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兩衝程循環

兩衝程循環（英語：Two-stroke engine）是內燃機基本運轉形式中的一種。對往復活塞式發動機來說，兩衝程循環以「上行」和「下行」兩個衝程完成一個工作循環中的進氣、壓縮、點火、排氣四個運動[註 1][1]。衝程指的是發動機的活塞從一個極限位置到另一個極限位置的距離或運動過程。[2]

本田NSR500型二衝程發動機
杜格爾德·柯拉克發明的二衝程引擎

歷史

二衝程發動機被認為是蘇格蘭工程師杜格爾德·柯拉克（英語：Dugald Clerk）於1878年發明的[3][4]，並於1881年申請了專利[5] 。1908年，約克郡阿爾弗雷德·斯科特（英語：Alfred Angas Scott）開始生產雙缸水冷摩托車[6]。1932年，阿道夫·施虐勒（Adolf Schnürle）發明了新的廢氣掃除技術（英語：Schnuerle porting），二衝程發動機到了成熟階段[7][8]。1950年代曾有不少廠家推出使用這類設計的四輪小型汽車，但在四衝程的車型推出後漸被淘汰。雖然1970年代有人試圖改良，如日本鈴木公司曾生產二衝程發動機的汽車[9]。缸內直噴技術可以讓二行程引擎燃燒完全、污染低，只要能解決耐用度問題，將成為二行程機車再發展的機會。採用直接燃油噴射和基於油底殼潤滑系統的二衝程循環因為可以達到更高的熱效率，而被用在船用發動機等大型柴油發動機中。[10][11]

原理

結構

 
二衝程發動機的動畫

兩衝程發動機在結構上很簡單，但是在運轉過程中涉及到的力學很複雜。一個典型的簡單的兩衝程發動機主要由氣缸蓋、氣缸、活塞、活塞環等零件組成。進氣孔與出氣孔分別在氣缸的左右兩端。進氣口在氣缸的下部，排氣口位於氣缸的上部（作功時活塞全行程的2/3處），換氣口稍低於排氣口[12]。

循環

 
兩衝程循環中曲軸的運動
1. 上止點 Top dead center (TDC)
2. 下止點 Bottom dead center (BDC)
  A: 進氣
  B: 排氣
  C: 壓縮
  D: 做功

活塞移動兩個行程或曲軸轉一圈，二衝程引擎完成一個工作循環。活塞在曲軸的帶動下從下死點（BDC）向上運動，把混合氣流進曲軸箱內。活塞下行把混合氣壓到燃燒室，完成第一次壓縮。 活塞上行把進氣口和排氣口都關閉了，並繼續壓縮汽缸中的混合氣，當活塞把氣體壓縮到最小體積時火花塞點火。[7]

燃燒產生的壓力把活塞往下推，當活塞下行到一定的位置時排氣口先打開，排出幾乎全部的廢氣，然後打開進氣孔，在曲軸箱中壓縮過的新的混合氣（燃料中通常混合着一些機油以便潤滑曲軸）通過進氣孔進入氣缸，同時將缸內剩餘的廢氣排出。隨後活塞向上運動，活塞的升起使之在封閉的曲軸箱產生一個相對的真空。化油器與曲柄軸箱之間的連接因為活塞的上升而打開，空氣-燃料混合物被吸進曲柄軸箱。與此同時，空氣-燃料混合物在氣缸內被壓縮，然後用火星塞將其點燃，靠混合物燃燒所產生的巨大的能量推動活塞向相反的方向運動[13]。

特點

優點

 
一輛斯洛維尼亞車廠Tomos（斯洛維尼亞語：Tomos）所製造的兩衝程機車。攝於日本東京代官山街頭。

與四衝程發動機相比，二衝程發動機結構簡單，運動部件少，所以成本較低。由於曲軸每轉一圈都有做功，在相同功率下，二衝程發動機尺寸小，重量輕。低速力矩大，扭矩隨曲軸轉角變化均勻[14]。 因為不以重力活塞循環，很適合引擎外露和經常作大幅度搖擺的電單車，即使有數百毫升的排氣量仍然是較佳的選擇。

缺點

排氣高污染是二衝程循環的最大缺點；因為進氣跟排氣要在同時進行，廢氣中有可能會含有未燃燒的燃料，造成浪費燃油及空氣污染。二衝程汽油機的碳氫化合物排放量可能是四衝程汽油機的好幾倍[15]。除此之外，二行程循環的動力系統是倚靠額外添加的噴合油或預混潤滑油（事實上就是已經混合好適當潤滑油後一起銷售的二行程專用燃料）來進行引擎機件的潤滑；由於這類潤滑物質通常都比較難完全燃燒，因此也容易產生較嚴重的廢氣污染。要解決這些缺點的方法是使用缸內直噴技術，可以讓二行程引擎的排氣污染降低到與四行程引擎相近。[16][17]

應用

 
薩博96運動版

由於運作特性之故，兩衝程主要運用於偏大與偏小的發動機組（如大型輪船或航模發動機），而中型發動機多為四衝程引擎。一般而言，小型汽油機（100cc以下）通常採用兩衝程循環。例如一些外置，高功率，低排氣量的摩托車、卡丁車，以及割草機、電鋸等一些園藝用機器上。至於在手持裝置領域的應用上，二行程循環的動力裝置由於不需倚靠重力低落原理運作的機油儲槽（oil reservoir，視需求有盤狀、壺狀等多種設計），因此在操作時不用考慮方向問題，而較適合需求。[14]

雖然對於大部分人的認知來說，二行程循環引擎通常都只是與汽油內燃機聯想在一起，但其實市面上仍然存在很少數的二行程柴油引擎系統。在柴油發動機的領域中，通常只有很大排氣量的動力系統，例如大型海事用發動機或是卡車與重型工程機具動力系統，才會見到二行程設計的版本，這些系統通常有兩個特點，第一就是運轉時的轉速很低，第二是通常都會搭配渦輪增壓器以提升功率表現。[14]

注釋

  1. ^ 四衝程循環需要用四個衝程來完成這四個運動。

參見

參考文獻

  1. ^ 凌永成. 现代汽车与汽车文化. 清華大學出版社有限公司. 2005: 60 [2016-10-28]. （原始內容存檔於2020-11-04）. 
  2. ^ 劉崢; 王建昕. 汽车发动机原理教程. 清華大學出版社有限公司. 2001 [2016-10-28]. （原始內容存檔於2020-11-04）. 
  3. ^ Forgotten Hero: The man who invented the two-stroke engine. David Boothroyd, The VU. [2005-01-19]. （原始內容存檔於2004-12-15）. 
  4. ^ Nunney, M.J. Light and heavy vehicle technology 4th. Oxford, England: Elsevier Butterworth-Heinemann. 2007: 6–8 [2016-10-28]. ISBN 0-7506-8037-7. （原始內容存檔於2019-05-10）. 
  5. ^ Beecroft, David. History of the American automobile industry. lulu.com. 2008: 64–65. ISBN 978-0-557-05575-3. 
  6. ^ Clew, Jeff. The Scott Motorcycle: The Yowling Two-Stroke. Haynes Publishing. 2004: 240. ISBN 0854291644. 
  7. ^ 7.0 7.1 Irving, P.E. Two-Stroke Power Units. Newnes. 1967: 13-15. 
  8. ^ Schnuerle Porting. Plane Crazy. [2010-08-01]. （原始內容存檔於2009-06-16）. 
  9. ^ Suzuki LJ50 INFO. Lj10.com. [2010-11-07]. （原始內容存檔於2020-11-04）. 
  10. ^ Lotus, QUB and Jaguar to Develop Variable Compression Ratio, 2-Stroke OMNIVORE Research Engine. Green Car Congress. 2008-08-12 [2010-11-07]. （原始內容存檔於2020-11-17）. 
  11. ^ Lotus Engineering Omnivore Variable Compression Ratio Engine to Debut in Geneva. Wot.motortrend.com. [2010-11-07]. （原始內容存檔於2010-08-17）. 
  12. ^ 第二节 发动机的简单工作原理. 瀋陽理工大學. [2016-10-28]. （原始內容存檔於2020-05-23）. 
  13. ^ Gordon Jennings. Guide to two-stroke port timing. 1973-01
  14. ^ 14.0 14.1 14.2 关于二冲程摩托车前景的讨论：二冲程摩托车需要“变法图强”. 人民網. 2002年8月15日 [2016-10-28]. （原始內容存檔於2020-05-23）. 
  15. ^ 許洪國. 汽车运用工程基础. 清華大學出版社有限公司. 2004: 184 [2016-10-28]. （原始內容存檔於2020-11-04）. 
  16. ^ Ross and Ungar, "On Piston Slap as a Source of Engine Noise," ASME Paper
  17. ^ 黃奕超. 引擎簡介 (PDF). 清華大學動力機械系. [2016-10-28]. （原始內容存檔 (PDF)於2012-11-19）. 
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