实现小型二冲程汽油机分层扫气的膜片式喷射化油器

内燃机学报 TRANSACTIONS OF CSICE 1999年 第17卷 第2期 vol.17 No2. 1999 --------------------------------------------------------------------------------

实现小型二冲程汽油机分层扫气的膜片式喷射化油器

杨笑风 曾科 李国伟 蒋德明

摘要 发明并研究了一种结构简单的膜片式喷射化油器(DIC)，其工作原理是利用曲轴箱峰值压力给燃油加压，由一组膜片机构将进气喉口处的压差转换到燃油主量孔两侧，使供油量与进气量成正比，从而实现燃油的计量和喷射。

本系统和适当的扫气系统结合起来，可实现小型二冲程汽油机的分层扫气，减少燃油的短路损失，大幅度降低油耗和未燃碳氢排放。本文还提出了保留常规化油器的低负荷供油系统，用来解决一般简单喷射系统低负荷性能恶化的问题，又使燃油系统结构大为简化。

本文描述了DIC 的基本概念和工作原理，并在30 cm3试验专用汽油机上进行了膜片式喷射化油器供油特性和发动机性能的对比试验。

关键词 二冲程汽油机；化油器；分层扫气

An Investigation on Diaphragm Injection Carburetor in a Two Stroke

Spark Ignition Engine with Stratified Scavenging

Yang Xiaofeng Zeng Ke Li Guowei Jiang Deming

(College of Energy and Power Engineering ，Xi'an Jiaotong University)

Abstract A simple diaphragm injection carburetor (DIC) is developed and patented in the paper.The principle is that,as the function of the diaphragm mechanism,pressure difference between two sides of the metering hole equals the vacuum of the venturi,so the pressurized fuel metering can be realized by the fuel metering hole,vacuum from the venturi,and fuel injection.The fuel is injected into the feed port and mixed with the small fraction of air through the port,the main port of fresh air from the crankcase is injected to the cylinder with the scavenging organized so that a separating layer is created between the exhaust port and feed port,it can substantially reduce short-circuit loss of fuel-air mixture.The combination of the low load fuel supply system of a conventional carburetor with the DIC which functions at high load operation is also studied and presented,which makes the structure of the whole fuel system simple and is of great significance for development and application of small two stroke spark-ignition engines.The basic idea and principle of DIC are described in the paper.Test results on a 30 cm3 modified engine are presented,including characteristics of fuel supply and engine's performance comparison with conventional carburetor engine.

Key words Two stroke spark ignition engine;Carburetor;Stratified scavenging

引言

小型二冲程汽油机由于其结构简单，比功率大，制造成本低，故被广泛用于弦外机、摩托车及小型通用动力等领域，但和四冲程汽油机相比，其明显的缺点是比油耗高，HC 排放严重。因为在二冲程汽油机的换气过程中，废气是由新鲜混合气驱除的，废气和新鲜混合气之间并无明显的界限，在大给气比的情形下自然会有相当数量的新鲜混合气随废气一起直接从排气口流失。因此，为减少燃油的短路损失，必须把燃油同扫气空气分开，采用分层扫气方法，它包含两种扫气口，主扫气口只喷射纯空气，供油扫气口喷射浓混合气，主扫气空气射流将废气驱出排气口并在排气口和供油扫气口之间形成隔离层，减小浓混合气短路损失的

可能性。这方面已经有许多研究〔1～4〕，并取得了很好的效果，但很少有分层扫气在小型二冲程汽油机上产品化的报道，因为这种廉价的发动机不可能采用复杂昂贵的电控燃油喷射系统，而常规化油器实现混合气分层的局限性又很大，必须寻求一种新的简单有效的燃油系统以适应小型汽油机分层扫气的需要。因此，作者开发的膜片式喷射化油器(DIC)，既有喷射型燃油系统可灵活选取喷油位置的特点，又有常规化油器结构简单、成本低廉的长处。 值得注意的是，对所有应用简单的喷射系统和分层扫气系统的发动机而言，低负荷工况性能恶化是个较难克服的问题，有时会比常规二冲程发动机的性能差很多，原因是分层扫气增加了低负荷工况下缸内及循环间燃油的不均匀性，造成失火和不正常燃烧。图1是给气效率、扫气效率和给气比之间的关系曲线，随着给气比的减小，给气效率增加，而扫气效率下降。因为给气比较低时，循环供气量较少，扫气射流的贯穿度小，新鲜混合气在扫气过程中难以到达排气口，自然减少了短路损失。因此，低负荷时新鲜混合气的短路损失，要比大中负荷时小得多，大量的研究也表明〔5〕，低负荷工况下的HC 排放主要来自于失火和不正常燃烧，而不是短路损失。Onishi 〔4〕等人开发的热活性气体介质燃烧法(ATAC)，较好地解决了低负荷工况下常规化油器式二冲程汽油机的不稳定燃烧问题，因此，低负荷时并不需要采用分层扫气，这就形成了一个新的但很简单的想法，即在大中负荷时采用分层扫气以减少燃油的短路损失，而低负荷时仍用一般的混合气扫气方式以改善燃油混合和燃烧。这实质上归结为不同的负荷情况下采用不同的供油方式，可以很方便地把膜片式喷射化油器(DIC)和常规化油器的低负荷供油系统结合起来，其结构复杂程度与常规化油器相当，适合小型二冲程汽油机使用。由于常规化油器低负荷系统技术已很成熟，故本文主要研究膜片式喷射化油器的结构和特性。

图1 给气效率、扫气效率和给气比之间的关系

1 DIC 原理

常规化油器中燃油通常被吸入进气管中，发动机进气量和供油量都与喉口负压的平方根成正比，这样即可获得恒定空燃比的混合气，DIC 也是根据这一原理计量燃油，不同之处是它利用一个膜片机构将喉口的负压转换到燃油量孔两端，从而能够对燃油加压，实现任意位置的燃油喷射。

图2 DIC 工作原理图

1. 曲轴箱 2. 单向阀 3. 燃油箱 4. 喷射化油器

5. 弹簧 6. 压力室 7. 燃油量孔 8. 燃油膜片

9. 喷射室 10. 锥形阀 11. 燃油通道 12. 单向阀

13. 发动机 14. 负压室 15. 空气膜片 16. 大气室

17. 簧片阀 18. 空气量孔 19. 空气口 20. 喉管

21. 喉口 22. 入口 23. 节气门 24. 怠速供油道

25. 导流活塞 26. 排气口 27. 供油气道

图2是DIC 的原理图， 发动机工作时， 通过单向阀使燃油箱维持稳定的曲轴箱峰值压力，用以给DIC 系统供油，在喉口处产生的负压被引入负压室，大气入口处的大气压被引入大气室，这样空气膜片两侧的压差使其向上移动并打开锥形阀，燃油从喷射室喷入供油通道，喷射室压力下降，燃油膜片两侧也形成压差并使其下移关闭锥形阀；另一方面，压力室中的燃油经燃油量孔流入喷射室，使燃油膜片两侧的压差等于喉口处的压差，因此喉口处的压差决定了锥形阀的开度和燃油量孔两侧的压差，这样就可以喷射空燃比恒定的燃油。供油通道的入口位于节气门的下游，并通过单向阀与供油气道相连，这样可以维持供油通道内较为稳定的负压，有利于燃油的雾化，喷入的燃油与空气初步混合后，被吸入供油气道。由

于所有的进气都经过喉口，DIC 的燃油计量精度较高。

和常规化油器类似，DIC 供给发动机混合气空燃比的表达式为：

（1）

式中：μa--空气流量系数；

μf--燃油流量系数；

fa--喉口截面积；

ff--燃油量孔截面积；

ρa，ρf--空气、燃油密度；

Δpn--喉口压差；

Ff--弹簧预紧力；

Af--燃油膜片面积；

φs--给气效率。在式(1)中可调整的参数是喉口压差Δpn，其它参数当发动机和DIC 设计完毕后，一般是Δpn的函数或是常数，空燃比α将随着Δpn的变化按一定规律变化，当Δpn＜Ff ／Af 时，锥形阀关闭，当Δpn稍大于Ff ／Af 时，开始供油。但此时的值很大，致使混合气极稀，随着Δpn的提高，值迅速下降，并逐渐趋近于1。由于Ff ／Af 的存在，在低负荷时，DIC 系统的供油量少于发动机实际需要或根本不供油，和常规化油器的低负荷系统结合起来，才构成一个完善的供油系统。

2 DIC 试验装置

图3是试验专用发动机剖面图，它采用了DIC 和横流供浓混合气的回流扫气系统(LPAC)，发动机主要参数见表1。

根据DIC 系统的基本原理设计制造了DIC 试验装置，喉口负压由内径为1.5 mm的钢管从原机所带的BING 化油器喉口处引出，为试验调整方便，空气量孔直通大气，其主要结构参数见表2。

DIC 的进油油压为曲轴箱的峰值压力，约为2．5kPa ，为改善燃油的雾化和混合，燃油直接喷射到设置在供油气道内的铜丝网上，再与流经铜丝网的空气混合。

表1 发动机主要参数

排量 30 cm3 曲轴箱压缩比 1.25

缸径×冲程 33 mm×36 mm 排气口开 113 ℃A A TDC

有效压缩比 6.5 进气口开 140 ℃A ATDC

表2 膜片喷射化油器的主要结构参数

膜片直径 30 mm 空气量孔 可调

喷孔直径 2.5 mm 单向阀孔径 1.5 mm

喷孔锥度 90° 单向阀阀片半径 3 mm

阀杆直径 2 mm 油箱压力 25 kPa

阀针锥度 60° 膜片材料 布夹层橡胶板

主量孔 可调 膜片厚度 0.2 mm

图3 DIC 和LPAC 结合的发动机试验装置

1. 发动机 2. 排气口 3. 排气管 4. 导流活塞 5. 化油器 6. 润滑油路 7. 单向阀 8. 供油扫气道 9. 油箱 10. 单向阀 11. 单向阀 12. 供油扫气口 13. 主扫气道 14. 膜片式喷射化油器 15. 燃油调节量孔 16. 供油通道 17. 空气调节阀

3 DIC 供油特性

图4为不同节气门开度下化油器喉口真空度曲线，试验采用的化油器喉口真空度值偏低。 图5为DIC 各点在全负荷(3 750 r/min)时的压力曲线，各压力基本都受曲轴箱压力变化的影响，喉口和供油通道压力与曲轴箱压力的相位差别，主要是由于受管道效应影响的缘故。燃油量孔后面的压力曲线上的呈一定规律性的小波峰，是锥形阀开闭而产生的压力波动引起的，且曲线总的趋势微弱地受供油通道压力的影响，燃油量孔前的压力曲线的波动主要受燃油量孔后压力的影响，由于量孔和膜片的阻尼作用，削弱了波动的峰值。由压力曲线分析可知，锥形阀的开启是一个时开时闭的动态过程。图6为不同节气门开度下循环供油量特性和扭矩特性。高速时，循环供油量下降较快，这是因为当转速超过4 000 r/min以后，喉口真空度变化较小，致使循环供油量下降。换气过程恶化，进气反而减少。

图4 化油器喉口真空度

图5 DIC 各点在全负荷时的压力曲线

1. 曲轴箱 2. 化油器喉管 3. 供油通道 4. 燃油量孔后端 5. 燃油量孔前端

EO--排气阀开 EC--排气阀关 SO--扫气口开 SC--扫气口关

（a ）循环供油量

（b ）扭矩

图6 循环供油量特性和扭矩特性

4 发动机台架试验

在应用了LPAC 系统和DIC 系统的试验发动机上进行台架性能试验并测量了HC 和CO 排放。图6所示的不同节气门开度下的发动机扭矩特性趋势和循环进油量一致，如图7所示。和常规化油器相比，在全负荷、汽油机输出功率不降低的情况下，比油耗下降10％～20％，HC 排放降低20％～35％，这主要得益于DIC 和LPAC 使燃油的短路损失大幅度降低。CO 排放对比表明CO 排放有所增加，但均小于0.5%，增加的原因主要是燃油的雾化比常规化油器差，造成一定程度的不完全燃烧。

（a ）

（b ）

（c ）

图7 试验结果

5 结 论

本文对应用于二冲程汽油机的DIC 进行了理论和试验研究，提出了DIC 和常规化油器低负荷系统结合的新型燃油系统。由于其结构简单可靠，对实现小型二冲程汽油机分层扫气，大幅度降低油耗和HC 排放有着特别实际的意义。

(1) DIC 的基本原理是利用一个膜片机构将进气管喉口的压差转换到燃油量孔两端，从而实现加压燃油计量和燃油喷射。试验表明它在全负荷工况时具有良好的供油特性。由于膜片机构不存在频响问题，故可适用于各种发动机。

(2) 初步进行的发动机台架试验表明，采用DIC 和LPAC 后，全负荷时，比油耗下降10%～20%，HC 排放降低20%～35%，CO 排放略有升高，但仍小于0.5%。

(3) 膜片机构和常规化油器的低负荷系统都是成熟的技术，产品化时可将两者做成一体，其结构复杂程度与常规化油器相当或略为复杂。

作者单位:西安交通大学能源与动力工程学院，西安 710049

参考文献

〔1〕 Blair G,Hill B,Miller A,et al.Reduction of Fuel Consumption of a Spark-Ignition Two-Stroke Cycle Engine.SAE Paper 830093

〔2〕 Magee S,Douglas R,Blair G ,et al.Reduction of Fuel Consumption and Emissions for a Small Capacity Two-Stroke Cycle Engine.SAE Paper 932393

〔3〕 Rechelle P.Delayed Charging:A Means to Improve Two-Stroke Engine Characteristics.SAE Paper 941678

〔4〕 Onishi S,Jo S H,Jo P D,et al.Multi-Layer Stratified Scavenging(MULS)--A New Scavenging Method for Two-Stroke Engine.SAE Paper 840420

〔5〕 Duret P,Ecomard A,Audinet M.A New Two-Stroke Engine with Compressed Air-Assisted Fuel Injection for High Efficiency Low Emissons Application.SAE Paper 880176