対置双缸二冲程汽油机一维性能仿真文献综述

 2022-01-09 18:08:02

全文总字数:5853字

文献综述

1 研究背景和技术发展二冲程发动机早在二十世纪初期就已经被发明制造[1],但面对日趋严重的环境污染和能源危机,二冲程发动机没有被现今的车企所采用。

相较于四冲程发动机,二冲程发动机具备一些优势:二冲程发动机的工作循环是在两个活塞行程内,即曲轴旋转一周的时间完成的,这意味着二冲程发动机相比于四冲程能够提供更强大的动力和推重比[2];其次,二冲程排气和进气的脉动比较均匀,使其旋转更加平稳,输出扭矩更加均匀,振动更小[3];再有就是二冲程省去了四冲程繁杂的配气机构,结构紧凑,因此更加轻巧,保养也更加方便[4]。

但其缺点也显而易见,由于双倍动力冲程产生较大的热量,排气压力比四冲程的高得多,使得排气噪声较大[5],同时也容易由于高热负荷导致零部件变形、烧蚀等问题,因此二冲程发动机整体寿命短[6];二冲程普遍使用的润滑方法主要有两种,一种是把润滑油混合在燃料中,另一种则是利用分离润滑泵,但这两类润滑方法均无法回收利用润滑油,不仅大量损耗,还会产生焦状燃烧物造成活塞拥堵和漏气泄压等问题[7],如果燃烧物进入曲轴箱,还会造成主轴承以及连杆轴承磨损,并且运行过程中出现的金属屑难以像四冲程一样有效带出,大大加速了内部零件的磨损[8];虽然二冲程发动机换气结构简单,省略了繁杂的配气结构,但由于新鲜燃汽和废气之间没有确定的分界面,若要最大限度地排出废气,就必定要将进入的燃汽排出一部分[9],因此在换气过程中部分刚充入的新鲜燃汽会被挤泄出排气口形成泄漏损失,但汽缸里仍然有残留废气,这种方式无法彻底换气,很难形成最佳的燃汽混合状态[10],大量未燃和不完全燃烧的燃汽直接排出,因此会造成较大的排气污染[11]。

存在的这些缺陷,导致传统二冲程发动机在一般大众市场里逐渐消失。

随着发动机技术的不断革新,二冲程发动机的各方面问题也得到优化。

首先是通过配气和扫气方式进行优化:通常使用分层扫气的形式,发动机在工作过程中利用纯空气在新鲜混合气和废气之间形成分层[12-13],并由纯空气承担一部分扫气损失,可以减少碳氢化合物的排放,提高燃油经济性[14];其次是通过缸内直喷的创新进行优化:采用燃油喷射定时与分段喷射技术,进气初期喷油,燃油首先进入缸内下部,进气后期喷油,浓混合气在缸内上部聚集,通过缸内气流组织在火花塞周围形成易于点火的浓混合气,外层逐渐稀薄[15];选择高能点火和宽间隙火花塞,有利于火核形成,合理置于燃烧室中央,可缩短点火距离[16];浓混合气点燃后,燃烧迅速波及外层,实现分层燃烧,提高了燃烧的稳定性,并降低了NOx和HC的排放[17-18]。

还可以通过改善润滑方式进行优化:一种可借鉴的方式是四冲程润滑方式,润滑油存放在曲轴箱内,通过活塞上下行运动所产生的压力,配合曲轴及其机构的运动,使润滑油露化并进入相应的润滑部位,并通过单向阀实现油气分离和润滑油的回油[19];另一种方式是润滑油存放在特定腔室内,通过油泵经油道送至各部位润滑,为了防止多余的润滑油进入汽缸,活塞设气环与油环,润滑油通过回油口循环回油泵,为了避免曲轴箱内新鲜燃汽与润滑油接触与混合,可在各运动付两端装设油封封堵[20-21]。

采用这些润滑方式,润滑油非但不进入汽缸燃烧,而且构建了良好的润滑循环工作系统,零部件的磨损回归到与四冲程相差不大的水平,整机寿命得以提升,废气排放也能得到有效改观。

另外,可以用分层火焰诱发末端混合气自燃的混合燃烧模式(SFI)来加快高废气稀释混合气的燃烧速度,提高二冲程汽油机的热效率,以解决二冲程汽油机缸内残余废气率高,容易出现燃烧不稳定和放热速度慢等问题[22]。

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