摩托车发动机原理 第三章 二冲程发动机的换气过程

在下止点后活塞上行，扫气期间 气缸压力增加，从而产生气缸向曲轴 箱倒流，pk增加，故 β下降。
曲线(b)表示对该转速下，气口尺 寸适中。在IC点pk高，SC点pk低β最大。
曲线(c)表示气口尺寸过小。在IC 因尺寸过小阻力大，pk上升慢，直到IC 时pk还很低。在扫气期间，其压力下降 也慢，直到扫气口关闭(SC)时，压力pk 还很高，故给气比β也较小。
2)由于在进气道中安装簧片阀而存在阻力，高速 充量比活塞阀式低。结构稍复杂，可靠性也差些。
2.转阀进气方式 它也是一种非对称的进气方式。
其特点：
(1) θi= θi1+ θi2
θi1≠ θi2
(2)阀缺角θic一定，进气口尺寸一定后, θi的值便是定值,可用阀
盘键槽的旋转，改变与曲轴的相对位置，可使整个角度提前或
3、短路扫气
扫气空气毫无扫气作用立即从排气口排出。它在扫气曲线上为
ηs等于零的一条横线(图3-30)曲线3。
簧片阀，能够吸 收曲轴箱内压力 的微弱波动，所 以给气比随转速 变化比较平缓。 在低速也几乎看 不到小的波峰的 存在。
第四节 二冲程发动机的排气过程
排气过程分为自由排气和强制排气两个阶段。
一、自由排气段[对应时面图BHKB]
从排气口打开到气缸内压力p与扫气口压力pk相 等p=pk时止这段排气称为自由排气。其特点是缸 内废气靠压差自由流出，在时面图上对应面积 BHKB。自由排气又包括两个部分：先期排气(超 临界状态)和亚临界排气。
(二)非对称进气方式 所谓非对称进气方式，就是进气开启角θi1不等于关闭角θi2的进气方式即
θi1 ≠ θi2。一般分为簧片阀式和转阀式进气两种。
1.簧片阀式进气方式 这种进气方式是在进气道中安装一个单向簧片阀。图3-4簧片阀式进气过程 原理图。
簧片阀进气的特点：
1)θi1≠ θi2且θi1 > θi2 。这种不对称进气角由于θi1 大而θi2小，中低速不会产生反喷，稳定性和经济性 好。
第三章 二冲程发动机的换气过程
第一节 换气过程的描述（一）
在摩托车用二冲程发动机中，几乎全部采用曲轴箱换气形 式，其换气过程如图3-1所示。
活塞向上止点运动时，上部气缸内气体受压缩(图c)。活塞下 面封闭的曲轴箱容积增大，曲轴内压力Pk迅速下降，当上行到某 一位置时，活塞下边缘(也有在活塞裾部开有窗口)打开进气口(图 c)，这时在P。-Pk的压差下，新气流进曲轴箱，这个过程叫曲轴 箱进气。曲轴箱开始进气经过上止点，到进气开始的对称位置关 闭为止。在活塞边缘关闭气口后，活塞再下行便开始压缩，使曲 轴箱内进入的新气压力提高。曲轴箱内压缩也是一个多变过程， 其最高压力与曲轴箱压缩比有关。当活塞位于下止点时曲轴箱容 积为Vk最小。当活塞位于上止点时，曲轴箱容积最大Vk+Vs(工 作容积)。则曲轴箱压缩比 εk为
的主要指标。
2、给气效率ηt ： t

m0 mt
二、标准扫气
所有的扫气过程，可用三种标准扫气形式来评 价。
1、完全扫气(perfect scavenging) 完全扫气也称排挤扫气或称全驱扫气。它是
扫气用新鲜气进入气缸后箩不与废气混合，并 将废气向前排挤，当废气全部被排挤出排气口 时，新气刚好到达排气口。这种情况最为理想， 流入气缸的新气体积等于被排挤出的废气体积。
增加曲轴箱的压缩比受结 构的限制不可能太大，一般 εk=1.25～1.4之间。
3．转阀进气方式对β的影响
图3—1 6是在日本山叶G—1型摩托车发动机上，利用拖动法测得的不
同进气相位角，不同转速下，转阀进气的给气比β的变化曲线。
4．簧片阀进气方式
图3-17是簧片阀进气的发动机剖面图及簧片阀另件图。这 种进气方式由于开启角大，关闭角小，可防止低速进气反喷， 低速给气比较活塞阀进气方式高。高速区，由于簧片阀的流 通阻力损失大，其β比前两种进气方式低，另外。曲轴箱上的
1。驱赶排气(扫气过程) [对应时面图 HMGKH]
从图3-18中气缸压力p=pk以后，气缸压力迅下降，这时因 曲轴箱压力pk高于气缸压力p，促使新气通过扫气口按照一定 的路线驱赶废气，清扫废气的质量与扫气的型式、扫气口扫 气道的形状尺寸以及扫气压力及其变化等有关(详见后一节)。 (忽略气缸向曲轴箱倒流)。
第六节 二冲程发动机的扫气过程
一、二冲程发动机扫气过程评价指标
二冲程发动机的扫气过程直接影响发动机的性能
指标。评价二冲程发动机扫气过程好坏嘲评价指标有：
1、 扫气效率η ：
s
s

m1 m
式中：m0=m1
s

m0 m0 mr
ηs表示扫气品质的好坏， ηs高，说明进入气缸
新气流失少，或废气被清扫的多。它是评价扫气
当β =l时， ηs =100%，在扫气曲线上为一倾斜
45°的直线(见图3-30)。 2、完全混合扫气(perfect mixing scavenging) 扫气用新气进入气缸后，立即与气缸中的
废气均匀混合，从排气口排出与进气量相等积 体的混合气。这种扫气是靠新气不断流入，并 不断排出混合气，从而使气缸的混合气中，废 气浓度逐渐稀释来实现，故也称稀释扫气。
2)气口形状
图3—1 3是活塞阀进气方式的气口形状对给气比β的影响。 从图中可以看出，在同样的气口面积下,高度小，宽度大的气口 β大。反之，高度大，宽度小则在所有的转速下β都低。
一种气口尺寸仅对应一个最佳转速，转速过高和过低都会 使给气比β降低(图3～1 4所示)。因此，在选择气口尺寸时应根 据该发动机的转速选择。
二冲程发动机的曲轴箱进气过程
一、进气方式的分类
到目前为止，曲轴箱进气方 式可分为对称进气和非对称 进气两大类。
(一)对称进气方式 利用活塞阀控制的曲轴箱进 气便属于对称进气方式。其 特点是曲轴箱进气口开启角 和关闭角对称于上止点。(见 图3—1 c)。其配气相位图如 图3—2所示。即θi1 = θi2 。这 种进气方式由于对称上止点。 其缺点是：
3)曲轴箱压缩比εk
图3-15为曲轴箱压缩比 εk 对β的影响。εk高则高速 β大。 εk低则低速β大。这是因为εk大， 曲轴箱的压力变化大，各气口 前后压差大多新气流动加快箩 对于一定给气量所需的时间才 能短，故εk大， βmax偏向高 速。 εk大低速 β小是因为压差 大造成涡流损失大，能量消耗 大所致。
迟后。当装上以后其相对于上、下止点的位置便是固定值，不
随任何工况而变，这是与簧片进气的主要差别。
(3)转阀打开气口以后，气口全开，进气阻力很小，故该型式 用在高升功率的发动机上。
(4)结构复杂，工艺要求高，特别是阀盘，通常用厚度仅 0.5mm的不锈钢片制作，要求平整、光滑、均匀。阀盘的轴向间 隙仅0.5mm左右，达不到要求就会出现密封不严、磨损，甚致卡 死。
（3）缸内燃气可以流出大约 70％～80％。 2. 扫气与强制排气阶段—扫气口开启，新鲜充量进入气缸，
直到活塞下行到下止点后再上行将扫气口关闭为止。
特点：
利用扫气气体强制将废气排出气缸外，还要充入新鲜充量。
3.过后排气或过后充气阶段—从扫气口关闭到排 气口关闭期间。
特点：
该阶段所持续的时间较短。由于活塞已经开始上 行，缸内气体压力提高，对过后排气是有利的而不利 于过后充气。要达到过后充气的目的，就必须提高扫 气泵的扫气压力，相应地增加扫气泵消耗的机械功。
2．过后排气[对应时面图MDGM]
从扫气口关(SC点)到排气口关(EC点)称作过后排气。，它是 靠活塞上行强制把充量排出。这时由于气缸进气已结束，气 缸中大量的新气也随废气一起被排出，使燃料流失，油耗率 增加，同时使HC排放增加，使二冲程发动机的排放指标HC远
远高于四冲程发动机。因此，这一段愈少愈好。
εk=(Vk+Vs)/Vk
现代摩托车发动机的曲轴箱压缩比εk=1.25-1.4之间。
当活塞从上止点向下行走，到图3-1 a)所示的位置时，排气 口打开，由于这时缸内压力高达0.3~0.4MPa，废气以声速从排 气口排出，排气过程开始，从排气口打开到扫气口打口这段排 气叫先期排气。
活塞继续下行打开扫气口，当曲轴箱压力pk>p(气缸压力)时， 新气从曲轴箱通过扫气口进入气缸，同时驱赶废气继续排出。 由于这时利用新气清扫废气，故该过程称为扫气过程，如图 3—1b所示，此过程一直进行到下止点后扫气口关闭为止。当 活塞继续上行关闭排气口止，整个换气过程结束。下面分别就 此三个过程进行分析。
二、给气比特性及ຫໍສະໝຸດ Baidu影响因素
衡量曲轴箱进气过程的主要指标是给 气比β 。 也称扫气过量空气系数。
β=m1/ms= 每 循 环 供 给 的 新 气 质 量 / 在大气状态下气缸工作容积Vs所占有 的空气质量
由于β是衡量进入曲轴箱的新气量的 多少， β愈大愈好。 影响给气比β的因素 (一)进气方式对给气比的影响 1、活塞阀进气方式的给气比特性曲 线
图3—10为活塞阀进气方式的给气比 特性曲线。通常，在设计的标定转速 下， β最高，当转速下降时β急剧下 降，在低速区又出现一个小的高峰， 整个曲线呈马鞍形。
2、活塞阀进气方式影响β的因素
1)气口尺寸对 β的影响
图3-12可以看出，a曲线表示因气 口尺寸过大而出现进气反喷。因从IO 到上止点曲轴箱压力很快达到大气压 线(虚线)，当活塞从上止点向下行走时 多曲轴箱受压缩，因气口过大而未关 故产生曲轴箱向进气管倒流，使IC点pk 低。
上述是整个排气过程的说明。由 于在绝大多数摩托用二行程发动机中， 排气和扫气都是窗孔式并由活塞顶面 控制，故排气相角相对下止点对称。 排气窗口的高度是决定排气过程的最 重要参数。一方面，排气窗口高度要 足够，以使扫气口打开时气缸压力要 降到与曲轴箱压力pk相近，以避免废 气从扫气口大量倒流入曲轴箱。转速 高的发动机应选用窗口高的排气口， 以保证足够的自由排气时面值，使排 气充分。另一方面，排气窗口高度直 接造成有效行程损失，过后排气时间 过长，经济和排放指标变差，低速更 为明显(见图3—1 9)。具体选择排气口 高度值时，主要根据摩托车发动机的 设计目标而定。
二冲程发动机换气过程的描述（二）
一、二冲程发动机的换气过程
二冲程发动机进气、压缩、燃烧、膨胀和排气过程是用两 个活塞行程来完成的，其换气过程的工作顺序是：在膨胀行程 的末期，活塞下行，首先打开排气口，开始排气，而后扫气口 开启，具有一定压力的新鲜充量由扫气口流入气缸，并强迫废 气由排气口流出，进行充量更换，然后，活塞到达下止点后又 上行，依次将扫气口和排气口关闭，换气过程结束。新鲜充量 由扫气泵提供，扫气泵的作用是对新鲜充量进行压缩，使其压 力提高后，再进入气缸。
2．亚临界排气[对应图3-18中时面图AHKSA]
从扫气开始(S0)点到气缸压力p=pk止这一段为自由排气的 亚临界排气段。其特点是排气速度取决于压差△p=p-pr。由于 这时压差小，流速低，排出废气的量不多。
二、强制排气段[对应时面图HDKH3 ]
从气缸压力p=pk后新气进入气缸驱赶废气开始到排气口关 闭止这段排气称作强制排气段。它包括驱赶排气(扫气)和过后 排气两部分。前者是指在新气的驱赶下排气，后者指在活塞 向上排挤下排气。
换气过程分为三个阶段，自由排气阶段、扫气与强制排气阶 段和过后排气或过后充气阶段。
1.自由排气阶段—从排气口开启直到新鲜充量进入气缸为止。 特点 ：
（1）下止点前60～75°（CA）开启，气缸内压力较高，约为 300—600kPa，气缸内的燃气以声速流出。
（2）排气流量与排气管内的气体状态无关，只取决于缸内气 体的状态和排气口流通截面的大小。
1．先期排气[对应时面图BASB，图3-18]
先期排气是从排气口始开(EO)．到扫气口始开 (SO)为止这一段排气。由于排气口打开时，气缸 压力达0.3～0.4MPa，排气在超临界状态下进行,， 其废气以声速排出。这段时间虽短，但排出的废 气约占总废气排出量的70～80％。当活塞继续下 行，排气压力迅速降低，当 pr/p>0.528时，排气进 入亚临界状态。实际上临界点在什么位置是一个 不定值，因为气缸压力p和排气管压力pr都随发动 机转速负荷而变化，故一般近似地把从排气口始 开至扫气口始开这一段视为超临界状态。这时排 气量仅与排气口面积和气体状态有关，而与压差 无关。