小型二冲程发动机燃烧室堆积物与压力因素影响研究

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与应用范围较广的四冲程发动机相 比，二冲程发动机有输出功率更高、机械结构简单等优点，特别是整体部件较少，制造工序简单，利用效率高。因此，在工业生产中大大减少了制造材料的浪费。但是，二冲程发动机存在着大量燃烧 室堆积物 (CombustionChambe Deposit以下都简称 CCD)的问题。通常情况下，在燃烧室内如果有大量的 CCD存在时，燃烧室的容积就会减小，达不到原标准的设计参数，使得压缩比升高，随之对燃料的辛烷值要求增加 ，火焰温度上升直接导致尾气中的氮氧化物增加 j。与此同时，若气缸盖的火花塞部位堆积大量的CCD，也会使得点火失效或者爆缸等现象产生 j。若在燃烧室内的CCD在发动机工作时脱落进入到活塞环与气缸的间隙中，就会有阻碍活塞运动和磨损汽缸壁的危险隐患 J。对这些危害进行研究，在保证二冲程发动机的效率和高性能的前提下，并且有效地抑制 CCD生成量 ，成为当今二冲程发动机开发研究的重点。

为了抑制 CCD大量堆积，首先对发动机进行了各种实验研究来了解其生成机理。从 CCD的转化来源着手，按二冲程发动机燃料成分分析，主要是燃料与润滑油中含有的芳香烃及其各种清洁剂 ，高沸点的烃等物质的物理化学性质而转化成 CCD5 ；并且通过核磁共振和红外光谱照射等方法对 CCD的成分分析。

CCD是-种芳香碳氢化合物被氧化后凝聚而成的聚合物，并不是单-结构 的有机物 ]。然而 ，对发动收稿 日期：2012-08-15作者简介：伊斯拉海提 ·阿不力孜(1953-)，男(维吾尔族)，新疆沙湾人，副教授，硕士生导师，(E-mail)zqmyong###hotmail.corn。

机燃烧室 CCD的相关研究，主要集中在四冲程发动机的工作条件下进行 ，而在二冲程发动机上研究较少。

二冲程发动机的燃烧条件有别于四冲程发动机，二冲程发动机是将燃油、润滑油与空气在曲轴箱内混合挤压后，-起导入气缸内混合燃烧 ，而四冲程发动机只将燃油和空气导人气缸进行燃烧；二冲程发动机在换气方式上也有别于四冲程发动机，二冲程发动机排气阶段和进气阶段会较长的重叠时间，没有独立的活塞进排气行程，而四冲程发动机拥有独立排气和进气行程，没有相互的叠加时问。所以，二冲程发动机有已燃气体残留和燃料流失等情况出现。从 CCD的形成环境出发，CCD在燃烧室内的消炎灭火区堆积l6I8 J，出现的堆积区域为非稳态温度场；但温度存在稳定的上下限范围 J，这些区域都处在高温高压状态，所 以从该区域开始研究其影响因素。

对二冲程发动机的活塞上CCD进行分析，了解到火焰温度和环境压力对其 CCD量有着明显的影响。

通过研究温度惩压力场的变化规律，在非燃烧条件下进行了模拟实验，设定不同压力和温度条件来研究CCD的生成与其两因素的影响关系。为更准确地了解 CCD的生成特性除了模拟实验外，继而通过的二冲程机的实机进行对比实验。

1 实验装置及实验方法1.1 模拟实验反应釜结构图，如图1所示。反应釜外形尺寸是内径为66mm，外径为 120mm的厚壁圆筒形釜体，上下附有盖体。使用增压罐对反应釜加压，用筒形加热器插入到反应釜对其加热～热电偶插人反应釜来测试温度，压力表显示反应釜内压力，通过记录笔记2013年 7月 农 机 化 研 究 第 7期录温度与压力的输出。本实验中的温度测量试件在反应釜载物台上，观察出现 CCD时所测试的温度判定为 CCD产生的温度。

图 1 高压反 应釜不葸 图Fig.1 Schematic diagram of autoclave实验方法 ：首先，用电子天平称取试件质量，并向反应釜中注入试剂，将试件放入反应釜载物台上；然后，开始对反应釜加热和增压，直到反应釜内达到实验需求的温度值和压力值后，将这种高温高压环境持续 30min；最后解压和停止加热。实验结束后，将测试的试件取出冷却至室温后用丙酮洗净残留试剂，充分干燥后用电子天平称取质量，记录下并计算出试件增加的质量，这就是实验中生成的CCD量～试件上的CCD取样进行红外吸收光谱测试 ，模拟实验中选用的试剂为汽油与通用二冲程发动机润滑油5j。

1.2 实机实验实验发动机为缸径和行程为 62mm×58mm，排气量为 175cm 的风冷式单缸二冲程发动机。为了测量压力和燃烧室壁面温度 ，对实验发动机气缸盖上开设定位孔，使其能装备测试探针。为了减少 CCD质量测量误差，所以将活塞体改装成顶部可分离式。

实验时，发动机的转速在 2 200r/m，给气 比设定为0.4，过量空气系数调整在0.8～1.6之间，在不加载荷的条件下稳定运行5h。在发动机运行结束后将活塞顶面取下，用丙酮和汽油将其附带的残油洗净，待其冷却后使用电子天平称取质量，记录下实验前后质量并计算出CCD生成量。实验试剂：使用的燃料为普通汽油，润滑油是二冲程发动机通用润滑油。

2 实验结果与分析2.1 模拟实验结果对 CCD的转化与温度间的关系分析，首先将实验气压设定在 1.5MPa的状态，调节试件表面温度，设定试件 表向媪度，。C图2 表面温度对堆积物的影响(压力 1.5MPa)Fig.2 Efect of cell surface temperature on deposit formation(test pressure 1.5MPa)从实验数据分析，试件表面温度在 225C以下时，CCD的生成量极其微少接近于0，只有当温度在225- 250℃之间时才是 CCD形成的起始温度。在 275oC附近时 CCD的生成量达到最大值，当温度超过300C后 CCD的生成量逐渐开始减少 ，减少趋势很稳定。通过热质量分析仪测试 CCD，其分析结果出现在 300C左右质量开始下降。因此，在本实验中 CCD量在加热到300℃以上后也开始减少。与 cheng研究燃烧室堆积物量会伴随内壁面的温度上升而减少倾向表现-致 引。也曾经有过关于 CCD的生成温度的上限研究。对于本实验来讲也会出现温度上升到-定阶段后生成量达到上限。

综上所述，CCD的生成量还是会与温度有关的(CCD的生成温度上限与下限同样存在)，所以将 CCD的生成关系与温度和压力两种因素进行研究，设定的测试片温度是在 200～300C调节，与其相对应的同时进行压力的改变，探寻 CCD的生成量与两者的影响关系，结果由图 3所示。此外，将测试试件的表面温度控制在 250-300C时，CCD的生成量与压力的关系如图3所示。

从图 3中可以看到，在实验环境压力保持在1.OMPa以上的条件下，CCD的生成下限温度几乎没有改变处于稳定状态，总保持在 240℃附近。但是，若实验环境压力达不到 1.OMPa时，CCD的生成温度会有着极不稳定的变化。当压力值在 0.3～1.0MPa范围内时，CCD的生成温度下限会随着压力下降反而升高；直到在0.3MPa以下时温度的下限后，没有明显的2013年 7月 农 机 化 研 究 第 7期变化规律趋势。因此，在不同的压力环境下，CCD的生成温度下限会受到很大影响。

图3 压力和表面温度对堆积物的影响Fig.3 Range of deposit formation for test pressure andcell Surface Temperature图4为压力与 CCD的生成量关系图。从图4中可以直接了解到，试剂的 CCD生成量在未燃烧的情况下随着压力的增加有逐步上升的趋势。此外，在随着环境压力变化时，试件的表面温度在 250℃ 时要 比275 oC与 300clC的条件下 CCD生成量少很多。但是 ，当环境压力上升到 1.5～1.7MPa时，燃料开始出现 自燃现象，CCD生成量会随着燃烧持续减少。其原因是实验试液中含有的 P-二 甲苯成分达在到 自燃的压力和温度条件时，开始燃烧后也会将-部分 CCD-起燃烧。因此，在某些可燃性较高的 CCD成分中，当表面温度和压力达到条件后就开始发生 自燃 ，这样就起到抑制 CCD的作用。

图5是当环境压力 1.5MPa和环境温度在 250oE条件下生成的CCD吸收红外线照射的变化曲线。从图5中可以了解到，除了存在苯环的 CC键结构外，醛基里也含有羧基的CO键和单独羧基的 C-O键对红外线的吸收能力都有着差异性。这说明 P-二甲苯的苯环不能完全分解。其中，苯环结构上的甲基易被氧化 ，直接氧化成羧基和醛基两种结构；另-方面，羧基的 O-H结构和醛基 c-H结构对红外线的吸收不会很明显。CCD的生成机理很复杂，但主要成分是由高分子化合物发生脱水反应和缩聚反应后，生成的芳香烃氧化物和聚合物，这与江崎的研究结果相符 。

测试压力/MPa图4 压力对堆积物生成量的影响(◇ △ 0 代表自燃时的位置)Fig.4 Effect of pressure in the autoclave on deposit form ation(◇ △ O ；under autogenous ignition)2200 2000 1800 1600 1400图5 压力 1.5MPa温度 250℃条件 F生成的堆积物红外光谱分析Fig.5 Infrared spectrum of deposit at test pressure of I.5 MPa and cellsurface temperature of 250C氧含量对堆积物生成量的影响如图6所示。在常压环境中，氧的浓度大约在21vo1%。在这样的条件下，CCD的生成量大约在35mg，若用氮气来代替空气· 243·∞ ∞ 加sⅢ 蜒 辫 T 槲捌霪f201 3年 7月 农 机 化 研 究 第 7期中氧使其约含量仅为 2.1vo1%时，CCD的生成量就会很少，仪器不易检测到稳定精确值。通过这些结果表明，氧气是生成 CCD必不可少的-个条件，所以可以用化学官能团的氧化过程来解释 CCD的生成过程。

另-方面，如图 4所示 ，CCD的生成量伴随着环境压力的上升而增加。根据亨利法则对液体中溶解气体的溶解度和气体压力成比例的原理来分析，随着环境压力的上升与P-二甲苯溶解氧气量增加，CCD化过程中肯定发生多次氧化反应。

4O30删餐20磐1002含量 (V01%)图6 氧含量对堆积物生成量的影响Fig.6 Effect of oxygen concentration in the autoclave Oil deposit formation2.2 实机实验结果前面所研究都是在化学反应釜中进行的模拟实验，CCD的生成中肯定是含有氧化过程存在，在 CCD的生成中氧化反应除温度外，压力也对反应很大的影响。基于这些结果，在实际发动机上进行 CCD生成研究时，是在调整过量空气系数和各种不同诚下，对CCD生成量的变化研究。

过量空气系数对燃烧室温度和 CCD质量的影响如图7所示。其由发动机曲轴转速 2 200r/m和过量空气系数在0.8-1.4间调节给气比为0.4时 CCD生成量和燃烧室墙面温度。此外，发动机在相同的条件下工作 时，1周期 中燃烧室内的压力 回升到 0.5～1.5MPa以上。由图7可以得知，过量空气系数 0.8～1.3，润滑油的供应量与其相应量是与之对应变化的，过量空气系数较大时尽管混合气比较稀薄，但 CCD的生成量还是会有所增加。另外，燃烧室壁面的温度和- 过量空气系数0.8时比理论空燃比低，过量空气系数达到标准1.0-1.1时，CCD量处于稳定状态；当过量空气系数升高到1.2-1.4时，混合气随之变得稀薄，CCD量达到峰值；过量空气系数更高时，CCD量会有所回落。

图 8燃烧室内的压力在 1.5MPa以上的条件时，空气过量系数 1.1稀薄方面不存在；1.0MPa以上的状态时，稀膘合气的出现时间变短，当变为0.5MPa以上时空气过量系数关系基本上保持不变。实机的燃烧室中使用的燃料是由汽油和润滑油按比例组合的混合物，在使用反应釜的模拟实验中的燃料试剂为单-成分，所以模拟结果并不能充分地解释实际现象；而实验结果中的很多现象和定性趋势在条件相近的情况下不会有很大差异。例如，与理论空燃比相比较设定过量空气系数是 1.3时，导致 CCD生成量会更多的与实际情况相符。本实验使用的是改装过的发动机 ，燃烧室内的压力可以将压力长时间稳定地保持在0.5～ 1.0MPa以上，燃烧室壁面的温度也可以保持在大约 200 。在燃烧室可以充分地增加氧气使得燃烧方式接近于稀薄燃烧 ，更容易测量 CCD的生成量。在以前的研究过程中，燃料成分是 CCD转化的起因，并随着新鲜混合气的稀薄而减少，正好与润滑油的供给量呈相 反的情况，在润滑油供给量较少时极易产生CCD，这也是两冲程机构特定的现象。

80普螳； 6O器蜡 402OOU o 赠图7 过量空气系数对燃烧室温度和CCD重量的影响Fig.7 Influence of excess air ratio on the CCD formation and thecombustion chamber surface temperature1201005 8060艘 暴 4O氧 20O过量空气系数图8 过量空气系数对燃烧室的压力影响Fig.8 Influence of excess air ratio on pressure in the combustion chamber3 结论1)由燃料和润滑油转化堆积物时，存在着最低温· 244·2013年 7月 农 机 化 研 究 第 7期度下限，其温度值随着环境压力变化。

2)由燃料和润滑油转化堆积物时也存在着最低压力下限，在 CCD生成温度范围内环境压力条件与CCD生成量成正比，若高压状态时会 出现 自然现象 ，其热分解导致 CCD量减少。

3)转化 CCD时有机物的官能团发生氧化反应 ，环境压力增加起到催化作用，加快反应速度。

4)当燃烧室内的壁面温度和压力达到适合 CCD生成的条件时，润滑油和燃油混合气流入燃烧室内，混合气中含有的润滑油等成分转化成 CCD，剩下的气体密度下降极易形成稀膘合气。