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两冲程循环

两冲程循环（英语：Two-stroke engine）是内燃机基本运转形式中的一种。对往复活塞式发动机来说，两冲程循环以“上行”和“下行”两个冲程完成一个工作循环中的进气、压缩、做功、排气四个运动[注 1][1]。冲程指的是发动机的活塞从一个极限位置到另一个极限位置的距离或运动过程。[2]

本田NSR500型两冲程发动机
杜格尔德·柯拉克发明的两冲程引擎

历史

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两冲程发动机被认为是苏格兰工程师杜格尔德·柯拉克（英语：Dugald Clerk）于1878年发明的[3][4]，并于1881年申请了专利[5] 。1908年，约克郡阿尔弗雷德·斯科特（英语：Alfred Angas Scott）开始生产双缸水冷摩托车[6]。1932年，阿道夫·施虐勒（Adolf Schnürle）发明了新的废气扫除技术（英语：Schnuerle porting），两冲程发动机到了成熟阶段[7][8]。1950年代曾有不少厂家推出使用这类设计的四轮小型汽车，但在四冲程的车型推出后渐被淘汰。虽然1970年代有人试图改良，如日本铃木公司曾生产两冲程发动机的汽车[9]。缸内直喷技术可以让二行程引擎燃烧完全、污染低，只要能解决耐用度问题，将成为二行程机车再发展的机会。采用直接燃油喷射和基于油底壳润滑系统的两冲程循环因为可以达到更高的热效率，而被用在船用发动机等大型柴油发动机中。[10][11]

原理

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结构

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两冲程发动机的动画

两冲程发动机在结构上很简单，但是在运转过程中涉及到的力学很复杂。一个典型的简单的两冲程发动机主要由气缸盖、气缸、活塞、活塞环等零件组成。进气孔与出气孔分别在气缸的左右两端。进气口在气缸的下部，排气口位于气缸的上部（作功时活塞全行程的2/3处），换气口稍低于排气口[12]。

循环

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两冲程循环中曲轴的运动
1. 上止点 Top dead center (TDC)
2. 下止点 Bottom dead center (BDC)
  A: 进气
  B: 排气
  C: 压缩
  D: 做功

活塞移动两个行程或曲轴转一圈，两冲程引擎完成一个工作循环。活塞在曲轴的带动下从下死点（BDC）向上运动，把混合气流进曲轴箱内。活塞下行把混合气压到燃烧室，完成第一次压缩。 活塞上行把进气口和排气口都关闭了，并继续压缩汽缸中的混合气，当活塞把气体压缩到最小体积时火花塞点火。[7]

燃烧产生的压力把活塞往下推，当活塞下行到一定的位置时排气口先打开，排出几乎全部的废气，然后打开进气孔，在曲轴箱中压缩过的新的混合气（燃料中通常混合着一些机油以便润滑曲轴）通过进气孔进入气缸，同时将缸内剩馀的废气排出。随后活塞向上运动，活塞的升起使之在封闭的曲轴箱产生一个相对的真空。化油器与曲柄轴箱之间的连接因为活塞的上升而打开，空气-燃料混合物被吸进曲柄轴箱。与此同时，空气-燃料混合物在气缸内被压缩，然后用火花塞将其点燃，靠混合物燃烧所产生的巨大的能量推动活塞向相反的方向运动[13]。

特点

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优点

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一辆斯洛维尼亚车厂Tomos（斯洛维尼亚语：Tomos）所制造的两冲程机车。摄于日本东京代官山街头。

与四冲程发动机相比，两冲程发动机结构简单，运动部件少，所以成本较低。由于曲轴每转一圈都有做功，在相同功率下，两冲程发动机尺寸小，重量轻。低速力矩大，扭矩随曲轴转角变化均匀[14]。 因为不以重力活塞循环，很适合引擎外露和经常作大幅度摇摆的电单车，即使有数百毫升的排气量仍然是较佳的选择。

缺点

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排气高污染是二冲程循环的最大缺点；因为进气跟排气要在同时进行，废气中有可能会含有未燃烧的燃料，造成浪费燃油及空气污染。两冲程汽油机的碳氢化合物排放量可能是四冲程汽油机的好几倍[15]。除此之外，二行程循环的动力系统是倚靠额外添加的喷合油或预混润滑油（事实上就是已经混合好适当润滑油后一起销售的二行程专用燃料）来进行引擎机件的润滑；由于这类润滑物质通常都比较难完全燃烧，因此也容易产生较严重的废气污染。要解决这些缺点的方法是使用缸内直喷技术，可以让二行程引擎的排气污染降低到与四行程引擎相近。[16][17]

应用

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萨博96运动版

由于运作特性之故，两冲程主要运用于偏大与偏小的发动机组（如大型轮船或航模发动机），而中型发动机多为四冲程引擎。一般而言，小型汽油机（100cc以下）通常采用两冲程循环。例如一些外置，高功率，低排气量的摩托车、卡丁车，以及割草机、电锯等一些园林用机器上。至于在手持装置领域的应用上，二行程循环的动力装置由于不需倚靠重力低落原理运作的机油储槽（oil reservoir，视需求有盘状、壶状等多种设计），因此在操作时不用考虑方向问题，而较适合需求。[14]

虽然对于大部分人的认知来说，二行程循环引擎通常都只是与汽油内燃机联想在一起，但其实市面上仍然存在很少数的二行程柴油引擎系统。在柴油发动机的领域中，通常只有很大排气量的动力系统，例如大型海事用发动机或是卡车与重型工程机具动力系统，才会见到二行程设计的版本，这些系统通常有两个特点，第一就是运转时的转速很低，第二是通常都会搭配涡轮增压器以提升功率表现。[14]

注释

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  1. ^ 四冲程循环需要用四个冲程来完成这四个运动。

参见

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参考文献

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  1. ^ 凌永成. 现代汽车与汽车文化. 清华大学出版社有限公司. 2005: 60 [2016-10-28]. （原始内容存档于2020-11-04）. 
  2. ^ 刘峥; 王建昕. 汽车发动机原理教程. 清华大学出版社有限公司. 2001 [2016-10-28]. （原始内容存档于2020-11-04）. 
  3. ^ Forgotten Hero: The man who invented the two-stroke engine. David Boothroyd, The VU. [2005-01-19]. （原始内容存档于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. （原始内容存档于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]. （原始内容存档于2009-06-16）. 
  9. ^ Suzuki LJ50 INFO. Lj10.com. [2010-11-07]. （原始内容存档于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]. （原始内容存档于2020-11-17）. 
  11. ^ Lotus Engineering Omnivore Variable Compression Ratio Engine to Debut in Geneva. Wot.motortrend.com. [2010-11-07]. （原始内容存档于2010-08-17）. 
  12. ^ 第二节 发动机的简单工作原理. 沈阳理工大学. [2016-10-28]. （原始内容存档于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”. 人民网. 2002年8月15日 [2016-10-28]. （原始内容存档于2020-05-23）. 
  15. ^ 许洪国. 汽车运用工程基础. 清华大学出版社有限公司. 2004: 184 [2016-10-28]. （原始内容存档于2020-11-04）. 
  16. ^ Ross and Ungar, "On Piston Slap as a Source of Engine Noise," ASME Paper
  17. ^ 黄奕超. 引擎簡介 (PDF). 清华大学动力机械系. [2016-10-28]. （原始内容存档 (PDF)于2012-11-19）. 
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