二冲程和四冲程发动机的燃料消耗特性及摩擦损失分析

从所期盼的二冲程发动机的优点和克服它的缺点可确定二冲程发动机重点开发的方向：排放、噪声、燃料消耗、力学强度、组装件、重量和成本。

1.排放性能

二冲程发动机排放性能的特点是它的充量更换方式和空气辅助燃料直接喷射的混合气形成的独特条件。另外，排气后处理由于混合气不是调节在化学当量比，机油损失以及由此产生的机油燃烧残留物污染催化转化器，使解决二冲程发动机的排放变得困难。

调节稀混合气浓度（过量空气系数λ），使发动机在没有排气后处理时发动机侧的NO_X排放保持在限值以内。但这样产生移向低转速、大负荷工作的较低燃料消耗与在这工作范围的高NO_X排放之间的目标冲突。此外，由于不均匀的混合气形成（残余废气层、扫气引导）限制了混合气的进一步变稀。

HC化合物的后处理由于以稀混合气工作的发动机的较低废气温度而出现问题。HC化合物原始排放由于分层混合气的不完全燃烧而较高（高的残余废气量、在低负荷/转速的不均匀的混合气层、残缺的混合气云）。

长期试验表明，装备二冲程发动机的汽车行驶里程超过80000km时NO_X排放值几乎不变，但HC排放则随着行驶里程增加而增大。达到欧Ⅳ排放限值的必要条件是采用De NO_X或NO_X储存催化转化器。还必须进一步研发机油，以免污染催化转化器（寿命）和随着工作时间的增加不断恶化废气后处理（效率）。

2.噪声性能

检测二冲程发动机与可比较的8气门和16气门4缸四冲程点燃式发动机噪声可知，二冲程发动机的噪声处于噪声散布带的高端。进而还得到，在低转速主要是燃料喷射噪声，在中等转速范围主要是直接的和间接的燃烧噪声，在高转速主要是机械噪声。降低噪声的措施有：喷射系统和进气系统解耦；整体结构；加强排气口控制体刚度；滑动支撑曲轴；曲轴安装在隧道体中以及油底壳加罩。

其他措施是采用石墨金相组织的活塞、增加飞轮质量、减小点火提前角以及降低燃烧压力升高率dp/dα。后面一个措施要与随之而来的发动机转矩降低取得折中。尽管二冲程发动机点火频率比四冲程发动机点火频率高一倍，转矩变化比较均衡，但由于它在低速、低负荷时高的和不确定的残余废气量而有较大的转矩波动。

必须清楚地看到，二冲程发动机的声学优化不再是一项简单的、低成本的研究工作。

3.燃料消耗

图5.8-3 二冲程发动机和四冲程发动机比燃料消耗的差别

重新研究二冲程发动机的主要原因之一是曾经期盼它的低的燃料消耗。因为二冲程发动机的气体节流损失、机械摩擦小；而且是稀薄混合气燃烧，热效率高。比较在图5.8-3中表示的二冲程发动机和四冲程发动机的燃料消耗特性场，可得到它们间的燃料消耗的差别。

二冲程发动机能达到较高的全负荷平均压力。在相同行驶功率设计的变速器传动比由于工作点的移动可以降低燃料消耗。在发动机整个转速范围，四冲程发动机在大负荷范围的燃料消耗要低于二冲程发动机的燃料消耗。在新的欧洲行驶循环的城外部分行驶循环，二冲程发动机的燃料消耗甚至要更高。

从发动机的机械摩擦和热力学分析可得到这样的结论。因为二冲程发动机与四冲程发动机的总的机械摩擦损失是在同一水平。下面就此作进一步分析。

图5.8-4是二冲程、四冲程发动机曲轴、活塞组、附属装置（水泵、发电机）以及二冲程发动机的压气机和四冲程发动机的配气机构及机油泵的各个机械摩擦损失占总摩擦损失的百分比随发动机转速的变化。

图5.8-4 机械摩擦损失分配

可见，二冲程发动机带动压气机增加的摩擦损失与取消配气机构减少的摩擦损失基本持平（约占总机械摩擦损失的20%）。特别引人注目的是二冲程发动机活塞组的摩擦损失，尽管没有像四冲程发动机那样的刮油环，但占总摩擦损失的百分率仍高。其原因是在气口附近的混合摩擦区、缸套严重变形以及在环槽中的机油沉积物。采用整体结构发动机和各种代用机油进行的一系列试验已证实和掌握了上述这些问题。

热力学分析指出的二冲程发动机的缺点不只是压缩比低，而且也是由于高的点火频率（工作循环）引起的高的工作循环温度使发动机热损失增加。(www.xing528.com)

与现今当量混合比工作的四冲程发动机相比，二冲程发动机的燃料消耗可节省5%～10%。当然，在这期间，这一效果已被燃料直接喷射、分层燃烧或再加上可变气门控制的四冲程发动机超过。

4.抗机械变形性

对二冲程发动机的耐久性要求与四冲程点燃式发动机、四冲程柴油机的耐久性一样。至今生产的二冲程发动机一般达不到这样的要求。故障大多出自活塞、活塞环和气缸套。它们与四冲程发动机的结构有所不同。二冲程发动机的高比功率、2倍的点火频率和短行程时的大的活塞顶面（即S/D小）引起活塞热损伤。为此必须仔细估计活塞的热负荷问题，以尽早排除。通过被扫气口中断的气缸壁面散热是不够的。特别是由于扫气口使缸套壁面缺乏足够的支撑而引起缸套严重变形而进一步恶化散热。图5.8-5是二冲程发动机与四冲程发动机缸套静态变形状况。

图5.8-5 二冲程发动机和四冲程发动机缸套静态变形

在发动机工作时，由于进、排气口的不均匀热负荷使缸套变形更大。对活塞的配合间隙要求导致活塞环槽结胶、积炭和在环周围的机油蒸发。

其他的缺点是润滑系统本身带来的问题。通过特性场控制的计量机油泵将机油掺入片式阀周围的空气流中。多余的机油收集在曲轴箱中，并从曲轴箱泵入收集器中。这样就不可能有针对性地润滑迫切需要润滑的一些点。机油的品质也需要进一步优化。

随废气再循环进入进气系统并到达曲轴箱的零星的碳氢化合物颗粒会损伤片式阀和曲轴轴承的工作能力。

解决上述问题的有效措施是制造整体结构的发动机，减小缸套变形；密封曲轴轴承；采用压力润滑。但这些措施与二冲程发动机结构简单、价廉的期望是相左的。

5.组装件/重量

图5.8-6、图5.8-7是二冲程发动机和四冲程发动机外形尺寸的差别。

图5.8-6 组装件比较：宽度和高度

图5.8-7 组装件比较：长度

在这两种发动机上，发动机宽度由进气弯管、排气弯管以及附件的布置决定。二冲程发动机的总高度要比四冲程发动机的总高度低。可是它的高度优点较大部分是在曲轴以下，一般情况不能充分利用。因为如果四冲程发动机和二冲程发动机安装在相同的汽车上，与驱动轴相连的变速器是安装在规定的曲轴位置，二冲程发动机曲轴以下的较大空间实际上无法利用，除非变速器是为二冲程发动机“量身裁衣”专门设计的。二冲程发动机长度的优点在于在相同比功率下采用3缸发动机，而不像四冲程发动机那样采用4缸发动机。纵使四冲程发动机也采用3缸发动机，也难以改变。

从声学和耐久性角度（加罩、滑动曲轴、压力润滑）优化二冲程发动机方案，就无法保持二冲程发动机外形尺寸小的优点。

与二冲程发动机外形尺寸未必好于四冲程发动机的外形尺寸的原因那样，它的重量可能也难以达到四冲程发动机的重量。

6.成本

二冲程发动机的简单结构预料可显著节省成本。主要是取消配气机构和较贵的气缸盖。但保留了扫气机构的缸体加工和为下一个工作循环空气预压缩的部件。同样高成本的是加工、装配曲轴和放置在相邻两个曲柄臂内的多个滚珠轴承（组合曲轴）。还有二冲程发动机的专门部件：将空气预压至曲轴箱的薄膜式阀和控制残余废气量的滑阀（转阀）。从成本考虑还需要把混合气输入系统计算在内。所以从总体上看，在相同的边界条件下二冲程发动机的成本优势已很小。