(dāng)λ=0.84時(shí)，采用非對(duì)稱弧形掃氣道，優(yōu)化火花塞位置，將擠流層寬度改為0.6～1.1 mm，長(zhǎng)度改為3.5 mm，HC-NOx比排放降至52.23 g/（kW·h），滿足設(shè)計(jì)要求；降低活塞環(huán)面壓比、減小活塞環(huán)高度、改變活塞環(huán)材料后，臺(tái)架測(cè)試標(biāo)定功率增大至2.24 kW，滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：汽油機(jī)；分層掃氣；排放；功率

中圖分類號(hào)：TK411.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-6397（2024）06-0083-06

引用格式：韋佳子，唐立春，王廷高.分層掃氣二沖程汽油機(jī)設(shè)計(jì)［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2024，41（6）：83-88.

WEI Jiazi， TANG Lichun， WANG Tinggao.Design of a stratified scavenging two-stroke gasoline engine［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（6）：83-88.

0 引言

小型二沖程汽油機(jī)的成本低、升功率高、維修使用方便，廣泛用作油鋸、割灌機(jī)、綠籬剪等園林工具的配套動(dòng)力。但小型二沖程汽油機(jī)尾氣中含有大量未燃燒完全的HC^[1]，對(duì)環(huán)境污染較嚴(yán)重，因此我國于2016年1月1日對(duì)該類產(chǎn)品實(shí)施了更嚴(yán)格的第二階段排放標(biāo)準(zhǔn)^[2]。

目前小型二沖程汽油機(jī)降低排放的主要技術(shù)有缸內(nèi)直噴技術(shù)、廢氣再循環(huán)技術(shù)、排放后處理技術(shù)（消聲器內(nèi)加三效催化器）及分層掃氣技術(shù)。受限于成本及催化劑帶來的發(fā)熱安全問題，目前最具有市場(chǎng)前景的是分層掃氣技術(shù)。

德國與日本企業(yè)對(duì)分層掃氣技術(shù)研究起步較早，已應(yīng)用到部分產(chǎn)品，但國內(nèi)關(guān)于分層掃氣二沖程汽油機(jī)的研究較少。文獻(xiàn)[3]針對(duì)二沖程活塞發(fā)動(dòng)機(jī)提出了一種分層掃氣方案并進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明：采用分層掃氣發(fā)動(dòng)機(jī)的“短路損失”相比常規(guī)掃氣減小42%，掃氣道容積提高到1.3倍可使掃氣效率提高2%，燃油消耗率降低10%，但發(fā)動(dòng)機(jī)功率略有降低。文獻(xiàn)[4]通過仿真對(duì)比，發(fā)現(xiàn)分層掃氣發(fā)動(dòng)機(jī)和無分層掃氣發(fā)動(dòng)機(jī)的掃氣效率都是75%，但分層掃氣發(fā)動(dòng)機(jī)掃氣結(jié)束后缸內(nèi)剩余燃油的質(zhì)量比無分層掃氣發(fā)動(dòng)機(jī)掃氣結(jié)束后缸內(nèi)剩余燃油的質(zhì)量大，分層掃氣系統(tǒng)減少了燃油從排氣口的逸出損失。文獻(xiàn)[5]建立了分層掃氣發(fā)動(dòng)機(jī)三維模型，在額定轉(zhuǎn)速下分別對(duì)有、無分層掃氣系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)流場(chǎng)進(jìn)行仿真與分析，結(jié)果表明：分層掃氣發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中利用純空氣在新鮮混合氣和廢氣之間形成分層，使HC排放減少了15%，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

本文中以一款配套油鋸的排量為50.8 mL汽油機(jī)為研究對(duì)象，分析分層掃氣二沖程汽油機(jī)降低排放及提高功率的技術(shù)，并歸納重要參數(shù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。

1 分層掃氣二沖程汽油機(jī)原理

分層掃氣二沖程汽油機(jī)有一個(gè)介于存儲(chǔ)于缸體內(nèi)的廢氣和存儲(chǔ)于曲軸箱內(nèi)的混合氣之間的層狀空氣層，掃氣時(shí)該層狀空氣先于混合氣進(jìn)入缸體內(nèi)掃除廢氣并隨廢氣排出，隨后混合氣進(jìn)入缸體。通過這種掃氣方式，可以避免掃氣時(shí)混合氣隨廢氣直接排出，即避免二沖程汽油機(jī)存在的“短路損失”現(xiàn)象，可顯著降低尾氣中HC排放。分層掃氣二沖程汽油機(jī)立體剖面圖如圖1所示。由圖1可知：混合氣由混合氣進(jìn)氣通道進(jìn)入并儲(chǔ)存于曲軸箱內(nèi)，空氣由空氣進(jìn)氣通道、活塞裙部的通道進(jìn)入并儲(chǔ)存于缸體掃氣道內(nèi)，形成介于混合氣和缸內(nèi)廢氣之間的層狀空氣層。

2 分層掃氣二沖程汽油機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)

參數(shù)化設(shè)計(jì)是提高產(chǎn)品性能的關(guān)鍵。本文中通過對(duì)過量空氣系數(shù)、掃氣道結(jié)構(gòu)、掃氣道長(zhǎng)度比、點(diǎn)火位置、面容比、擠流層尺寸及活塞環(huán)面壓比等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，定量分析這些參數(shù)對(duì)汽油機(jī)排放和功率的影響。

2.1 過量空氣系數(shù)λ、掃氣道結(jié)構(gòu)對(duì)排放的影響

λ由0.75逐漸增大到0.93，分析λ對(duì)HC-NOx及CO比排放的影響，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：分層掃氣二沖程汽油機(jī)的HC-NOx與CO比排放均隨λ增大而下降，但CO比排放降幅更大；當(dāng)λ=0.93時(shí)，分層掃氣二沖程汽油機(jī)的CO比排放為154.2 g/（kW·h），高于普通二沖程汽油機(jī)（一般為50～110 g·kW^-1·h^-1），但低于文獻(xiàn)[2]規(guī)定的限值；相同λ時(shí)，分層掃氣二沖程汽油機(jī)的CO排放高于普通二沖程汽油機(jī)，表明分層掃氣技術(shù)使得逃逸的混合氣減少，參與燃燒的混合氣增多，減少了“短路損失”。

試驗(yàn)中，使用ZrO2分析儀測(cè)試過量空氣系數(shù)λ，采樣直接取自消聲器內(nèi)未經(jīng)稀釋的廢氣^[6]。由于二沖程汽油機(jī)掃氣時(shí)存在“短路損失”，有一部分混合氣在掃氣時(shí)進(jìn)入缸體，未經(jīng)燃燒直接經(jīng)由排氣口進(jìn)入消聲器，所以實(shí)際燃燒時(shí)的混合氣濃度低于測(cè)試濃度，即實(shí)際燃燒時(shí)的λ高于測(cè)試λ。如果分層掃氣汽油機(jī)設(shè)計(jì)合理，可以減少甚至避免“短路損失”，此時(shí)測(cè)試λ接近于燃燒時(shí)的λ。二沖程汽油機(jī)尾氣中CO取決于燃燒時(shí)的λ，可以將λ調(diào)節(jié)至與傳統(tǒng)汽油機(jī)相同，對(duì)比分層掃氣汽油機(jī)與傳統(tǒng)汽油機(jī)的CO比排放，可定量分析分層掃氣對(duì)減少“短路損失”的效果。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在λ約為0.85時(shí)，二沖程汽油機(jī)具有良好的可靠性，因此，本文中選擇λ=0.84進(jìn)行后續(xù)的汽油機(jī)排放分析。根據(jù)圖2可知：當(dāng)λ=0.84時(shí)，分層掃氣二沖程汽油機(jī)的HC-NOx比排放為86.1 g/（kW·h），遠(yuǎn)高于預(yù)期的60 g/（kW·h），層狀掃氣效果不理想。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，修正邊界條件，對(duì)原掃氣道內(nèi)的空氣和混合氣進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）仿真分析^[6-9]，原掃氣道內(nèi)空氣體積分?jǐn)?shù)如圖3所示。由圖3可知：空氣在進(jìn)氣階段進(jìn)入掃氣道，形成一定的分層，上半部分為空氣，下半部分為混合氣，但存儲(chǔ)于掃氣道的空氣總量偏少，且空氣與混合氣在掃氣道內(nèi)出現(xiàn)混合現(xiàn)象。

缸體原掃氣道為雙邊直線型對(duì)稱掃氣道。對(duì)缸體掃氣道進(jìn)行優(yōu)化，將原對(duì)稱掃氣道優(yōu)化為一邊直線型、另一邊為弧形的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。原對(duì)稱掃氣道、優(yōu)化后非對(duì)稱掃氣道、非對(duì)稱掃氣道缸體立體剖視圖如圖4所示。設(shè)定直線型掃氣道路徑長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，弧形掃氣道路徑長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，L2的優(yōu)選長(zhǎng)度是L1的1.2～1.7倍。弧形掃氣道設(shè)計(jì)能夠增長(zhǎng)掃氣道長(zhǎng)度，增加存儲(chǔ)于掃氣道內(nèi)空氣的氣體總量。

掃氣道優(yōu)化后，掃氣道內(nèi)空氣和混合氣CFD分析結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：通過優(yōu)化掃氣道，增加了空氣存儲(chǔ)于掃氣道內(nèi)的氣體總量，并減少了空氣與混合氣的混合層，使兩者具有更清晰的分層面。

對(duì)稱掃氣道、非對(duì)稱掃氣道缸體內(nèi)氣體流動(dòng)示意圖如圖6所示。由圖6可知：由于掃氣時(shí)，氣體流經(jīng)不同掃氣道時(shí)的路徑及沿程阻力不同，進(jìn)入缸體內(nèi)氣體的流速及時(shí)間也不同，非對(duì)稱弧形掃氣道可在缸體內(nèi)形成渦流，增大掃氣效率。

掃氣道優(yōu)化后進(jìn)行排放測(cè)試，當(dāng)λ=0.84時(shí)，HC-NOx比排放由86.11 g/（kW·h）下降至59.36 g/（kW·h），滿足低于60 g/（kW·h）的目標(biāo)，減排效果明顯。

2.2 點(diǎn)火位置對(duì)排放和功率的影響分析

該分層掃氣汽油機(jī)為配套油鋸使用，受油鋸整機(jī)結(jié)構(gòu)限制，火花塞偏置于缸體燃燒室中心位置，如圖7所示。由圖7可知：火花塞位置向掃氣出氣方向偏置較大，這一安裝位置并不是火花塞的最佳位置。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，分層掃氣類型二沖程汽油機(jī)混合氣通過掃氣道進(jìn)入并存儲(chǔ)于缸體燃燒室內(nèi)，存在分布不均勻現(xiàn)象，原火花塞偏置較大，遠(yuǎn)離火花塞中心處燃燒火焰?zhèn)鞑ヂ窂捷^長(zhǎng)，燃燒不充分。因此，優(yōu)化火花塞安裝位置，減小向掃氣出氣方向的偏置量，可實(shí)現(xiàn)較好的燃燒效果。優(yōu)化后火花塞位置如圖8所示。

進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，測(cè)試火花塞位置優(yōu)化對(duì)汽油機(jī)功率的影響，結(jié)果如表1所示，表中n為轉(zhuǎn)速。由表1可知：火花塞位置優(yōu)化后，各轉(zhuǎn)速下汽油機(jī)功率均有所提高，其中，標(biāo)定轉(zhuǎn)速（9 000 r/min）時(shí)的功率由1.97 kW提高至2.05 kW。火花塞位置優(yōu)化后進(jìn)行排放測(cè)試，HC-NOx排放由59.36 g/（kW·h）進(jìn)一步降至55.59 g/（kW·h）。

2.3 面容比、擠流層對(duì)排放和功率的影響分析

對(duì)應(yīng)用新設(shè)計(jì)弧形掃氣道、點(diǎn)火位置的汽油機(jī)進(jìn)行120 h耐久測(cè)試。試驗(yàn)后拆機(jī)檢查，汽油機(jī)缸體燃燒室外觀如圖9所示。由圖9可知：燃燒室內(nèi)積碳分布極其不均，有一側(cè)甚至未出現(xiàn)燃燒痕跡。

活塞處于上止點(diǎn)時(shí)，活塞頂部與缸體燃燒室在靠近進(jìn)氣口側(cè)存在一段狹長(zhǎng)的擠流層^[10]，擠流層示意圖如圖10所示。該擠流層寬度為0.4～1.1 mm，長(zhǎng)度為11.0 mm。120 h耐久試驗(yàn)后，擠流層對(duì)應(yīng)的燃燒室位置基本無火焰燃燒痕跡。推測(cè)火焰由中心電極傳播到擠流層處，由于縫隙處面容比（表面積與容積的比）較大，該處的混合氣因發(fā)生熱交換而被冷卻，火焰?zhèn)鞑ナ茏瑁紵煌耆D流層寬度改為0.6～1.1 mm，長(zhǎng)度改為3.5 mm，優(yōu)化后燃燒室形狀及擠流層示意圖如圖11所示。

保持壓縮比為7.6不變，調(diào)整燃燒室形狀，將燃燒室面容比由5.7 cm^-1減小到4.6 cm^-1。優(yōu)化擠流層和面容比對(duì)汽油機(jī)功率的影響如圖12所示。由圖12可知：優(yōu)化后，汽油機(jī)功標(biāo)定功率由2.05 kW提高至2.16 kW。優(yōu)化擠流層和面容比后進(jìn)行排放測(cè)試，汽油機(jī)的HC-NOx比排放由55.59 g/（kW·h）降至52.23 g/（kW·h）。

對(duì)優(yōu)化擠流層和面容比后的汽油機(jī)進(jìn)行120 h耐久測(cè)試，拆機(jī)檢查燃燒室外觀如圖13所示。由圖13可知：優(yōu)化擠流層和面容比后，基本消除燃燒不均勻現(xiàn)象。

2.4 活塞環(huán)優(yōu)化對(duì)功率的影響分析

通過以上3項(xiàng)燃燒方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，當(dāng)λ=0.84時(shí)，汽油機(jī)HC-NOx比排放低于預(yù)期的60 g/（kW·h），但標(biāo)定功率為2.16 kW，略低于設(shè)計(jì)要求的2.20 kW。優(yōu)化設(shè)計(jì)活塞環(huán)，降低活塞環(huán)面壓比，減小活塞環(huán)高度，將活塞環(huán)材料由灰口鑄鐵改為球墨鑄鐵，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失，提高功率。

活塞環(huán)摩擦損失功率P的數(shù)值^[11-12]

{P}={Ff}{v}={p}π{D}{H}μ{l}{n}/30，（1）

式中：Ff為以N為單位的摩擦力Ff的數(shù)值；v為以m/s為單位的活塞環(huán)平均運(yùn)動(dòng)速度v 的數(shù)值；p為以MPa單位的活塞環(huán)表面壓力p的數(shù)值；D為以mm為單位的活塞環(huán)直徑D的數(shù)值；H為以mm為單位的活塞環(huán)高度H的數(shù)值；μ為摩擦因數(shù)；l為以mm為單位的行程l的數(shù)值；n為以r/min為單位的轉(zhuǎn)速n的數(shù)值。

原活塞環(huán)和改進(jìn)后活塞環(huán)的參數(shù)如表2所示。

由式（1）和表2可知，改進(jìn)后活塞環(huán)摩擦損失功率與原活塞環(huán)摩擦損失功率的比約為0.564。降低活塞環(huán)面壓比、減小活塞環(huán)高度、改變活塞環(huán)材料后，由活塞環(huán)自身彈力引起的摩擦損失減少約43.6%。活塞環(huán)優(yōu)化對(duì)功率的影響如表3所示。由表3可知：臺(tái)架測(cè)試標(biāo)定功率由2.16 kW增大至2.24 kW，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

通過對(duì)分層掃氣二沖程汽油機(jī)的過量空氣系數(shù)、掃氣道結(jié)構(gòu)、點(diǎn)火位置、面容比、擠流層尺寸、活塞環(huán)面壓比等參數(shù)的分析和優(yōu)化，使汽油機(jī)的排放、功率滿足設(shè)計(jì)要求。

1）分層掃氣二沖程汽油機(jī)的HC-NOx與CO比排放均隨λ增大而下降，但CO比排放降幅更大。

2）當(dāng)λ=0.84時(shí)，采用非對(duì)稱弧形掃氣道，優(yōu)化火花塞位置，將擠流層寬度改為0.6～1.1 mm，長(zhǎng)度改為3.5 mm，HC-NOx比排放降至52.23 g/（kW·h），滿足設(shè)計(jì)要求。

3）降低活塞環(huán)面壓比、減小活塞環(huán)高度、改變活塞環(huán)材料后，臺(tái)架測(cè)試標(biāo)定功率增大至2.24 kW，滿足設(shè)計(jì)要求。

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Design of a stratified scavenging two-stroke gasoline engine

WEI Jiazi， TANG Lichun， WANG Tinggao

Zhuxin Machinery Co.， Ltd.， Linyi 276000， China

Abstract：Taking a gasoline engine with a displacement of 50.8 mL for a matching chainsaw as the research object， this study uses a combination of simulation and bench testing to analyze the technology of reducing emissions and improving power of a stratified scavenging two-stroke gasoline engine. The results show that the specific emissions of HC-NOx and CO in a stratified sweep two-stroke gasoline engine decrease with the increasing of the excess air coefficient（λ）， but the decrease in CO specific emissions is greater. When λ is 0.84， by using the asymmetric scavenging port， optimizing the spark plug position， changing the width of the squish band to 0.6～1.1 mm and the length to 3.5 mm， the HC-NOx emission ratio decreases to 52.23 g/（kW·h）， which meets the design requirements.After reducing the piston ring surface pressure ratio， decreasing the piston ring height， and changing the piston ring material， the bench test calibration power increased to 2.24 kW， which meets the design requirements.

Keywords：gasoline engine; stratified scavenging; emission; power（責(zé)任編輯：臧發(fā)業(yè)）