二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械增壓與曲軸箱增壓進(jìn)排氣性能對(duì)比研究

陳龍華，許 敏，袁志遠(yuǎn)，王 森

（上海交通大學(xué)汽車(chē)電子控制技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)做功頻率是四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的2倍，并且一般掃氣道式二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)不需要正時(shí)、配氣等復(fù)雜機(jī)構(gòu)，因而具有功率密度大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、單位體積質(zhì)量小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍用和民用領(lǐng)域。二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用進(jìn)氣曲軸箱增壓輔以化油器、進(jìn)氣道電噴或曲軸箱電噴的供油方式，這使得二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)中存在兩大技術(shù)難點(diǎn)。一是油耗高、排放差。由于二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)制排氣過(guò)程中進(jìn)排氣口會(huì)同時(shí)打開(kāi)，一部分混合氣會(huì)隨著氣流從排氣管排出，形成未燃碳?xì)?，不但增加了燃油消耗率，同時(shí)也使尾氣排放變差。二是潤(rùn)滑困難。曲軸箱增壓方式不能采用濕式潤(rùn)滑，一般需要將潤(rùn)滑油摻入燃油，在曲軸箱內(nèi)形成油霧潤(rùn)滑，但潤(rùn)滑油同時(shí)也會(huì)隨燃油一起進(jìn)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(rùn)滑油還會(huì)在掃氣過(guò)程隨混合氣排出排氣管，形成顆粒排放物［1－2］。

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

應(yīng)用汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)改善二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和排放，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有了大量理論和試驗(yàn)研究。宋如鋼［5］等在1臺(tái)0.05L的曲軸箱增壓式二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)最多可降低45%油耗，同時(shí)減少80%未燃碳?xì)渑欧拧swald Roland［6］，Nishida Kenji［7］，Harker Nicholas［8］等都在曲軸箱增壓式二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)上證明了汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)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(dòng)機(jī)，使用機(jī)械增壓取代曲軸箱增壓的研究卻罕見(jiàn)報(bào)道，特別是不同進(jìn)氣增壓方式對(duì)二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣過(guò)程氣流壓力、速度、流量等行為特征的影響，目前尚無(wú)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

本研究在1臺(tái)直列3缸二沖程0.75L排量汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)上，對(duì)比研究曲軸箱增壓和機(jī)械增壓兩種增壓方式對(duì)進(jìn)排氣過(guò)程壓力波動(dòng)、氣體流動(dòng)和氣缸充氣過(guò)程的影響，揭示增壓方式對(duì)二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣行為特征影響機(jī)理，討論兩種增壓方式優(yōu)缺點(diǎn)，從而為二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo)。

1 二沖程增壓發(fā)動(dòng)機(jī)建模

本研究所用發(fā)動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1，其中θEPO表示排氣口打開(kāi)角，θIPO表示進(jìn)氣口打開(kāi)角，θIPC表示進(jìn)氣口關(guān)閉角，θEPC表示排氣口關(guān)閉角。使用發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)械增壓2個(gè)模型。

分析工況選擇 3000r／min，6000r／min 和9000r／min全負(fù)荷。為了便于對(duì)比，同一轉(zhuǎn)速下，曲軸箱增壓與機(jī)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(guò)調(diào)節(jié)機(jī)械增壓模式的增壓比，實(shí)現(xiàn)與曲軸箱增壓模式相同有效進(jìn)氣量，3個(gè)轉(zhuǎn)速下增壓比分別為1.150，1.650和1.358。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 增壓方式對(duì)二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣行為的影響機(jī)理

二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣過(guò)程主要由進(jìn)排氣掃氣口壓力與缸內(nèi)瞬時(shí)壓力的差值推動(dòng)。從一維N－S動(dòng)量方程可知，氣體速度隨時(shí)間的變化率（即加速度）與壓力梯度正相關(guān)，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(dòng)機(jī)進(jìn)排氣掃氣口壓力與氣缸壓力的波動(dòng)關(guān)系，可以分析出進(jìn)排氣流動(dòng)規(guī)律。本研究將首先對(duì)比分析不同增壓方式對(duì)二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣壓力波動(dòng)過(guò)程影響，然后，在此基礎(chǔ)上討論進(jìn)排氣流動(dòng)過(guò)程差異，最后總結(jié)出不同進(jìn)排氣過(guò)程引起的發(fā)動(dòng)機(jī)性能變化。

2.1 增壓方式對(duì)進(jìn)排氣壓力波動(dòng)過(guò)程的影響

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

排氣壓力波動(dòng)過(guò)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(dòng)隨時(shí)間變化過(guò)程。兩種增壓方式下，排氣壓力波動(dòng)過(guò)程相似，這是因?yàn)榕艢夤苈方Y(jié)構(gòu)相同。隨著轉(zhuǎn)速升高，每循環(huán)所占時(shí)間縮短，波形數(shù)相應(yīng)減少。兩種增壓方式下，多段排氣壓力波都會(huì)影響氣缸壓力波動(dòng)過(guò)程。3000r／min工況有3個(gè)排氣壓力波峰影響氣缸壓力波，中高速工況有2個(gè)排氣壓力波峰影響氣缸壓力波。

2.2 增壓方式對(duì)進(jìn)排氣壓差和流速的影響

根據(jù)以上壓力波動(dòng)分析可知，不同增壓方式下，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣流動(dòng)過(guò)程會(huì)有明顯差異。圖3示出了兩種增壓方式下進(jìn)排氣壓差對(duì)比曲線(xiàn)。其中進(jìn)氣壓差由進(jìn)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(jìn)排氣口氣流速度對(duì)比曲線(xiàn)。

從圖3進(jìn)氣壓差分析可知，進(jìn)氣口打開(kāi)后，兩種增壓方式都存在一段負(fù)進(jìn)氣壓差，這是因?yàn)榇藭r(shí)氣缸壓力高于進(jìn)氣壓力，這將引起進(jìn)氣口打開(kāi)后的負(fù)進(jìn)氣流速（見(jiàn)圖4），轉(zhuǎn)速越高，回流越嚴(yán)重。兩種增壓方式下，進(jìn)氣正壓差主要集中在下止點(diǎn)之前。機(jī)械增壓模式在下止點(diǎn)之后的進(jìn)氣正壓差過(guò)程比曲軸箱增壓模式更加顯著，特別在中高轉(zhuǎn)速工況。這是由兩種增壓方式不同的進(jìn)氣壓力波動(dòng)過(guò)程引起。因此，兩種增壓方式在下止點(diǎn)之后的進(jìn)氣速度會(huì)有較大差異。這從圖4進(jìn)氣流速曲線(xiàn)分析可知，曲軸箱增壓模式在下止點(diǎn)之后的進(jìn)氣流速普遍較小，在中低轉(zhuǎn)速甚至?xí)a(chǎn)生負(fù)進(jìn)氣流速，缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度會(huì)因此減弱，不利于直噴發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧混合；機(jī)械增壓模式在低速也存在θIPC時(shí)刻負(fù)進(jìn)氣流速現(xiàn)象，但在中高轉(zhuǎn)速工況，進(jìn)氣流速?gòu)南轮裹c(diǎn)到θIPC一直持續(xù)增加，這將產(chǎn)生較強(qiáng)的缸內(nèi)湍流強(qiáng)度，促進(jìn)噴霧混合。

由于兩種增壓方式排氣壓力波動(dòng)過(guò)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(diǎn)前后。機(jī)械增壓在下止點(diǎn)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(nèi)殘余廢氣率增加，產(chǎn)生內(nèi)部EGR。低中高三個(gè)轉(zhuǎn)速下，機(jī)械增壓內(nèi)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(nèi)混合氣溫度，加速直噴液滴蒸發(fā)；同時(shí)增加混合氣比熱容，提高熱效率。

2.3 增壓方式對(duì)進(jìn)排氣流量特性的影響

根據(jù)上述進(jìn)排氣流速分析可知，兩種增壓方式下進(jìn)排氣流量特性也會(huì)有明顯差異。從圖5示出的進(jìn)氣流量曲線(xiàn)可知，曲軸箱增壓模式下，大部分進(jìn)氣充量在下止點(diǎn)之前進(jìn)入氣缸，這將導(dǎo)致進(jìn)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(jī)械增壓模式下，大部分進(jìn)氣發(fā)生在下止點(diǎn)之后，不容易形成額外掃氣。從排氣流量曲線(xiàn)可知，下止點(diǎn)附近，曲軸箱增壓模式從氣缸流出的工質(zhì)量大于機(jī)械增壓模式。這意味著需要更多的進(jìn)氣量彌補(bǔ)因此帶來(lái)的充氣效率損失。低中高三個(gè)轉(zhuǎn)速下，機(jī)械增壓所需總進(jìn)氣量分別比曲軸箱增壓少25.5%，11.6%和1.48%。

3 增壓方式對(duì)缸內(nèi)有效進(jìn)氣量和發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)缸內(nèi)有效進(jìn)氣量的變化規(guī)律也會(huì)表現(xiàn)出不同的趨勢(shì)。從圖6分析可知，曲軸箱增壓模式下，缸內(nèi)有效進(jìn)氣量在下止點(diǎn)之前迅速增加，下止點(diǎn)之后很快達(dá)到峰值。隨著此時(shí)額外掃氣量的影響，缸內(nèi)質(zhì)量開(kāi)始減小。而機(jī)械增壓模式下，缸內(nèi)有效進(jìn)氣量主要是在下止點(diǎn)之后逐漸累積起來(lái)的，額外掃氣量很少。低中高三個(gè)轉(zhuǎn)速下，機(jī)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(jìn)排氣流動(dòng)特性，將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能產(chǎn)生不同的影響。從圖7示出的主要性能指標(biāo)可知，在相同充氣效率前提下，由于掃氣利用效率高，機(jī)械增壓模式所需總進(jìn)氣量小于曲軸箱增壓模式，并且機(jī)械增壓模式的內(nèi)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(gè)轉(zhuǎn)速下，機(jī)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(jī)械增壓模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率大于曲軸箱增壓模式，相應(yīng)地發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效壓力也更大。

4 結(jié)論

a）不同增壓方式下，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(jìn)氣壓力波只有一個(gè)波峰，形成于曲軸箱，波幅恒定，而機(jī)械增壓的進(jìn)氣壓力波存在多個(gè)波峰，波幅可通過(guò)增壓比調(diào)節(jié)；

b）機(jī)械增壓在下止點(diǎn)之后的進(jìn)氣正壓差過(guò)程比曲軸箱增壓明顯，能在缸內(nèi)形成較強(qiáng)湍流運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)噴霧混合；機(jī)械增壓在下止點(diǎn)附近排氣正壓差弱于曲軸箱增壓，引起缸內(nèi)殘余廢氣率增加，產(chǎn)生內(nèi)部EGR，這有利于提升缸內(nèi)混合氣溫度，加速直噴液滴蒸發(fā)；同時(shí)增加混合氣比熱容，提高熱效率；

c）曲軸箱增壓的大部分進(jìn)氣充量在下止點(diǎn)之前進(jìn)入氣缸，缸內(nèi)有效進(jìn)氣量很快達(dá)到峰值，并伴有額外掃氣；而機(jī)械增壓的缸內(nèi)有效進(jìn)氣量主要是在下止點(diǎn)之后逐漸累積起來(lái)的，額外掃氣量少；在相同充氣效率前提下，機(jī)械增壓在低中高3個(gè)轉(zhuǎn)速所需總進(jìn)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(nèi)部EGR率分別比曲軸箱增壓大19.4%，39.2%和19.2%，因而發(fā)動(dòng)機(jī)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(shù)支持。感謝伊頓中國(guó)提供機(jī)械增壓器相關(guān)數(shù)據(jù)。

［1］John B Heywood，Eran Sher.The two－stroke cycle engine：its development，operation，and design［M］.［S.l.］：Taylor＆Francis Group，1999.

［2］Gordon P Blair.Design and simulation of two－stroke engines［M］.［S.l.］：SAE International，1996.

［3］范錢(qián)旺，陳以川，胡宗杰，等.不同氣道傾角的直噴式汽油機(jī)進(jìn)氣道氣流特性的試驗(yàn)研究［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2011（6）：48－53.

［4］白云龍，王 志，王建昕.缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)廢氣滯留條件下的燃燒特性［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2012（1）：1－5.

［5］宋如鋼，楊延相，葛維晶，等.FAI直噴小型二沖程汽油機(jī)的試驗(yàn)研究［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2008（5）：434－439.

［6］Oswald Roland，Ebner Andreas，Kirchberger Roland.High Efficient 125－250cm3LPDI Two－Stroke Engines，a Cheap and Robust Alternative to Four－Stroke Solutions［M］.［S.l.］：SAE International，2010.

［7］Nishida Kenji，Sakuyama Hisashi，Kimijima Takahiro.Improvement of Fuel Economy Using a New Concept of Two－Stroke Gasoline Engine Applying Stratified－Charge Auto－Ignition［M］.［S.l.］：The Automotive Research Association of India，2009.

［8］Harker Nicholas，DenBraven Karen R，Johnson Justin.University of Idaho＇s Clean Snowmobile Design Using a Direct－Injection Two－Stroke Engine［M］.［S.l.］：SAE International，2008.

［9］李建文.單缸二沖程汽油機(jī)排氣管結(jié)構(gòu)形式與參數(shù)對(duì)排氣壓力頻譜的影響［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，1992，10（3）：250－254.

［10］耿愛(ài)農(nóng)，羅光緝.小型二沖程汽油機(jī)排氣壓力波的計(jì)算［J］.廣西大 學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1995，20（4）：367－372.

［11］高文志，宋崇林，馮敬奇.增壓柴油機(jī)進(jìn)－排氣管壓力波動(dòng)計(jì)算與分析［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2002，33（2）：38－40.