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二冲程与四冲程发动机有什么区别?

2019-07-26 06:22
老侯解车
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现在汽车上使用的发动机大多数都是往复活塞式四冲程发动机,即发动机曲轴每旋转两周,经历进气、压缩、做功、排气四个冲程完成一个工作循环;而在摩托车、剪草机、油锯、游艇等机械上搭载的是两冲程发动机,即发动机曲轴转动一周、经历两个冲程即可完成一个工作循环。那么这两种发动机究竟有什么区别呢?各有什么优缺点呢?下面我们来分析一下这个问题。

首先我们来看看这两种发动机的结构上的区别。不论是两冲程还是四冲程,都有汽油机和柴油机两种,它的整体结构可以分为两大机构、五大系统,即曲柄连杆机构,配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系、点火系和起动系。汽油机和柴油机最大的区别是柴油机没有点火系,而且二者的燃油供给系也有很大的区别;从热效率方面来说,柴油发动机更高一些。为了更好的说明这两种发动机的区别,我将这些机构和系统分别说说。

1、曲柄连杆机构

曲柄连杆机构是发动机实现工作循环,完成能量转换的主要运动零件。它由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成。两冲程发动机与四冲程发动机的活塞连杆组和曲轴飞轮组结构基本上是一样的,区别在于机体组。

发动机的机体组可以分为气缸盖和气缸体两部分。对于四冲程发动机来说,它的气缸盖结构是非常复杂的,上面有进排气门、冷却水道、机油通道等;它的气缸体结构相对简单,一般只是一个密闭的圆筒而已。

而两冲程发动机恰恰与此相反,它的气缸盖结构是比较简单的,一般只是一个简单的盖子而已,即使有气门,也只有一个排气门;而气缸体却是比较复杂的,在气缸壁上开有进气口和排气口。

2、配气机构

配气机构的功用是根据发动机的工作顺序和工作过程,定时开启和关闭进气门和排气门,使可燃混合气或空气进入气缸,并使废气从气缸内排出,实现换气过程。对于四冲程发动机来说,它的配气机构是极为复杂的,主要由凸轮轴、气门、气门挺杆等组成。特别是现在的发动机,越来越多的使用单缸四气门和可变气门正时技术,使配气机构称为了发动机中最为复杂的机构。

而对于两冲程发动机来说,它的配气机构就简单多了,甚至严格来说,它是没有配气机构的。它的进排气是通过曲轴运转、活塞上下运动,打开和关闭位于气缸壁上的进气口和排气口来实现的。在两冲程柴油机上一般有一个排气门,不过结构上比四冲程柴油机要简单得多。

3、燃油供给系统

燃料供给系的功用是根据发动机的要求,配制出一定数量和浓度的混合气,供入气缸,并将燃烧后的废气从气缸内排出到大气中去。现在四冲程发动机的燃油供给系统越来越复杂了,一般都采用多点电喷或缸内直喷,或者混合喷射,在结构上有汽油泵、喷油器、油压调节机构等。而两冲程发动机的燃油供给系统是比较简单的,仍然以化油器式居多,使用电喷的很少,结构上也要简单很多。

4、润滑系统

润滑系的功用是向作相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油,以实现液体摩擦,减小摩擦阻力,减轻机件的磨损。并对零件表面进行清洗和冷却。在这个系统中,两冲程和四冲程区别是非常大的。四冲程发动机有一套完整的润滑系统,在油底壳中存储发动机机油,利用机油泵将机油打向需要润滑的部件,有压力润滑和飞溅润滑两种型式。并且四冲程发动机要尽可能的防止机油窜入燃烧室参与燃烧。

而二冲发动机没有油底壳,曲轴箱用于发动机进气,活塞、气缸内壁和曲轴的润滑是依靠吸入气缸的混合气中含有一小部分的机油来实现的。这种润滑方式,机油必然要进入燃烧室参与燃烧,所以发动机会冒蓝烟,排气蓝烟的程度取决于混合气中供合的机油比例。并且二者的机油也是有区别的,二冲程发动机的机油要求更容易燃烧,并且燃烧后残留物少。

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。一般低端二冲程发动机在油箱中按照固定的比例添加机油和汽油,汽油和机油的比例约20:1,但这种方式机油的比例不精确,不能随发动机负荷的变化调整机油的供给量;一些相对高级的二冲程发动机都采用了分离式润滑,它有单独的机油壶、机油泵和油管,利用机油泵将机油泵入发动机的化油器,在化油器内与汽油混合。这样设计的好处是机油泵转速和泵油量随着发动机转速的增大而增加,实现了随发动机负荷的变化而调节润滑机油的供给比例,应用较多的是铃木的CCI润滑技术,它油门拉线同时控制化油器和机油泵,机油泵负责将机油壶里的机油泵入发动机曲轴及轴承润滑,飞溅出来的机油实际上进入了曲轴箱;另一路机油进入气缸,润滑活塞和气缸。实现了机油的精确润滑。

5、冷却系统

冷却系的功用是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去,保证发动机在最适宜的温度状态下工作。一般四冲程发动机都采用水冷的方式,冷却系由冷却水套、水泵、风扇、水箱、节温器等组成,而二冲程发动机一般都采用风冷的方式,结构上非常简单,有些发动机只是依靠自然风冷却的,复杂一点的也就是增加一个风扇而已。

6、点火系统

在汽油机中,气缸内的可燃混合气是靠电火花点燃的,为此在汽油机的气缸盖上装有火花塞,火花塞头部伸入燃烧室内。能够按时在火花塞电极间产生电火花的全部设备称为点火系,点火系通常由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈和火花塞等组成。柴油机是压燃的,所以没有该系统。四冲程发动机的点火系统是比较复杂的,一般采用电控点火、单缸独立点火的控制方式;而二冲程发动机更多的是采用磁电机控制点火,结构上比较简单。

7、起动系统

发动机曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动地怠速运转的全过程,称为发动机的起动。完成起动过程所需的装置,称为发动机的起动系。在这套系统中,二冲程发动机和四冲程发动机区别不大,起动机的结构也基本相同。

下面我们再来看看四冲程发动机和二冲程发动机在工作原理上的区别。四冲程发动机工作时,它的每一个工作循环包括四个活塞行程:进气、压缩、做功和排气。每一个冲程的运动过程如下:

(1)进气行程:在这个行程中,进气门打开,排气门关闭,活塞从上止点向下止点运动。空气和汽油的混合物被吸入气缸,在气缸内进一步混合形成可燃混合气。对于柴油机来说,它吸入的是纯空气。

(2)压缩行程:在这个行程中,进气门和排气门都关闭,活塞从下止点向上止点运动;  气缸容积逐渐变小,气缸内混合气被压缩,其压力和温度同时升高。当压缩行程终了时,混合气压力的压力和温度都非常高,柴油机的压缩终了温度会超过柴油的自燃温度。

(3)作功行程:在这个行程中,进排气门仍然关闭。压缩行程结束时,火花塞跳火点燃可燃混合气,火焰迅速传遍整个燃烧室,并放出大量热能;燃烧气体体积膨胀,压力、温度升高;气体压力推动活塞从上止点运动到下止点,并通过连杆推动曲轴旋转作功。而柴油机在压缩行程结束时,喷油器将高压柴油以雾状喷入燃烧室,由于此时气缸内温度高于柴油自燃温度,所以柴油自行着火燃烧,并形成多个火焰中心,燃烧的更加剧烈和暴力,燃烧气体的最高压力和最高温度都远高于汽油机,人们说柴油机更有劲的原因就在于此。

(4)排气行程:在这个行程中,进气门关闭,排气门开启;活塞从下止点向上止点运动。膨胀过后的废气在其自身剩余压力和在活塞的推动下,经排气门排出气缸。排气行程结束后,残留在燃烧室内的少量废气称为残余废气。残余废气压力约为0.105~0.12 MPa,温度约为 900~1100 K。这个过程柴油机和汽油机差不多,只是柴油机的残余废气温度略低。

二冲程发动机也分为汽油机和柴油机,它们的工作原理略有差别。二冲程汽油机工作原理如下:

(1)第一行程:活塞在曲轴带动下由下止点移至上止点。

当活塞还处于下止点时,进气孔被活塞关闭,排气孔和扫气孔开启。这时曲轴箱内的可燃混合气经扫气孔进入气缸,扫除其中的废气。随着活塞向上止点运动,活塞头部首先将扫气孔关闭,扫气终止。但此时排气孔尚未关闭,仍有部分废气和可燃混合气经排气孔继续排出,称其为额外排气。当活塞将排气孔也关闭之后,气缸内的可燃混合气开始被压缩。直至活塞到达上止点,压缩过程结束。

(2)第二行程:活塞由上止点移至下止点。

在压缩过程终了时,火花塞产生电火花,将气缸内的可燃混合气点燃。燃烧气体膨胀作功。此时排气孔和扫气孔均被活塞关闭,惟有进气孔仍然开启。空气和汽油经进气孔继续流入曲轴箱,直至活塞裙部将进气孔关闭为止。随着活塞继续向下止点运动,曲轴箱容积不断缩小,其中的混合气被预压缩。此后,活塞头部先将排气孔开启,膨胀后的燃烧气体已成废气,经排气孔排出。至此作功过程结束,开始先期排气。随后活塞又将扫气孔开启,经过预压缩的可燃混合气从曲轴箱经扫气孔进入气缸,扫除其中的废气,开始扫气过程。这一过程将持续到下一个活塞行程中扫气孔被关闭时为止。

二冲程柴油机工作原理如下:

(1)第一行程:活塞由下止点移至上止点。

当活塞还处于下止点位置时,进气孔和排气门均已开启。扫气泵将纯净的空气增压到0.12~0.14MPa后,经空气室和进气孔送入气缸,扫除其中的废气。废气经气缸顶部的排气门排出。当活塞上移将进气孔关闭的同时,排气门也关闭,进入气缸内的空气开始被压缩。活塞运动至上止点,压缩过程结束。

(2)第二行程:活塞由上止点移至下止点。

当压缩过程终了时,高压柴油经喷油器喷入气缸,并自行着火燃烧。高温高压的燃烧气体推动活塞作功。当活塞下移2/3行程时,排气门开启,废气经排气门排出。活塞继续下移,进气孔开启,来自扫气泵的空气经进气孔进入气缸进行扫气。扫气过程将持续到活塞上移时将进气孔关闭为止。

二冲程发动机与四冲程发动机相比,有如下的优缺点:

二冲程发动机优点:

(1)二冲程发动机没有进、排气门, 没有复杂的配气机构和润滑系统,冷却系统一般都采用风冷,所以在结构上比四冲程发动机更简单,重量比较轻,制造成本低廉,故障率也更低,维修也比较方便。

(2)二冲程发动机曲轴每转一周完成一个工作循环,作功一次。当曲轴转速相同时,二冲程内燃机单位时间的作功次数是四冲程内燃机的两倍。理论上二冲程发动机的功率应是四冲程发动机的两倍(但实际上只有1.5~1.7倍),发动机的升功率更高,动力性更好。

(3)由于曲轴每转一周作功一次,因此曲轴旋转的角速度比较均匀,发动机运转比较平稳,对于单缸发动机来说表现的更加明显。

(4)标准的四冲程发动机只能在直立或倾斜角度不大的状态下工作,否则就可能在油料晃动的时候发生故障。而二冲程发动机可在任何方位上运转,即使是发动机处于倒立状态仍可有正常工作,这个特点对于某些手持移动式小型设备非常重要,比如链锯、除草机等。发动机使用的灵活性非常强。

二冲程发动机缺点:

(1)与四冲程发动机相比较而言,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,曲轴、活塞等零部件耗损得更快。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。

(2)二冲程发动机进气、排气过程只占曲轴转角的130°~150°,进、排气过程几乎同时进行,利用新气扫除废气,必然会有一些新鲜混合气随废气流出排气口,废气也不易清除干净。因此,二冲程内燃机的换气质量较差,燃料效率不高,整车的油耗比较高。

(3)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。因此二冲程发动机废气污染很大。有数据表明,一辆排量50ml的二冲程摩托车用发动机,它的排气污染大致相当于五台排量2.0L轿车发动机。这是二冲程发动机被淘汰的最主要原因。

(4)发动机排气噪音大。燃烧产生的压力还没完全释放完,部分燃料还没有燃烧,就直接被排走,所以它的排气噪声比四冲程的发动机大很多。

总体来说,二冲程发动机最大的优点是动力性好、重量轻、体积小、应用灵活,最大的缺点是尾气污染大,噪音大,环保不达标。所以二冲程发动机一般只应用于对发动机动力性要求较高而使用环境要求不高以及使用率不大的机械上,比如剪草机、油锯、航模、农作机械、小型摩托车和越野摩托车、坦克、船舶、重型运输车辆等。而四冲程发动机在综合性能和环保性能方面更出色,所以现在的汽车绝大多数都使用四冲程发动机。

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