分层扫气小型二冲程汽油机结构设计与开发

刘永根 杨慧明 宋雄伟 杨威 张巍 刘毅

摘要：通过国际合作引进先进设计理念，对化油器、进气管、活塞、气缸、配气相位等进行全新设计，成功开发了具有自主知识产权的新一代分层扫气小型二冲程汽油机，采用纯空气在空间上先行扫气，然后新鲜混合气依次跟进扫气的方式，避免扫气过程中新鲜混合气的短路损失而造成油耗升高及排放污染现象，无需增加触媒等后处理装置，经台架性能及耐久试验后，满足现阶段排放法规要求。

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.

關键词：分层扫气;结构设计;性能测试

Key words： stratified scavenging;structural design;performance test

中图分类号：F407.471                                     文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）20-0034-03

0  引言

小型二冲程汽油机由于其结构紧凑、操作轻便、功重比高、生产和维护成本低等特点，广泛应用于农林机械、园艺绿化、航模发动机等需要动力性能强劲并且轻巧便于携带使用的领域。经过几十年的发展，目前国内通用小型二冲程汽油机年产量约占同期全球同类发动机总产量的40%以上。但其扫气过程中短路损失造成大量的新鲜混合气直接从排气口流失，造成油耗升高并且排放尾气中含有大量的碳氢化合物HC和一氧化碳CO等有害物质，已成为大气的主要污染源之一[1]。欧美发达国家不断实施日益严格的排放法规，美国EPA早在上世纪九十年代就最先实施了通用小型汽油机的排放法规，目前已是第三阶段要求;欧盟也在2017年实施了第五阶段排放法规。常规的小型二冲程汽油机尾气排放已越来越难以满足日益严苛的法规要求。

LCS45I机型的研制，提供了一种高效率低排放的时间分层扫气小型二冲程汽油机。利用纯空气在空间上先行扫气，然后新鲜混合气依次跟进扫气。通过组织合理的进扫气流，首先把进气系统分成两部分，一路纯空气通过双腔化油器的上腔通道在扫气口附近被吸入储气通道，另一路新鲜混合气通过双腔化油器的下腔直接进入曲轴箱[2];换气过程开始后，位于储气通道前端的纯空气被在曲轴箱内预压缩的新鲜混合气先挤压流入气缸内清扫废气，而后新鲜混合气才流入气缸，利用时间上的先后在缸内形成分层流动。即利用纯空气将新鲜混合气与废气隔离开，阻止新鲜混合气直接从排气口流出，这样大大减少了新鲜混合气的逃逸;同时优化了减少了扫气口与排气口的高度差，在避免废气从扫气口倒流入曲轴箱的情况下，增加有效行程，来提高功率以及减少有害物排放;另一方面，汽油机在怠速工况时，双腔化油器的上腔通道始终处于关闭状态，只打开下腔通道，保持了怠速性能稳定，加速性能好。在此基础上降低了HC和CO排放值，无需增加排气后处理装置即能满足法规要求，最终实现节能减排的目的。整机结构紧凑、经久耐用同时又具备高功率、低排放的特点。

1  LCS45I分层扫气汽油机主要技术参数

主要技术参数见表1。

2  主要结构设计

整机为单缸、分层扫气、二冲程、风冷型式，结构紧凑、体积小、重量轻，详见图1。

2.1 气缸

汽缸内壁区别传统的一个进气口的模式，专门设计两个进气口，即双腔进气系统，一个吸入纯空气，另一个吸入新鲜混合气;增加了进气量，提高了换气效率。同时减少了从排气口到扫气口的高度，活塞上行时，气缸内壁上从扫气口关闭到排气口关闭这段距离，它是靠活塞上行强制把充量排出，这时由于进气已结束，气缸中大量的新鲜混合气也随废气一起被排出，导致油耗增加，同时使HC排放增加，因此这段愈少愈好。另外，优化布置扫气道结构形式，采用双通道扫气道结构，分别是截面积大小和角度不同的主副扫气道;附加独立的左右侧盖，保持弯道引导扫气气流首先冲向排气口对面的气缸壁，在缸壁的导引下折向向上，再沿着燃烧室顶部折转向下，流向排气口。增大了扫气截面和更好的组织了扫气气流，避免了短路扫气损失。该气缸结构新颖，性能可靠，不仅达到减少尾气排放和满足排放法规的要求，而且降低了气缸的工作温度并提高了小型汽油机的功率，气缸结构详见图2。

2.2 活塞

活塞区别传统的光滑圆柱型式，在满足结构强度的基础上，活塞裙部两侧分别设计专门的纯空气通道和储气型腔，并与扫气口及双腔化油器及进气管配合形成纯空气通道。活塞裙部面对气缸进气口的位置的纯空气内存室与气缸进气口的纯空气通道连接，并通过左右空气通道与活塞裙部的左右储气室相互联通。当活塞在气缸内向上运动在曲轴箱内产生的负压吸入纯空气时，进过上述通路首先到达左右储气后进入气缸内壁的左右储气通道上端;负压同时吸入新鲜混合气进入曲轴箱，然后到达气缸内壁的左右储气通道上端。因此，纯空气和新鲜混合气分层储存，当发动机燃烧作功后，活塞下移，曲轴箱压力增加将左右储气通道上端的纯空气挤压进入燃烧室，对废气先行扫气，其次新鲜混合气才跟进进入燃烧室，避免了新鲜混合气的短路损失，降低油耗的同时也减少了有害物的排放，活塞结构详见图3。

2.3 配气相位

利用活塞顶面开关排气口和扫气口，所以这两个换气口的开关时间只与它们的上沿位置有关;排气口距离气缸顶面的距离十分重要，一般认为这个距离越短越有利于提高发动机的转速，因为在高速时，清除废气的时间变短，提前开启，也就加长了排气和扫气时间。与此同时，利用活塞裙部下沿开关进气口，进气口的开关时间只与它的下沿有关;从进气口下沿到气缸顶面的距离也是一个重要尺寸，一般认为这个尺寸越大或活塞裙部越短越有利于提高发动机的转速，因为高速时进气时间变短，提前开启，也就增加了进气时间。为了提高充气效率，获得最大功率与最大扭矩，同时兼顾低速稳定性和经济性。经过优化试验，最终确定排气相位角127.3°，扫气相位角88.9°，进气相位角149.5°，配气相位如图4所示。

2.4 化油器和进气管

化油器喉口部位放置一个水平隔板，连接油门和阻风门，在保证足够的流通截面积的基础上将喉口处圆形进气通道分割为互不干涉的纯空气通道和新鲜混合气通道两部分，形成双腔化油器结构。与双腔化油器对应，进气管也一分为二，形成彼此独立的上、下型腔两个通道，分别用于通过纯空气和新鲜混合气;当活塞向上止点运动时，气缸上部燃烧室里的混合气开始受压，活塞下部封闭的曲轴箱容积增大，曲轴箱内压力迅速下降[3]，当上行到某一位置时，首先纯空气依次通过双腔化油器的上腔通道和进气管的上腔经进气口上腔，然后通过活塞裙部的纯空气通道进入储气型腔;而储气型腔与气缸两侧的扫气口联通，实现了纯空气进入扫气口上部的储气通道;其次活塞下边缘打开进气口，在内外压差的作用下，新鲜混合气通过双腔化油器的下腔和进气管的下腔经进气口下腔直接进入曲轴箱，曲轴箱开始进新鲜混合气。另外，在怠速工况下，纯空气通道一直处于关闭状态，而只打开新鲜混合气通道;使得汽油机怠速穩定，加速性能好，可有效提高汽油机的功率，结构详见图5。

3  样机测试

3.1 零部件检测试验

通过和美国公司的合作，完善了零部件的评价标准，编制了一套科学、合理、规范的检验指导书及判定规则，为产品检验提高了效率，减低了成本。

优化了数字点火提前角测试系统，在磁电机测试台上可以方便快捷的检测出汽油机的点火提前角度，测试数据见表2。另外优化了起动器试验，设计了起动器耐久拉动专用台架并实现自动控制，顺利完成10000次起动耐久测试。

3.2 外特性与排放测试

LCS45I分层扫气汽油机按照JB/T5135的各项规定，已经通过企业产品定型检验，各项指标超出国家标准，排放符合GB26133-2010《非道路移动机械用小型点燃式发动机排放污染物排放限值与测量方法》的各项指标;在不加任何触媒催化装置的情况下符合美国EPA第三阶段及欧Ⅴ排放标准。

3.3 模拟工况耐久试验

在耐久测试台架上，带上模拟负载;按照高速40s，转速控制在7800～8300rpm;怠速20s，转速控制在2700～3300rpm;以此循环往复，耐久测试150h。发动机标定功率下降不超过0小时测定值的5%;发动机主要零部件（包括气缸、活塞、活塞环、曲轴箱、曲轴连杆总成、飞轮、点火器、化油器、离合器、消音器等）未出现损坏或失效现象。与此同时，通过了振动试验、超速试验、突加（减）速试验、噪音试验、停机试验等，强化了发动机的指标考核，使得产品更加成熟可靠。

4  结论

①通过国际科技合作，研制出的新一代分层扫气小型二冲程汽油机，通过对活塞及气缸扫气结构型式的创新设计，合理组织扫气气流，用纯空气将新鲜混合气与废气隔离开，阻止新鲜混合气直接从排气口流出，利用纯空气充当扫气时的短路损失，避免部分新鲜混合气直接排除机外，从而达到节油和降低尾气中CO、HC等有害物质排放的目的。②对气缸上排气口，扫气口及进气口进行优化布置，同时配合活塞顶面及裙部尺寸，降低了发动机的排放及整机温度，同时在避免废气从扫气口倒流入曲轴箱的情况下，缩短扫排产，增加有效行程，来提高功率以及减少有害物排放;在不加任何触媒催化装置的情况下符合日益严苛的法规要求。③通过对曲轴箱体进行时效处理、离合器处选用高等级滚针轴承、化油器膜片材质使用聚酯纤维、曲轴主轴颈位置布置储油孔和输出端控制螺纹退火距离等等优化设计措施，提高了发动机的耐久使用寿命。

参考文献：

[1]刘圣华，周龙保.内燃机学[M].四版.北京：机械工业出版社，2017.

[2]文华，刘永长，魏明锐.二行程汽油机分层扫气性能的数值模拟研究[J].车用发动机，2003（6）：25-28.

[3]刘长生.两种小型二冲程汽油机的配气方式及特点[J].小型内燃机与摩托车，2011（5）：84-89.