二冲程发动机的研究

二冲程发动机的情况

二冲程发动机的研究在九十年代时骤然兴起，他深深的吸引着人们。据情报，现在至少有十七家公司正在实施二冲程发动机的研究计划，其中日本九家，欧洲五家，美国三家。尽管各家公司的新型发动机采用不同的技术与具体设计，但他们遇到共同的棘手任务，是如何巧妙地使发动机的废气排放符合标准。

为什么发动机的设计师们会重新在二冲程发动机上下功夫呢？因为目前设计产品时，不得不兼顾政府的各项法令、燃料消耗标准以及消费者对高性能的要求。但与此同时，四冲程发动机的研究几乎到了顶点，再想大幅度提高其性能将很困难。所以，设计师们又想到了二冲程发动机。

大家知道，要提高发动机的性能，主要是利用以下两个基本手段：提高燃烧时气缸的工作压力或提高发动机的转速。现在，这两个手段，在设计四冲程发动机时都充分的运用了。例如,本田等国外大公司已经将汽车发动机的转速提至 8000 转/分钟，但转速的提高并不是无限的，现在的四冲程汽车发动机的转速几乎到了极限。又如，在提高燃烧时的汽缸工作压力方面，使用涡轮增压的发动机可以提高汽缸压力并产生更强的功率，但爆震又给设计师们增加了难题。而且涡轮增压发动机的燃油消耗并不低，由排气涡轮产生的回压影响了中低速运行时的经济性。更重要的是任何增加燃烧压力的企图（例如高压换气、提高压缩比等）都势必要产生更高的燃烧温度，进而增加废气中氮氧化物的含量，而这些氮氧化物又正是所有污染物中最难控制与滤除的。三元催化剂可以对尾气起到一定的净化作用，但其制造、反馈控制设备及维护成本又大大增加。

毋庸置疑，为摆脱上述困境，发动机厂商正在寻找一条新的途径来引导今后的设计，而二冲程发动机，正是其答案。因为二冲程发动机的活塞每次上行到上止点（ TDC ）时

均点火做功，而不像四冲程发动机那样每隔一次点火一次。也就是说二冲程发动机的做功行程比四冲程发动机整整多一倍，故同排量的二冲程发动机只需一半的汽缸压力，就可以产生与四冲程发动机一样的输出功率和转数。汽缸工作压力的减小，则意味着可大幅度地降低氮氧化合物的排放含量，以及热负荷的降低和发动机的设计尺寸更轻小。做功行程多一倍的收益可被用在很多方面，例如：输出功率与四冲程发动机一样功率的新型二冲程发动机，其体积和重量只有四冲程发动机的一半；或者换句话说，如果功率和扭矩是设计时追求的目标，那么与四冲程发动机等重量体积的新型二冲程发动机，将有更强劲的动力。

典型的二冲程发动机致命的弱点便是浪费燃料，排污过大。纯空气扫气加上燃油喷射成为新型二冲程发动机的主要设计思想。澳大利亚ORBITAL发动机公司的低压喷射式二冲程发动机方案，已经被FORD、GENERAL MOTORS、OUTBOARD MARINE、MERCURY MARINE等公司采用。该公司一台1.2升三缸新型二冲程发动机被装在FORD公司的ESCORT牌车上，输出功率62.5千瓦，比原1.9升发动机减重113.4公斤，由于车重的减低所以省掉了转向助力装置。PEUGEOT公司的低压喷射二冲程发动机轻载时同比四冲程发动机的燃油消耗下降20%至50% 。CHRYSLER公司的一台1.1升三缸机，在每分钟5250转时，输出73.5千瓦的功率和135.5牛顿*米的扭矩。SUBARU公司的V置四缸1.6升新型二冲程发动机，5200转时功率为129.4千瓦，扭矩达235.8牛顿*米。TOYOTA公司在十年前设计的4升6缸新型二冲程发动机，可以输出647.7牛顿*米的扭矩，与当时的CHEVY454型V8发动机的扭矩相同，这个产品主要是为载重卡车市场设计的，其经济性据说与柴油机相当。HONDA公司、YAMAHA公司、SUZUKI公司、NISAN公司DAIHATSU公司、MAZDA公司、RICARDO发动机实验室等等，都在进行新型二冲程发动机的研究。ORBITAL发动机公司早前向公众展示了一台147千瓦的V6新型二冲程发动机，它的重量只有88.9公斤。

去其糟泊，取其精华，不断的学习进步是我们工业的必由之路。

目前，有一种专利技术，就是“通过汽缸盖进气”，通过气缸盖进气的二冲程发动机较国外的新型二冲程发动机的设计更有优势，可以使发动机的动力得到更进一步的提高，而且尾气更洁净。通过气缸盖进气的二冲程发动机采用与四冲程发动机同样的曲轴箱式压力润滑，使得发动机的寿命更长。

通过气缸盖进气的二冲程发动机采用与四冲程发动机相似的气缸盖设计，只是将所有气门都用作进气，这样可以使的进气阻力更小，进气效率更高。例如，二气门的发动机二个气门全部用作进气，相比原发动机的进气面积增加了一倍，并且省去一根凸轮轴。通过气缸盖进气的二冲程发动机的排气是采用活塞阀原理，即排气口开在气缸的下止点处，当做功结束时，活塞运行至缸壁开口时，汽缸内的废气靠自身的残余压力自行溢出。这样做使得排气阻力小，效率更高。通过气缸盖进气的二冲程发动机上进气、下排气，消除了典型二冲程发动机的扫气盲腔及扫气过程中的短路损失，可以更进一步降低排放，这一点比原先的二冲程发动机设计更有优异。通过气缸盖进气的二冲程发动机采用纯空气扫气方式，即在发动机的进气口安装一个鼓风机（或涡轮风机）并与曲轴联动，鼓风机的排气特性比较硬，这样当发动机的进气门关闭时，鼓风机把空气压至缓冲腔内并得到相当高的压力，当进气门打开时，有一定压力的空气迅速吹入气缸，完成换气。提高鼓风机的容积或调整与曲轴的速比即可实现增压效果，采用自动变速联动装置时，就可实现低工况时自动减少泵气量，以减低油耗，高工况时增加泵气量，以提高气缸的充气压力，实现增压来增加功率输出。燃料供给采用高压气缸直射，也可以采用进气道低压喷射。通过气缸盖进气的二冲程发动机原理应用在柴油机上，可以使现有的车用柴油机的动力得到100%至150%的提高，尾气排放可以更优于四冲程发动机。

通过气缸盖进气的二冲程发动机是四冲程发动机和二冲程发动机的结合体，使用四冲程发动机的进气方式和二冲程发动机的排气方式，并通过机械增压泵兼进气泵来辅助进气，这样做可以带来一系列的好处。

例如：

1、 缸盖上的气伐可以全部用于进气，提高了进气效率；

2、 二冲程的做功方式，同比四冲程发动机功率增加一倍（理论可达1.5倍以上）；

3、 四冲程发动机的润滑方式，润滑好，寿命长；

4、 二冲程发动机的排气方式，功率损失小，结构更简单；

5、 在此基础上实现“可变进排气正时”更简单；

6、 使用机械增压泵兼辅助进气泵，即进气又增压一举两得，功率损失小进气效率高并可应用于高原车辆，增压后的动力输出曲线较涡轮增压方式更平直；

7、 在此基础上实现低负荷歇缸工作，更简单，更节油；

8、 气阀与活塞不干涉，燃烧室的设计更简单更理想；

9、 同等四冲程发动机功率时体积可以更小更轻，节省空间；

10、 二冲程发动机的工作方式，降低氮氧化物的排放；

11、 比功率值高，可以安装在对发动机功率要求较高的车辆上，如：坦克，船舶，工程机械；

12、 四冲程发动机的进气方式，二冲程的排气方式，配合机械增压进气泵，进的净，排的净，实现尾气排放低；

13、 做功次数同比四冲程发动机高一倍，实现发动机振动小，扭矩高，功率输出连续性好，响应特性更好；

14、 过量的扫气可实现缸内冷却，更直接，对外围冷却系统要求更低，冷却效果更好。

通过气缸盖进气的二冲程发动机技术不但可以应用在柴油机上，还可以应用在汽油机上。我国现有柴油机技术更需要创新和提高。通过气缸盖进气的二冲程发动机相比于四冲程发动机只作了很小的改动，所以现有发动机生产厂利用原有设备就可以生产。

通过其它厂的试验数据表明可以使等排量内燃机的动力特性得到70%-150%的提升，并针对实用车辆缸柴油机进行进一步的优化工作，以期望得到150%的动力提升。

随着社会的进步和科学技术的发展，汽车已成为人们日常生活中不可缺少的交通工具。目前一般常用的发动机可分为四冲程和二冲程两大类，那么，四冲程与二冲程这两种发动机之间有哪些区别呢？

一 结构不同

二冲程的热力部分主要由气缸盖、气缸、活塞、活塞环等零件组成。四冲程摩托车的热力部分主要由气缸头、气缸头盖、气缸、活塞、活塞环以及配气机构组成。配气机构包括气门、气门导管、气门座、气门弹簧、配气凸轮、配气链条、配气链轮、链条张紧器、

摇臂等零部件组成。

相比较而言，二冲程比四冲程体积小、结构简单、重量轻，制造维修方便。

二、工作过程不同

为使发动机能连续工作、燃烧，需要一系列动作按一定的顺序重复执行。首先将混合气体吸入气缸内，气体被压缩后燃烧产生膨胀，燃烧产生的气体从气缸排出。如此进气、压缩、燃烧、排气四个动作重复进行的过程被称为发动机的工作循环。

二冲程发动机曲柄旋转360°完成一个工作循环，即曲柄旋转一圈发动机燃烧做功一次，它是靠气缸壁上的扫气口、排气口完成进、排气过程的。四冲程发动机曲柄旋转720°完成一个工作循环，即曲柄旋转两圈发动机燃烧做功一次，它是靠配气凸轮来控制进、排气门完成进、排气过程的。

由于二冲程发动机曲柄旋转一圈做一次功，四冲程发动机的曲柄旋转两圈做一次功，所以二冲程发动机的扭矩较四冲程发动机均匀；同时在相同曲轴转速和相同工作容积的情况下，二冲程发动机输出的功率比四冲程发动机高一倍，但因二冲程发动机有扫气损失，并且换气时减少了有效工作行程，所以它的实际输出功率仅比四冲程发动机高50%～70%。

三、润滑方式不同

二冲程发动机有两种润滑方式，一种是混合润滑，即将润滑油混合在汽油中；另一种润滑方式是分离润滑，即利用机油泵，将润滑油打入曲轴轴颈等处，然后与新鲜混合气混

合后一同进入燃烧室内烧掉。这样燃烧后形成的积炭和焦状沉积物会粘死活塞环，造成漏气，堵塞扫、排气口，造成功率损失，加速曲柄连杆滚针轴承的磨损。

四冲程发动机的润滑方式也有两种：一种是飞溅润滑，即利用发动机工作时运动零件飞溅起来的油滴或油雾润滑摩擦表面；另一种润滑方式是压力润滑，依靠机油泵，将润滑油输出到配气凸轮、气门摇臂等处，然后收集回来经过过滤后循环使用，同时还能带走摩擦部件的摩擦物(如铜屑、铝屑等)。润滑油不仅润滑了运动部件，而且还对气缸头起冷却作用，更改善了润滑条件。

相比较而言，二冲程发动机的运动部件润滑效果较差，零部件工作环境较恶劣。所以二冲程发动机比四冲程发动机寿命短，一般只有四冲程发动机寿命的1/3～1/2。

四、耗油量不同

二冲程发动机进气、排气过程只占曲轴转角的130°～150°，新鲜混合气先进入曲轴箱，当活塞下行时，新鲜混合气由扫气口进入气缸燃烧室，同时将残余废气挤出排气口。为了使废气排出更干净，必然会有一些新鲜混合气随废气流出排气口，造成新鲜混合气的浪费，使油耗上升。

而四冲程发动机进气、排气共占曲柄转角的360°，排气时活塞上行至上止点，将废气强行排出，进气时活塞下行至下止点，进入的新鲜混合气几乎全部参加燃烧，基本上没有被浪费的新鲜混合气，因此油耗较低。

五、排放不同

二冲程发动机在低速运转时，油门开度小，排气不充分，扫气不完全，燃烧室内新鲜混合气浓度低，会使新鲜混合气燃烧不完全，使废气中CH化合物的含量剧增；同时扫气时有一部分新鲜混合气随废气一同排出，混合气中的润滑机油燃烧不充分，也使排气中的CH化合物增多。

而四冲程发动机混合气中不含润滑油，有单独的进排气过程，新鲜气体全部进入燃烧室参加燃烧，几乎没有新鲜气体随废气排出。

因此，二冲程车排气中CH化合物的含量远远高于四冲程车。

总的来看，二冲程发动机特点是：体积小、重量轻、功率大、油耗大、排放高，结构简单，制造、维修方便，价格便宜。四冲程发动机的特点是：体积大、结构复杂，油耗低，排放低，制造、维修较麻烦，价格相对较高。

随着社会的发展，人们的环境保护意识逐渐增强，各地政府有关汽车方面的政策相继出台。因此，四冲程车越来越受到人们的青睐；而且随着加工技术水平的不断提高和燃油电子喷射等新技术的广泛应用，四冲程车结构复杂、体积大等缺点会得到逐步改进。而二冲程车也因其升功率大，价格便宜等优势还存在一定的市场，特别是在船用等特种用途方面被广泛应用。

近年来直喷技术的使用使得二冲程发动机又重新回到市场，仰仗先进的液冷、电控、喷油及燃烧技术，还有排气口端加可调节流阀的技术，二冲程发动机又开创最后的鼎盛局面。

凭借高单位功率、高功率重量比和体积上的优势，二冲程发动机是否能抵抗住四冲程

发动机的冲击呢？

直喷800R是Rotax公司797系列发动机最新的迭代产品，是一款800毫升体积液冷平行双螺杆155马力（115千瓦）发动机。未限制的排放量为碳氢化合物150 g/kW•h，碳氧化合物400 g/kW•h，与其相比，美国EPA（环保署）第三阶段排放标准理论上大约削减了50%。碳氢化合物排放限制直接标准为75g/kW•h，碳氧化合物排放限制的平均标准为275g/kW•h

对于二冲程设计而言，碳氧化合物排放的最大挑战是燃烧室内的充分燃烧。Rotax的研发小组将音圈电磁喷油器应用于直喷系统，从而将从油泵相对低压区域流出的燃油进一步施压，同时以34巴的压强将燃油注入800R的汽缸内。

该压强条件下油流瞬间汽化，再由火花塞点燃。与以前的碳化二冲程燃烧相比，前述方法能够达到更充分的燃烧效果，以及更好的阀门效应。其改善的排放效果还表现在，直喷E-TEC发动机启动时的刺鼻气味大幅下降。

与直喷系统联合使用的还有：BRP的簧片感应器、3-D RAVE（Rotax可调式流阀排气口）电磁排气阀和高效电子控制单元（处理各种传感器的输入数据，如曲柄臂角度、节气门位置、锁具状态、冷却剂温度以及周围环境压力和温度）。开环燃油系统同时对喷口和电子控制单元进行冷却。3-D是指三维图示，用于操纵排气口阀门和每个气缸上面的三个排气口。Ski-Doo 采用新型800R发动机，其油耗指标，与竞争产品相比油耗降低37%。

直喷技术的其他益处包括：便于启动、更好的空转性能以及更高的燃油效率。

800毫升发动机采用直喷技术（600毫升发动机也同样装备了该技术）证明了二冲程

发动机至今仍然有强大的生命力。

从工厂实际情况出发，我厂原先生产的是四冲程的发动机，在此基础上改为生产二冲程的发动机，困难相对小。如果能实现系列化，功率段可涵盖车、船、发电等最好。

根据我们市场调研，发现现在潜在的最大用户是渔船。用户对发动机的要求是：价位低、可靠性高、维修方便、操作简单。船东一般是发动机还不到寿命就更换掉。和直接用户协商后，建议近两年能推出最好。目前，国内只有MAN公司在做，国产二冲程发动机是缺项。