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提高二冲程发动机扫气效率的若干方法12051043 景健文第一周9,10节
摘要二冲程发动机具有推重比大，高效率，轻便等优点，但目前世界上对二冲程燃油发动机的使用范围有限，其中的原因主要是二冲程发动机的扫气效率比较低故产生的污染较大，所以经济性和环保性是制约其发展的主要原因。

所以笔者的目的就是通过采用新的扫气形式提高发动机扫气效率从而提高其经济性和环保性，如果将二冲程发动机的扫气效率大幅度提升的话，那么其在世界上的利用范围一定会大幅度跃升。

关键词
二冲程，扫气效率，直流横流回流。

绪言
二冲程发动机具有推重比大，高效率，轻便等优点，但目前世界上对二冲程燃油发动机的使用范围有限，其中的原因主要是二冲程发动机的扫气效率比较低故产生的污染较大，所以经济性和环保性是制约其发展的主要原因。

所以笔者的目的就是综述一下现有的若干种提高二冲程发动机扫气效率的方案及其解决问题的方式。

所谓二冲程发动机，即发动机气缸体上有三个孔，即进气孔、排气孔和换气孔，这三个孔分别在一定时刻由活塞关闭。

其工作循环包含两个行程：
1.第一冲程：活塞自下止点向上移动，三个气孔同时被关闭后，进入气缸的混合气被压缩；在进气孔露出时，可燃混合气流入曲轴箱。

2.第二冲程：活塞压缩到上止点附近时，火花塞点燃可燃混合气，燃气膨胀推动活塞下移作功。

这时进气孔关闭，密闭在曲轴箱内的可燃混合气被压缩；当活塞接近下止点时排气孔开启，废气冲出；随后换气孔开启，受预压的可燃混合气冲入气缸，驱除废气，进行换气过程。

目前世界上所使用的二冲程燃油发动机的扫气形式有横流扫气，回流扫气，和直流扫气三种。

“横流扫气扫排气口分别位于气缸下部的两侧，扫气时新鲜充量漏失，所以扫气效率不高，新型机很少采用。

回流扫气扫气口和排气口分别布置于气缸下部同一侧，扫气流充入气缸后先向上流动，然后再折转流向排气口再气缸内形成扫气回流，这种扫气方式扫气质量较高，结构也简单获得广泛应用。

直流扫气扫气流由扫气口进入气缸，沿气缸轴线单向流动，同时绕气轴线旋转将废气从排气口排出新鲜充量与废气很少掺混。

这种扫气方式的扫气质量最好，应用也广泛。

”尽管三种扫气形式各有优劣，且直流扫气效率较高但依然没有能很好地解决扫气效率不高，排放较大的缺点。

现在绝大多数提高二冲程发动机扫气效率的方法不外乎两类：一为优化现行的三种扫气效率的结构或参数，二为采用新的扫气方式提高扫气效率。

两种解决方式各有优劣，前者相对来说实施起来比较简单易行，但效果不够明显，后者的实施相对艰难，但一旦成功效果明显。

具体的各种方案会在下面详细叙述。

直流扫气式二冲程发动机结构优化
第一种二冲程直流扫气点燃式内燃机的结构由曲轴箱、排气口、活塞、气缸、扫气道及缸盖构成，其特征是在缸盖上有扫气气门及一部分扫气道，而排气口在气缸下部，在排气口后设有圆筒形旋转阀，在阀前及阀内设有金属栅板，栅板上涂有催化剂，气门偏于气缸一侧时，缸盖及活塞的一部分为斜面，活塞的另一部分为凹腔，气门及燃烧室在气缸中心时，活塞为平顶，扫气道为螺旋形，燃烧室处于缸盖内，当曲轴箱作为扫气泵且燃料为燃油加润滑油时，在空气滤清器之后设纯空气道及阀，亦即纯空气控制阀，并在缸盖扫气道上设空气簧片阀，缸盖扫气道的气门前设有调节阀，在结构上，缸盖配气机构处于混合气润滑油油雾润滑之中，当采用专设扫气泵及燃油喷射时，则不设空气滤清器后的纯空气道及其阀，也不设缸盖扫气道上的空气簧片阀及扫气道气门前的调节阀，而在结构上，则有压力润滑油通到配气机构处。

此种方案思路是重新安排了一下扫气口的位置，同时对扫气口的形状，方位等几何参数进行了协调优化，对扫气效率的提高有不可忽视的作用但提升范围有限。

第二种发动机结构：同一气缸内安置的两个可往复运动的活塞，采用对置的方式布置，按照进、排气口的位置区分，分别称为排气端活塞和进气端活塞。

进气端活塞和排气端活塞各自与进气小连杆和排气小连杆连接。

两根小连杆各自通过一个杠杆，实现作用力反向后，在杠杆的另外一端输出，输出端再各自通过一根大连杆，最终共同连接在同一根曲轴上。

本发明双活塞直线对称布置双活塞直流扫气发动机，其两根小连杆、两根杠杆、和安装在同一根曲轴上的两根大连杆、完全呈对称布置。

而杠杆的支点又是可以被调节的，支点的调节是通过一个所谓偏心轴完成的。

偏心轴主轴及偏心轴摇臂和两组与一个可控电机相连的对称布置的蜗轮蜗杆，并采用一根与两个对置活塞相连的曲轴；该曲轴的一组连杆轴颈夹角呈小偏角非对称布置，其夹角在192-195度之间制成一台通过可控电机自动调节压缩比值的高增压两冲程对置活塞布置的往复式发动机。

这种方案的核心思路是采用对置活塞布置，具有下列重要优点：燃烧室散热面积缩小到最低限度，使热机效率能明显提高；克服了两冲程发动机换气质量不高、换气能量损失巨大的缺陷；采用对置活塞布置和采用一根与两个对置活塞相连的曲轴能令人满意的解决可调压缩比值难题，还可解决起动困难，并能使用各种燃料，特别适合使用可再生清洁燃料；由于解决可调压缩比值难题，因此可以提高发动机的进气增压，这样既可提高发动机的输出动力，还能提高热机效率；还能提供出更多、质量更高的可被涡轮发动机利用的低压燃气以利于第二次热转换技术利用，为制造先被往复式发动机利用，再被涡轮发动机利用的联合循环内燃机组创造了条件；由于不用气缸盖、汽门、汽门弹簧，本发明很适合用陶瓷材料来制造。

上述两种方案对提升扫气效率都有很明显的作用，但由于本质上都是在二冲程直流扫气形式上的结构优化，此种扫气方式的理论缺陷是难以通过结构优化避免的，所以这两种方案有一定的局限性。

回流扫气式发动机结构优化
第一种方案设计涉及特种发动机附件，特别涉及一种用于二冲程回流扫气式自由活塞发动机的滑动式呼吸阀。

包括进气管、阀门、带扣脚的中心开孔的扣盖，其特征在于：进气管一端外部有一圈挡环，扣盖扣在挡环上并密封连接，阀门位于圆形进气管另一
端，和进气管密封活动连接，滑杆顶端和阀门固定连接，并由带滑套的支架Ⅰ和支架Ⅱ支撑在进气管的轴线上；在滑杆上两个支架之间设有调节螺母，在调节螺母与支架Ⅰ之间设有处于压缩状态的回位弹簧。

本实用新型具有较高的进气效率、工作效率和可靠性。

如上文所言，此项方案在一定程度上起到了提升扫气效率的作用，提升的程度还是很有限的，而且结构上需要特种发动机附件，所以制造起来成本提高，有可能得不偿失。

第二种方案：回流扫气式多换气道二冲程内燃机换气时，为了避免经由排气道的换气损失，使空气或稀混合气与浓混合气大致同时经近排气道设置的换气道进入。

空气或稀混合气使浓混合气从排气道分开。

此时必需有特设的空气或稀混合气进口。

本发明先在近排气道的换气道充废气，在压力相反时再排除，在排气口和流入的新鲜混合气之间形成一道废气屏障。

这有助于以结构简单的方式在不用附加进气口和进气口控制元件的情况下避免新鲜混合气的损失。

此方案的核心思路在于分层扫气，可以提升扫气效率，作用还是相当明显的。

上述两种方案不论在理论还是实际上都能较好的提升扫气效率但由于回流扫气本身具有的理论扫气缺陷较大，所以尽管上述两方案对扫气效率的提升程度较大，但由于扫气形式本身的不足，导致总体效率不如直流扫气，应用上具有一定局限性。

由于对横流扫气形式的结构优化几乎没有，所以在此不做综述。

创新方案
创新方案对扫气形式上的设计不再遵循直流横流和回流三种形式，而是采用新发明的扫气形式，从而提高扫气效率。

本第一种方案是一种二冲程发动机顶置气阀扫气结构，其特征在于：二冲程发动机本体处设有曲轴，曲轴通过与其相连的凸轮带动顶杆控制二冲程发动
机本体气缸顶部的顶置气阀，同时在气缸的外侧由单向阀或阀片及密封螺钉形成一个保持压力的通道，所述单向阀的外侧形成混合燃气通道，顶置气阀与混合燃气通道连通。

该结构实施时自上而下可有效减少新鲜混合气流失，降低废气排放，产品整体设计结构合理，构思巧妙，工作状态稳定，具有很好的实用性，相比现有技术而言，具有突出的实质性特点和显著进步。

如上文所言此种方案可自上而下进行扫气，是现行的三种扫气形式所不具有的优点，构思极为精巧，可以在实质上提高扫气效率，如果再在结构上进行优化设计，那么定会有很大的应用前景。

第二种创新型方案包含一种二冲程发动机的扫气系统，它包括新鲜空气扫气系统与混合气扫气系统及相应进气控制系统，工作时新鲜空气扫气系统先清扫缸内废气，混合气扫气系统再扫气向二冲程发动机供给燃料，以获得较好的燃料经济性与碳氢化合物排放，适用于汽车、摩托车、轻型飞机、船舶、航模及移动电站等作动力的二冲程发动机，特别是以燃料与空气混合形成混合气方式供给燃料的二冲程发动机。

此种二冲程发动机的扫气系统，特别是以燃料与空气混合形成混合气方式供给燃料的气缸壁上设置扫气口的曲轴箱扫气二冲程发动机的扫气系统，适用于汽车、摩托车、轻型飞机、船舶、航模及移动电站等作动力的二冲程发动机，其特征在于：1发动机的气缸壁上设置有新鲜空气扫气口与混合气扫气口；2新鲜空气扫气口的开启定时在混合气扫气口的开启定时之前；3连通新鲜空气扫气口的新鲜空气气道内
设置有新鲜空气单向阀；4新鲜空气扫气口经新鲜空气气道与空气滤清器连通，之间没有气泵。

这种创新方案在进气内容上做了较大文章，此方案虽然在扫气结构上没有太大的创新点，但是在进气方面有很好的思路，既简化了发动机结构，使其易于制造且轻便，又在一定程度上提升了扫气效率，所有有一定的应用前景，缺点依然是扫气效率提升的程度不高。

第三种方案包括一种分置排气二冲程发动机，包括对置活塞二冲程发动机，所述对置活塞二冲程发动机的排气口由高压扫气排气口和低压扫气排气口构成；本发明由于所述分置排气二冲程发动机的扫气排气口设为高压扫气排气口和低压扫气排气口，或在排气扫气门设置在缸盖上的直流扫气二冲程发动机中将排气扫气门设置为高压排气扫气门和低压排气扫气门，从而使排气中的高压气体和低压气体分别进入不同通道，减少过程的不可逆损失，再对高压排气和低压排气分别加以利用，达到提高发动机效率的目的。

这种对置活塞的创新设计与上述的对直流扫气的结构优化中一种优化方式很类似，其创新之处在于采用了分置排气，故可在优化直流扫气结构的基础上进一步提升扫气效率，然而其真正提升的程度还有待实验参数。

结论
笔者的综述主要分为两大部分：一为对现有的扫气形式的二冲程发动机的结构的优化设计；二为采用新型扫气形式的二冲程发动机的结构的创新设计。

总的来说两种改进方式各有优劣，第一种即在现有的扫气形式上进行结构优化，这种改进方式实施起来比较方便，因为其只需在现有的结构上进行一下改进就可以取得成果，而第二种就要从一开始就自行设计，消耗的人力与时间等资源都较大，而且有相当大的风险，因为一旦失败就前功尽弃。

尽管如此，第一种方式对扫气效率的提升程度将会是很有限的，因为其扫气效率受到现有的扫气形式的制约，虽然易取得进展，但不太可能大幅度提高扫气效率，而第二种则没有这种制约，只要设计出的扫气形式巧夺天工，理论上扫气效率可以很高，即高风险与高收益并存。

我认为未来提升二冲程发动机扫气效率的方案，也将遵循上述两种方式，而最终取得实质性飞越成果的我认为必然是第二种即对扫气形式进行创新设计的方式，毕竟创新永无止境。

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