二衝程柴油機

二衝程柴油機的一個工作循環是在曲軸旋轉一圈內完成的。即實現進氣、壓縮、膨脹和排氣這四個步驟是在360°曲軸轉角內完成的。這種柴油機的壓縮和膨脹是一個比較完整的活塞行程，所以稱為二衝程柴油機。而進氣和排氣則是在膨脹過程結束和壓縮過程開始前的很短的時間內（先排氣、後進氣，並有進排氣重疊）完成的。

基本介紹

• 中文名：二衝程柴油機
• 外文名：Two stroke diesel engine
• 排氣門：兩個或四個
• 噴射器：柴油機燃料的噴射器

簡述

通過活塞的兩個衝程完成一個工作循環的柴油機稱為二衝程柴油機，油機完成一個工作循環曲軸只轉一圈，二衝程柴油機與四衝程柴油機基本結構相同，主要差異在配氣機構方面。二衝程柴油機沒有進氣閥，有的連排氣閥也沒有，而是在氣缸下部開設掃氣口及排氣口；或設掃氣口與排氣閥機構。並專門設定一個由運動件帶動的掃氣泵及貯存壓力空氣的掃氣箱，利用活塞與氣口的配合完成配氣，從而簡化了柴油機結，在四衝程柴油機中，活塞走四個衝程才完成一個工作循環，其中兩個衝程(進氣和排氣)，活塞的功用相當於一個空氣泵。在二衝程柴油機中，曲軸每轉一轉，即活塞每兩個衝程就完成一個工作循環，而進氣和排氣過程是利用壓縮及工作過程的一部分來完成的，所以二衝程柴油機的活塞沒有空氣泵的作用，為了排除燃燒後的廢氣，並把新鮮空氣充滿氣缸，必須在柴油機上安裝專用的掃氣泵(增壓器)。

工作原理

在四衝程柴油機中，活塞走四個行程才完成一個工作循環，其中兩個行程（進氣和排氣），活塞的功用相當於一個空氣泵。在二衝程柴油機中，曲軸每轉一轉，即活塞每兩行行程就完成一個工作循環，而進氣和排氣過程是利用壓縮及工作過程的一部分來完成的，所以二衝程柴油機的活塞沒有空氣泵的作用。為了排除燃燒後的廢氣，並使新鮮空氣充滿氣缸，必須在柴油機上安裝專用的掃氣泵（增壓器）。

第一行程：活塞從下止點向上止點運動。當活塞處於下止點位置時，排氣門和進氣孔早已打開，儲氣室中的壓縮空氣便進人氣缸內，並沖向排氣門，這產生清除廢氣的作用，同時也使氣缸內充滿新空氣。當活塞由下止點向上止點運動時，進氣孔首先由活塞關閉，然後排氣門也關閉，空氣在氣缸內受到壓縮，如圖a)、b）所示。

第二行程：活塞從上止點向下止點運動。

活塞行至上止點前，噴油器將燃油噴入燃燒室中，壓縮空氣所產生的高溫使霧化的燃油著火，燃燒所產生的壓力，推動活塞下行，直到排氣門再打開時為止。燃燒後的廢氣在內外壓力差的作用下，自行從排氣門排出，如圖b)、c）所示。活塞繼續下行，當進氣孔被活塞打開後，氣缸內又進行掃氣過程。曲軸每轉一轉，活塞走了兩個行程就完成一個循環，因此叫二衝程柴油機。

在相同的氣缸直徑和轉速下，二衝程柴油機的功率理應比四衝程柴油機增加一倍，但實際上，由於掃氣容積的損失、充氣時間較短、廢氣清除困難以及驅動掃氣需要消耗一部分功率等原因，使二衝程柴油機的功率只增加60%-70%左右。二衝程柴油機的另一優點是轉矩的均勻性比四衝程柴油機好，因為它曲軸旋轉一圈完成一個工作循環。

二衝程柴油機工作原理

主要零部件

（1）主要固定件：柴油機的主要固定件由機座、機架、氣缸和氣缸蓋等組成，它們構成了柴油機的骨架，支撐運動件和輔助系統。氣缸蓋是燃燒室的上蓋。除和氣缸套、活塞共同組成燃燒室外，在它上面還要安裝各種閥件。這些閥件有噴油器、氣缸起動閥、示功閥、安全閥、排氣閥(氣閥-氣口式二衝程柴油機)等。另外，對於設定進、排氣閥的氣缸蓋上還要布置進、排氣道和氣閥搖臂機構。

（2）主要運動件：柴油機的主要運動件由活塞、連桿組件及曲軸組成，還有十字頭組件。活塞與氣缸及氣缸蓋構成燃燒室，保證柴油機工作過程的進行，同時通過連桿將活塞的往復運動變為曲軸的迴轉運動，使燃氣推動活塞的動力通過曲軸以迴轉的方式向外輸出。十字頭組件是船用二衝程十字頭式柴油機的特有部件。它的主要作用是將活塞組件和連桿組件連線起來，把活塞的氣體力和慣性力傳給連桿，承受側推力並給活塞在氣缸中的運動導向。主要包括十字頭本體，十字頭滑塊和十字頭軸承（連桿小端軸承）等。

換氣方式

結構：它的換氣是由上下的進、排氣兒完成的，故稱氣孔式直流換氣的二衝程柴油機。進、排氣孔的開啟和關閉分別由上、下活塞控制。工作時，兩個活塞在氣缸內作相對運動，燃燒室位於中部，兩個活塞通過連桿與上、下曲軸連線，兩曲軸通過齒輪輪連線，從一處對外輸出有效功。

循環過程

當活塞在其行程頂端時，氣缸會儲滿高壓氣體。用噴油器將柴油噴入氣缸，缸體內的高溫和高壓使得柴油立即點燃。該過程與柴油機工作原理中所描述的過程相同。 燃料燃燒所產生的壓力驅動活塞向下運動。這就是動力衝程。 當活塞接近衝程底端時，所有的排氣門都打開。廢氣排出缸體，氣壓降低。 當活塞到達行程底端時，就打開了進氣口。受壓空氣填充氣缸，並排出剩餘廢氣。 關閉排氣門，活塞上移，重新關閉進氣口並且壓縮新充入的空氣。這就是壓縮衝程。 當活塞接近缸頂時，該循環將重複步驟1。

根據本說明，可以看出二衝程柴油機和二衝程汽油機之間的巨大差異：在柴油機中，向氣缸注入的只有空氣，而不是油氣混合體。這意味著二衝程柴油機不會產生困擾二衝程汽油發動機的環境問題。另外，二衝程柴油機必須有渦輪增壓器或增壓器，這意味著在鏈鋸中不會安裝二衝程柴油機，因為那樣太昂貴了。

示功圖

其中a—k線為掃氣過程，k點為掃氣終點，它取決於進氣孔和排氣閥關閉時刻。有的機型是排氣閥和進氣孔同時關閉。有的排氣閥提前關閉。k-c線為壓縮過程，其中c'點為開始向氣缸噴油的時刻。

二衝程柴油機的示功圖

在第二衝程中，c-m線為膨脹過程，其中c-z線為燃料劇烈燃燒壓力急劇上升階段，z點為最高燃燒壓力點，m點為排氣閥開始打開的時刻。這時燃燒產物便從氣缸經排氣閥、排氣管排入大氣，壓力迅速下降，如m-n線所示，當氣缸內的壓力大約等於貯氣置室的壓力時，進氣孔才被打開(n點)，這時新鮮空氣應入氣缸進行掃氣過程，如n-a線所示。

現代四衝程和二衝程發動機都成功的使用在各個領域，他們都有各自的特點，一般船用大型低速柴曲機中均採用二衝程發動機，而中、高速柴濁機採用四衝程發動機的居多。

正相同的氣缸尺寸和轉速下，二衝程發功機的功率理應比四衝程發動機增加一倍，但實際上，由於掃氣容積的損失，充氣時間較短，廢氣清除困難以及驅動掃氣須要消耗一部分功率等原因，使二衝程發動機的功率只增加60～70%左右。二衝程發動機叫另一優點是扭矩的均勻性比四衝程發動機好，因為它曲軸轉一轉完成一個工作循環。掃氣過程時間短是二衝程發動機的一大缺點，此外，二衝程發動機的活塞、氣缸蓋、氣缸，氣閥的溫度都比四衝程發動機高。

套用

二衝程原理在車用（含工程機械用）柴油機行業套用較少，在大型低速船用柴油機套用廣泛。主要原因是船用柴油機的轉速較低，二衝程循環既有利於柴油機發揮最大的動力性能和經濟性能，又不至於導致熱負荷太高而降低零部件的使用壽命，從而整體提高了船用柴油機的實用性和可靠性。

優缺點

優點

（1）動力比四衝程柴油機好，因為它的壓縮比比四衝程柴油機高而且廢氣排放要好。

（2）二衝程機因為比四衝程機減少了2個衝程，所以效率要比四衝程機高。

（3）二衝程機多採用十字頭結構，因為活塞行程長，同樣功率所需要的爆炸壓力更低，對燃燒室部件機械要求降低。

（4）活塞行程長，衝擊減小，震動減少。

（5）扭矩的均勻性比四衝程柴油機好，因為它曲軸轉一轉完成一個工作循環。

（6） 迴轉較均勻。

（7） 結構較簡單。

缺點

（1）二衝程柴油機油耗大，因為它的燃油利用率要低些，有相當一部分的油氣沒有燃燒或燃燒不充分就被排放出去，所以尾氣中的碳氫化合物比四衝程的高好幾倍。

（2）二衝程機器啟動所需要的缸數多。

（3）掃氣過程時間短，掃氣不如四衝程機完全，造成對增壓器的依賴。

（4）二衝程柴油機的活塞、氣缸蓋、氣缸、氣閥的溫度都比四衝程柴油機高許多。

（5）換氣質量差、熱效率低。

（6）熱負荷較高。