膨胀室排气管的潜力 双冲程电动工具
2010-32-0011 20109011
已发布 09/28/2010
格哈德兹西加，罗伯特克雷斯，马提亚斯巴赫和克劳斯福奥斯保时捷工程服务
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摘要
由于世界范围内手持式汽油动力工具的排放限制减少，
用于这些应用的二冲程发动机的碳氢化合物排放需要大 幅减少。本文研究了膨胀室排气管对减少二冲程发动机 清除损失所产生的碳氢化合物排放的潜力。在一个系列 生产背包鼓风机发动机，箱式消音器比较基线膨胀室和 改进膨胀室。此外，由于这是一个成本非常敏感的市场
，我们研究了使用不同调谐阶段的膨胀室从同一发动机 实现不同功率水平的可能性。结果表明，使用膨胀室，
该系列生产发动机的功率可以提高40%，同时仍具有34%
的排放优势。调整一个膨胀室为相同的峰值马力作为盒 子消音器，提供了62%的排放优势。根据所显示的从同一 发动机实现不同功率水平的可能性，一个发动机系列的 发动机位移数量可以减少节省成本。
介绍
二冲程发动机的膨胀室已经闻名了几十年了[ 1].然而，
在小型工业发动机上，如割草机、鼓风机、切割机等，
他们还没有在系列生产。随着这类发动机的排放和成本 要求的增加，膨胀室可能提供一个降低成本和排放的机 会。布莱尔、古斯塔夫松和琼森在1999年的[2]、2001年 的[3]和2006年的[4]上进行了多次调查，使用了一个大 部分是平行的调谐管道。在使用膨胀室时，在马力和排 放方面似乎有一个更大的潜力
通常用于中高BMEP二冲程应用，但在这类工业发动机上 使用膨胀室的经验有限。由于市场对这些发动机有各种 不同的功率水平，通常相差10%到20%，并覆盖一个排量
，我们还研究了从同一发动机推断多个功率水平的可能 性。
发动机
对于调查，一个背包鼓风机发动机被选择，这在市场上 已经有好几年了。发动机的排量为51.7 cc。由于手持动 力工具的位移范围从20 cc到120 cc，这台引擎在中场的 较低侧。发动机的规格列于表中 1.
在调查之前，进行了以下三个修改：
1.空气箱已被拆除
由于空气箱的主体和鼓风机壳体是一体的，空气箱被拆 除，而允许发动机通过剩余的进气管呼吸。
2 . 气缸法兰处的排气口出口直径减小
对于膨胀室的使用，排气口窗的面积与排气口法兰的面 积之间的有利比例约为1。为了实现这一点，在气缸法兰 处的排气口的出口直径从22mm减少到14mm。图 1显示了修 改后的排气口。
表1。试验发动机的发动机参数
图1.试验发动机排气口
3.发动机的标准排气系统被一个传统的箱式消音器所取 代。
为了减少噪音和排放，发动机使用了一个排气管配置，
其中包含了一个由Blair [5]描述的调谐管。本研究的目 的是显示与箱形消音器相比的潜力
被大多数制造商使用。因此，发动机的原始排气系统被 替换为一个简单的箱式消音器。用于测试的箱式消音器 由一个空箱体组成，其体积是发动机排量体积的十倍。
它通过一根直径为22 mm的50 mm长的管道连接到排气口
。一种用于测量动态排气压力的水冷式压力传感器，在 距活塞裙部处增加约50毫米。峰值功率与这个排气是相 同的与标准排气。图 2显示了盒式消声器的原理图和主要 尺寸。
图.2箱式消音器的原理图
通过燃料平衡来测量燃料消耗，并使用Horiba Exsa废气 分析仪来分析废气排放。计算了输送比、充电效率和捕 获效率的值。研究了发动机的满载曲线，保持一氧化碳 值为5%。这相当于该发动机上的空燃比约为0.80。在整 个调查过程中，对发动机本身没有进行进一步的修改。
图 3显示了使用标准调谐管和箱式消音器的发动机的基线 功率曲线。
图3.发动机的基线功率曲线
基线膨胀室排气管
为了达到目标发动机转速，膨胀室必须有正确的调整长 度。调整的长度是从活塞裙到后锥末端的长度。为了获 得正确的膨胀室调整长度，必须了解发动机的排气温度
。发动机的排气温度可以在膨胀室的设计之前进行测量
，但是，由于不同的表面积和不同水平的断裂平均有效 压力（BMEP），这可以实现与膨胀室与箱式消音器相比
，排气温度可以与测量的起始值不同。
对于基线膨胀室，峰值功率的目标发动机转速为6000 rpm，这与标准排气装置的速度相同。以Blair [5]的公 式为起点，设计了一个三级扩散器膨胀室。假设废气温 度为385°C
给总调谐长度为1000毫米。图 4显示了基线膨胀室的尺 寸。
尽管基线膨胀室的总长度为1240 mm，但仍可以在鼓风机 外壳内集成一个膨胀室。这个主题稍后将会讨论。
基线结果 膨胀室 排气管
与箱形消音器相比，膨胀室的测量结果显示了主要的潜 力。图 5显示了基线膨胀室和标准箱式消音器在功率和 扭矩，以及特定燃料消耗和特定排放方面的比较。
虽然废气温度略低于预期，峰值功率在5700 rpm，显著
图.4基线膨胀室的尺寸
图5。基线膨胀室和箱式消音器的功率、扭矩、油耗和排放量
可以观察到好处。功率从2.1 kW上升到约2.8，箱式消音器比大气温度高出约0.1 bar 千瓦，这是增加了33%，而特定的排放压力。这是因为盒子消音器的出口是
保持不变。打破特定的燃料消耗限制达到标准排气的功率水平
（BSFC）在发动机膨胀的范围内减少。在约130°曲柄处的压降 房间调谐了。发动机的扭矩随角度的增加是由输出压力波的反射引起的 峰值为20%，仍高于盒式消音器后壁的扭矩输出。相比之下，发动机 盒式消音器贯穿整个速度范围。与膨胀室显示了两个主要的区别。
在TDC前约160°的曲柄角时，膨胀波 图 6显示了交付率，充电效率，捕获率哪个沿着扩散器传播，产生的压力值为
效率和捕获效率作为交付的函数在温度处的峰值比环境压力低约0.2巴 膨胀室与箱式消音器的比例。它可以是排气口这种真空支持清除，因此 看到电力的增加是由于交付的增加发动机的交付率增加了。另一个区别是 从而提高了充电效率。作为压力从大约30°的曲柄开始增加
膨胀室开始失调，大约是在排气口关闭前的角度。这是由于反射 6000 rpm，充电效率的差异与在膨胀的端锥处的输出压力波
盒子里的消音器开始变小了。这是由于一个大约在那个时候返回到排气口的腔室。
随着膨胀而提高发动机的捕获效率重新充电，它已经离开了气缸被推动 室内温度低于6000 rpm。捕获效率的函数回到气缸里。这就是为什么捕获效率是 交付率显示出一个普遍增长的潜力使用膨胀室进行了改进。因为仍然有一个压力 基线的捕获效率约为5%在排气口处，比环境条件高出约0.3巴
当膨胀室调在一起时。闭合时，堵塞脉冲的全部潜力就没有被充分利用
在这个发动机转速下。膨胀室稍微向外打开了 此时将显示在排气口处测量到的压力痕迹的曲调。
在无花果。 7 . 发动机压力曲线的平均水平
.6.图膨胀室和箱式消音器的输送比、充电效率、捕获效率和捕获效率的关系
图7.膨胀室和6000转/分箱式消音器的压力历史
优化后的膨胀室排气管
鼓风机的运行速度由鼓风机的空气动力阻力与发动机功 率的组合来决定。当发动机的功率曲线与鼓风机的通风 机图相交时的发动机转速将是发动机的最大转速。由于 功率的增加将允许鼓风机以更高的速度旋转，膨胀室也 必须调整以以更高的速度工作。的新目标速度
峰值功率比基线膨胀室高出约1000 rpm。这就给出了一 个新的调谐长度，总共为810毫米。中间部分的最大直径 与之前保持相同。为了在支持扫气的排气口处施加负压 脉冲，扩散器的平均角度略有增加。这是通过将膨胀室
（头部段）开始处的平行段的直径从19 mm减少到16来实 现的。5 mm.图 8显示了优化后的膨胀室的尺寸。图 9显 示了基线和优化后的膨胀室之间的比较。
.8.图优化膨胀室尺寸
图.9基线膨胀室（黑色）覆盖有优化的膨胀室（红色）
优化后的膨胀室长度为810毫米，很大程度上改变了发动 机的特性。图 10显示了基线和改进后的膨胀室的功率、
扭矩、BSFC和特定的排放量。最大功率略有增加。发动 机的最大扭矩减少了大约12%，但保持在整个速度范围内 的最大值的85%，现在。BSFC下降到约430克/千瓦时，这 提高了约12%。具体排放量从125克/千瓦时减少到82克/
千瓦时，这方面有所改善34%。
图 11显示了交付率，充电效率，捕获率效率和捕获效率 作为基线膨胀室和优化膨胀室的输送比的函数。与基线 膨胀室获得的值相比，优化膨胀室获得的输送比更小。
这是由于发动机运行到其时间区域限制为更高的速度
一系列然而，最大功率增加了，这是由于在更高的速度 下充电效率更高。充电效率的提高是由于捕获效率的提 高引起的，在发动机转速达到6000 rpm时大致相同，但 在发动机转速超过6000 rpm时上升到约82.5%。最大值增 加了10%。捕获效率随输送比的变化表明，在优化后的排 气管中，捕获曲线的梯度略有陡峭。
在发动机转速为6900 rpm时，排气口的压力轨迹如图所 示。 12.在一个较低的振幅后排气口开口与基线膨胀室可 以被看到。这是由于基准膨胀室在此发动机转速下的 BMEP值较低。优化后的膨胀室产生的凹陷比基线膨胀室 高出约50%，达到约0.34 bar的峰值。这是由于扩散器平 均角度和头部直径的改变造成的。此外，
图10。基线和优化后的膨胀室的功率、扭矩、油耗和排放量
.11.图输送比、充电效率、捕获效率和捕获效率作为基线和优化膨胀室输送比的混合物
基线膨胀室的插拔脉冲到达得太晚，无法提供足够的插 拔，而优化后的膨胀室的插拔脉冲到达得更早，从而使 堵塞更有效。然而，在排气口关闭处的排气口处的压力 仍高于环境压力，这意味着仍有进一步优化堵塞脉冲的 潜力。使用一个更陡的端锥就是一种尝试。关于优化膨 胀室的进一步信息可以在Kee等人的论文中找到。例如，
[7]和卡特莱特和Fleck [8]。
不同的成就 功率水平
在发动机系列上，这是常见的手持动力工具，发动机在 马力和排量方面的差异通常在10%到20%之间。如果通过 膨胀室实现不同的功率水平，这可以减少满足发动机系 列需求功率水平所需的不同位移的数量，从而节省成本
。为了使用膨胀室实现不同的功率水平，有不同的可能 性，其中两个已经被进一步研究，也可以结合起来。
限制膨胀室集管直径
限制割台的直径可以防止发动机产生峰值功率。图 13 显示了这种修改对优化后的膨胀室的影响。集管直径分 别从16.5 mm减小到14 mm和15 mm。在较低的速度下，当 头还没有限制时，功率曲线与非限制性的头大致相同。
根据限制的等级，峰值功率速度也会降低。排放和燃料 消耗略有增加。
限制膨胀室出口管直径
限制膨胀室的出口管直径，从而增加膨胀室的背压，从 而降低发动机的输送比。Fleck等人也简要地描述了这种 效应。[6].这样，就可以显示不同级别的功率曲线。功 率曲线的形状会相似，只有它们的水平会更低。图 14
图2。.1在6900 rpm时，基线和优化膨胀室排气口的压力历史记录
显示了在发动机转速为6900 rpm时对优化的膨胀室的影 响。发动机参数显示为排气背压力的函数。随着功率和 扭矩的减少，BSFC保持在440 g / kWh起始值的5%以内。
具体的排放值总共减少了约50%。
在背压值为0.32 bar时，功率约为2 kW，与该发动机转 速下的基线箱形消音器的功率相同。 4).然而，该工作点 的箱式消音器的排放量为125 g / kWh，膨胀室的排放量 为48 g / kWh。61%的好处。此外，与箱式消音器相比，
膨胀室在此操作点上的BSFC降低了18%。
图 15显示了输送比、充电效率和捕获效率作为排气背压 的函数，以及捕获效率作为输送比的函数。随着输送比 和充电效率的降低，诱捕效率上升到90%以上。
与基线测量值中的盒式消音器相比(图。5)，诱捕效率从 77.5%提高到89.5%，提高了12%。15%的好处。捕获效率 的提高是用膨胀室装置测量的排放量较低和BSFC值较低 的原因。同样，由于捕获效率的提高，在膨胀室设置时 的输送比更小，而在6900 rpm时的充电效率大致相同。
捕获效率提高的原因如图所示。 16，其中显示了有和无 限制的优化膨胀室的压力轨迹。随着排气背压的增加，
压力轨迹的平均值也被移动到一个更高的水平。这提高 了堵塞脉冲，从而提高了捕获效率。但它也阻碍了膨胀 室扩散器产生的真空的增压，这就是为什么输送率下降 的原因。
图13.限制集管直径对优化后的排气管的影响
图4。.1限制6900 rpm对优化排气管的影响
图5。.1限制6900 rpm对优化排气管的影响
.16.图无限制和无限制排气口压力历史
将膨胀室集成到鼓风机中
膨胀室可以通过弯曲在一个平面上很好地安装在鼓风机 外壳中。其他类型的二冲程动力工具通常以更高的速度 运行，因此它们的膨胀室会更短。此外，排气尾管的长 度对发动机性能几乎没有影响，这使得总长度可以再减 少约24%。膨胀室的重量小于标准排气，留下可能包括一 个消声器。图 17显示了集成到鼓风机中的膨胀室。
图7。.1膨胀室集成到鼓风机中
结论
本研究探讨了膨胀室排气系统在二冲程动力工具中的潜 力。两个扩展室，一个基线版本和一个优化版本被应用 于一个系列生产发动机，并与在这类发动机上常用的箱 式消音器进行了比较。所得结果如下。
发动机的性能提高了40%，具体排放量降低了34%。具体 排放量最大减少62%。捕获效率提高到最大值的15%。
BSFC被减少到18%。
此外，还显示了两种实现较低功率水平的可能性，它们 也可以结合起来。这样，就可以减少显示发动机系列所 需功率水平所需的发动机位移数，从而也可以降低成本
。作为一个副作用，使用这种方法将减少发动机的振动 和重量，因为较大的排量发动机将被较小的带有膨胀室 的排量发动机所取代。
参考文献
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联系方式
格哈德兹加
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定义和缩写
哥伦比亚 一氧化碳 eo
排气打开
执行
排气关闭 直流电压
死顶中心 ATDC
在顶级死亡中心之后 BTDC
在死亡中心之前 波罗的海国家自由委员会
打破特定的燃料消耗
doi: 4271/20 10 0011
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