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          二沖程與四沖程發動機有什么區別?

          放大字體??縮小字體 發布日期:2019-07-26
          核心提示:現在汽車上使用的發動機大多數都是往復活塞式四沖程發動機,即發動機曲軸每旋轉兩周,經歷進氣、壓縮、做功、排氣四個沖程完成一
              現在汽車上使用的發動機大多數都是往復活塞式四沖程發動機,即發動機曲軸每旋轉兩周,經歷進氣、壓縮、做功、排氣四個沖程完成一個工作循環;而在摩托車、剪草機、油鋸、游艇等機械上搭載的是兩沖程發動機,即發動機曲軸轉動一周、經歷兩個沖程即可完成一個工作循環。那么這兩種發動機究竟有什么區別呢?各有什么優缺點呢?下面我們來分析一下這個問題。

          首先我們來看看這兩種發動機的結構上的區別。不論是兩沖程還是四沖程,都有汽油機和柴油機兩種,它的整體結構可以分為兩大機構、五大系統,即曲柄連桿機構,配氣機構、燃料供給系、潤滑系、冷卻系、點火系和起動系。汽油機和柴油機最大的區別是柴油機沒有點火系,而且二者的燃油供給系也有很大的區別;從熱效率方面來說,柴油發動機更高一些。為了更好的說明這兩種發動機的區別,我將這些機構和系統分別說說。

          1、曲柄連桿機構

          曲柄連桿機構是發動機實現工作循環,完成能量轉換的主要運動零件。它由機體組、活塞連桿組和曲軸飛輪組等組成。兩沖程發動機與四沖程發動機的活塞連桿組和曲軸飛輪組結構基本上是一樣的,區別在于機體組。

          發動機的機體組可以分為氣缸蓋和氣缸體兩部分。對于四沖程發動機來說,它的氣缸蓋結構是非常復雜的,上面有進排氣門、冷卻水道、機油通道等;它的氣缸體結構相對簡單,一般只是一個密閉的圓筒而已。

          而兩沖程發動機恰恰與此相反,它的氣缸蓋結構是比較簡單的,一般只是一個簡單的蓋子而已,即使有氣門,也只有一個排氣門;而氣缸體卻是比較復雜的,在氣缸壁上開有進氣口和排氣口。

          2、配氣機構

          配氣機構的功用是根據發動機的工作順序和工作過程,定時開啟和關閉進氣門和排氣門,使可燃混合氣或空氣進入氣缸,并使廢氣從氣缸內排出,實現換氣過程。對于四沖程發動機來說,它的配氣機構是極為復雜的,主要由凸輪軸、氣門、氣門挺桿等組成。特別是現在的發動機,越來越多的使用單缸四氣門和可變氣門正時技術,使配氣機構稱為了發動機中最為復雜的機構。

          而對于兩沖程發動機來說,它的配氣機構就簡單多了,甚至嚴格來說,它是沒有配氣機構的。它的進排氣是通過曲軸運轉、活塞上下運動,打開和關閉位于氣缸壁上的進氣口和排氣口來實現的。在兩沖程柴油機上一般有一個排氣門,不過結構上比四沖程柴油機要簡單得多。

          3、燃油供給系統

          燃料供給系的功用是根據發動機的要求,配制出一定數量和濃度的混合氣,供入氣缸,并將燃燒后的廢氣從氣缸內排出到大氣中去。現在四沖程發動機的燃油供給系統越來越復雜了,一般都采用多點電噴或缸內直噴,或者混合噴射,在結構上有汽油泵、噴油器、油壓調節機構等。而兩沖程發動機的燃油供給系統是比較簡單的,仍然以化油器式居多,使用電噴的很少,結構上也要簡單很多。

          4、潤滑系統

          潤滑系的功用是向作相對運動的零件表面輸送定量的清潔潤滑油,以實現液體摩擦,減小摩擦阻力,減輕機件的磨損。并對零件表面進行清洗和冷卻。在這個系統中,兩沖程和四沖程區別是非常大的。四沖程發動機有一套完整的潤滑系統,在油底殼中存儲發動機機油,利用機油泵將機油打向需要潤滑的部件,有壓力潤滑和飛濺潤滑兩種型式。并且四沖程發動機要盡可能的防止機油竄入燃燒室參與燃燒。

          而二沖發動機沒有油底殼,曲軸箱用于發動機進氣,活塞、氣缸內壁和曲軸的潤滑是依靠吸入氣缸的混合氣中含有一小部分的機油來實現的。這種潤滑方式,機油必然要進入燃燒室參與燃燒,所以發動機會冒藍煙,排氣藍煙的程度取決于混合氣中供合的機油比例。并且二者的機油也是有區別的,二沖程發動機的機油要求更容易燃燒,并且燃燒后殘留物少。

          二沖程發動機有兩種潤滑方式,一種是混合潤滑,即將潤滑油混合在汽油中;另一種潤滑方式是分離潤滑,即利用機油泵,將潤滑油打入曲軸軸頸等處,然后與新鮮混合氣混合后一同進入燃燒室內燒掉。一般低端二沖程發動機在油箱中按照固定的比例添加機油和汽油,汽油和機油的比例約20:1,但這種方式機油的比例不精確,不能隨發動機負荷的變化調整機油的供給量;一些相對高級的二沖程發動機都采用了分離式潤滑,它有單獨的機油壺、機油泵和油管,利用機油泵將機油泵入發動機的化油器,在化油器內與汽油混合。這樣設計的好處是機油泵轉速和泵油量隨著發動機轉速的增大而增加,實現了隨發動機負荷的變化而調節潤滑機油的供給比例,應用較多的是鈴木的CCI潤滑技術,它油門拉線同時控制化油器和機油泵,機油泵負責將機油壺里的機油泵入發動機曲軸及軸承潤滑,飛濺出來的機油實際上進入了曲軸箱;另一路機油進入氣缸,潤滑活塞和氣缸。實現了機油的精確潤滑。

          5、冷卻系統

          冷卻系的功用是將受熱零件吸收的部分熱量及時散發出去,保證發動機在最適宜的溫度狀態下工作。一般四沖程發動機都采用水冷的方式,冷卻系由冷卻水套、水泵、風扇、水箱、節溫器等組成,而二沖程發動機一般都采用風冷的方式,結構上非常簡單,有些發動機只是依靠自然風冷卻的,復雜一點的也就是增加一個風扇而已。

          6、點火系統

          在汽油機中,氣缸內的可燃混合氣是靠電火花點燃的,為此在汽油機的氣缸蓋上裝有火花塞,火花塞頭部伸入燃燒室內。能夠按時在火花塞電極間產生電火花的全部設備稱為點火系,點火系通常由蓄電池、發電機、分電器、點火線圈和火花塞等組成。柴油機是壓燃的,所以沒有該系統。四沖程發動機的點火系統是比較復雜的,一般采用電控點火、單缸獨立點火的控制方式;而二沖程發動機更多的是采用磁電機控制點火,結構上比較簡單。

          7、起動系統

          發動機曲軸在外力作用下開始轉動到發動機開始自動地怠速運轉的全過程,稱為發動機的起動。完成起動過程所需的裝置,稱為發動機的起動系。在這套系統中,二沖程發動機和四沖程發動機區別不大,起動機的結構也基本相同。

          下面我們再來看看四沖程發動機和二沖程發動機在工作原理上的區別。四沖程發動機工作時,它的每一個工作循環包括四個活塞行程:進氣、壓縮、做功和排氣。每一個沖程的運動過程如下:

          (1)進氣行程:在這個行程中,進氣門打開,排氣門關閉,活塞從上止點向下止點運動。空氣和汽油的混合物被吸入氣缸,在氣缸內進一步混合形成可燃混合氣。對于柴油機來說,它吸入的是純空氣。

          (2)壓縮行程:在這個行程中,進氣門和排氣門都關閉,活塞從下止點向上止點運動;  氣缸容積逐漸變小,氣缸內混合氣被壓縮,其壓力和溫度同時升高。當壓縮行程終了時,混合氣壓力的壓力和溫度都非常高,柴油機的壓縮終了溫度會超過柴油的自燃溫度。

          (3)作功行程:在這個行程中,進排氣門仍然關閉。壓縮行程結束時,火花塞跳火點燃可燃混合氣,火焰迅速傳遍整個燃燒室,并放出大量熱能;燃燒氣體體積膨脹,壓力、溫度升高;氣體壓力推動活塞從上止點運動到下止點,并通過連桿推動曲軸旋轉作功。而柴油機在壓縮行程結束時,噴油器將高壓柴油以霧狀噴入燃燒室,由于此時氣缸內溫度高于柴油自燃溫度,所以柴油自行著火燃燒,并形成多個火焰中心,燃燒的更加劇烈和暴力,燃燒氣體的最高壓力和最高溫度都遠高于汽油機,人們說柴油機更有勁的原因就在于此。

          (4)排氣行程:在這個行程中,進氣門關閉,排氣門開啟;活塞從下止點向上止點運動。膨脹過后的廢氣在其自身剩余壓力和在活塞的推動下,經排氣門排出氣缸。排氣行程結束后,殘留在燃燒室內的少量廢氣稱為殘余廢氣。殘余廢氣壓力約為0.105~0.12 MPa,溫度約為 900~1100 K。這個過程柴油機和汽油機差不多,只是柴油機的殘余廢氣溫度略低。

          二沖程發動機也分為汽油機和柴油機,它們的工作原理略有差別。二沖程汽油機工作原理如下:

          (1)第一行程:活塞在曲軸帶動下由下止點移至上止點。

          當活塞還處于下止點時,進氣孔被活塞關閉,排氣孔和掃氣孔開啟。這時曲軸箱內的可燃混合氣經掃氣孔進入氣缸,掃除其中的廢氣。隨著活塞向上止點運動,活塞頭部首先將掃氣孔關閉,掃氣終止。但此時排氣孔尚未關閉,仍有部分廢氣和可燃混合氣經排氣孔繼續排出,稱其為額外排氣。當活塞將排氣孔也關閉之后,氣缸內的可燃混合氣開始被壓縮。直至活塞到達上止點,壓縮過程結束。

          (2)第二行程:活塞由上止點移至下止點。

          在壓縮過程終了時,火花塞產生電火花,將氣缸內的可燃混合氣點燃。燃燒氣體膨脹作功。此時排氣孔和掃氣孔均被活塞關閉,惟有進氣孔仍然開啟。空氣和汽油經進氣孔繼續流入曲軸箱,直至活塞裙部將進氣孔關閉為止。隨著活塞繼續向下止點運動,曲軸箱容積不斷縮小,其中的混合氣被預壓縮。此后,活塞頭部先將排氣孔開啟,膨脹后的燃燒氣體已成廢氣,經排氣孔排出。至此作功過程結束,開始先期排氣。隨后活塞又將掃氣孔開啟,經過預壓縮的可燃混合氣從曲軸箱經掃氣孔進入氣缸,掃除其中的廢氣,開始掃氣過程。這一過程將持續到下一個活塞行程中掃氣孔被關閉時為止。

          二沖程柴油機工作原理如下:

          (1)第一行程:活塞由下止點移至上止點。

          當活塞還處于下止點位置時,進氣孔和排氣門均已開啟。掃氣泵將純凈的空氣增壓到0.12~0.14MPa后,經空氣室和進氣孔送入氣缸,掃除其中的廢氣。廢氣經氣缸頂部的排氣門排出。當活塞上移將進氣孔關閉的同時,排氣門也關閉,進入氣缸內的空氣開始被壓縮。活塞運動至上止點,壓縮過程結束。

          (2)第二行程:活塞由上止點移至下止點。

          當壓縮過程終了時,高壓柴油經噴油器噴入氣缸,并自行著火燃燒。高溫高壓的燃燒氣體推動活塞作功。當活塞下移2/3行程時,排氣門開啟,廢氣經排氣門排出。活塞繼續下移,進氣孔開啟,來自掃氣泵的空氣經進氣孔進入氣缸進行掃氣。掃氣過程將持續到活塞上移時將進氣孔關閉為止。

          二沖程發動機與四沖程發動機相比,有如下的優缺點:

          二沖程發動機優點:

          (1)二沖程發動機沒有進、排氣門, 沒有復雜的配氣機構和潤滑系統,冷卻系統一般都采用風冷,所以在結構上比四沖程發動機更簡單,重量比較輕,制造成本低廉,故障率也更低,維修也比較方便。

          (2)二沖程發動機曲軸每轉一周完成一個工作循環,作功一次。當曲軸轉速相同時,二沖程內燃機單位時間的作功次數是四沖程內燃機的兩倍。理論上二沖程發動機的功率應是四沖程發動機的兩倍(但實際上只有1.5~1.7倍),發動機的升功率更高,動力性更好。

          (3)由于曲軸每轉一周作功一次,因此曲軸旋轉的角速度比較均勻,發動機運轉比較平穩,對于單缸發動機來說表現的更加明顯。

          (4)標準的四沖程發動機只能在直立或傾斜角度不大的狀態下工作,否則就可能在油料晃動的時候發生故障。而二沖程發動機可在任何方位上運轉,即使是發動機處于倒立狀態仍可有正常工作,這個特點對于某些手持移動式小型設備非常重要,比如鏈鋸、除草機等。發動機使用的靈活性非常強。

          二沖程發動機缺點:

          (1)與四沖程發動機相比較而言,二沖程發動機的運動部件潤滑效果較差,零部件工作環境較惡劣,曲軸、活塞等零部件耗損得更快。所以二沖程發動機比四沖程發動機壽命短,一般只有四沖程發動機壽命的1/3~1/2。

          (2)二沖程發動機進氣、排氣過程只占曲軸轉角的130°~150°,進、排氣過程幾乎同時進行,利用新氣掃除廢氣,必然會有一些新鮮混合氣隨廢氣流出排氣口,廢氣也不易清除干凈。因此,二沖程內燃機的換氣質量較差,燃料效率不高,整車的油耗比較高。

          (3)二沖程發動機在低速運轉時,油門開度小,排氣不充分,掃氣不完全,燃燒室內新鮮混合氣濃度低,會使新鮮混合氣燃燒不完全,使廢氣中CH化合物的含量劇增;同時掃氣時有一部分新鮮混合氣隨廢氣一同排出,混合氣中的潤滑機油燃燒不充分,也使排氣中的CH化合物增多。因此二沖程發動機廢氣污染很大。有數據表明,一輛排量50ml的二沖程摩托車用發動機,它的排氣污染大致相當于五臺排量2.0L轎車發動機。這是二沖程發動機被淘汰的最主要原因。

          (4)發動機排氣噪音大。燃燒產生的壓力還沒完全釋放完,部分燃料還沒有燃燒,就直接被排走,所以它的排氣噪聲比四沖程的發動機大很多。

          總體來說,二沖程發動機最大的優點是動力性好、重量輕、體積小、應用靈活,最大的缺點是尾氣污染大,噪音大,環保不達標。所以二沖程發動機一般只應用于對發動機動力性要求較高而使用環境要求不高以及使用率不大的機械上,比如剪草機、油鋸、航模、農作機械、小型摩托車和越野摩托車、坦克、船舶、重型運輸車輛等。而四沖程發動機在綜合性能和環保性能方面更出色,所以現在的汽車絕大多數都使用四沖程發動機。

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