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两冲程循环

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两冲程循环Two-stroke cycle)是内燃机基本運轉型式中的一種。两冲程循环与更常见的四冲程循环的区别只是冲程(活塞的直线运动)数量上的不同,雖然它们都有四个运动发生(进气,压缩,做功,排气),但两冲程循环以两个冲程完成上面四个運动,而四冲程循环以四个冲程完成一個循环。

运转的基本原理

File:Arbeitsweise Zweitakt.gif
二行程引擎的運作動畫圖

两冲程发动机在结构上很简单,但是在运转过程中涉及到的力学很复杂。一个典型的简单的两冲程发动机有一个活塞,进气孔与出气孔分别在气缸的左右两端。活塞向下运动首先将出气孔掀开,排出几乎全部的废气,然后打开进气孔,在曲軸箱中壓縮過的混合氣(燃料中通常混合着一些油以便潤滑曲軸)通过进气孔进入气缸,同時將缸內剩餘的廢棄掃出(通稱為「掃氣」)。随后活塞向上运动,压缩混合物后用,火花塞将其点燃,靠混合物燃烧所产生的巨大的能量推动活塞向相反的方向运动。

運轉過程

活塞的升起使之在封闭的曲軸箱产生一个相对的真空。汽化器与曲柄轴箱之间的连接因为活塞的上升而打开,空气-燃料混合物被吸进曲柄轴箱。与此同时,空气-燃料混合物在气缸内被压缩。

  • 膨胀冲程
    • 活塞处在上死点(TDC)。
    • 曲轴在0度或者360度。
    • 实际中这个过程是在0到150度之间完成的,但是在模型中是在0到120度之间完成的。
  • 进气/压缩冲程
    • 活塞从下死点(BDC)移动到上死点。

運用

由於運作特性之故,两冲程主要运用于偏大与偏小的发动机组,但不像四冲程引擎,二行程引擎絕少用于中型发动机的範疇。

雖然對於大部分人的認知來說,二行程循環引擎通常都只是與汽油內燃機聯想在一起,但其實市面上仍然存在很少數的二行程柴油引擎系統。在柴油发动机的領域中,通常只有很大排氣量的動力系統,例如大型海事用发动机或是卡車與重型工程機具動力系統,才會見到二行程設計的版本,這些系統通常有兩個特點,第一就是運轉時的轉速很低,第二是通常都會搭配渦輪增壓器以提升功率表現。

優點

小型汽油机子通常都是两冲程的,常用在那些外置,高功率,低排氣量摩托车助力车踏板车卡丁车,以及一些园林用机器上,例如割草机电锯等等。因为简单的设计成本較低,又擁有很高的功率重量比(同样轉速的发动机两冲程的每秒做功次数是四冲程的两倍),因此在這些領域的应用很廣泛。至於在手持装置領域的應用上,二行程循環的動力裝置由於不需倚靠重力低落原理運作的機油儲槽(oil reservoir,視需求有盤狀、壺狀等多種設計),因此在操作時不用考慮方向問題,而較適合需求。

缺點

二衝程循環的最大缺點,是由於進氣跟排氣要在同時進行,廢氣中有可能會含有未燃燒的燃料,造成浪費燃油及空氣污染。除此之外二行程循環的動力系統是倚靠額外添加的噴合油或預混潤滑油(事實上就是已經混合好適當潤滑油後一起銷售的二行程專用燃料)來進行引擎機件的潤滑,由於這類潤滑物質通常都比較難完全燃燒,因此也容易產生較嚴重的廢氣污染。例如在臺灣街頭有時會看到噴有刺鼻味白煙的機車,這些機車大多是二行程機車。

基於這些原因,今日的汽車發動機已絶少採用二行程設計,部份發逹國家更開始限制摩托車與各類手持裝置使用二行程發動機。

限制及淘汰

臺灣

過去臺灣的法令變相鼓勵二行程機車,因此增加了街頭的空氣污染。因為在臺灣機車幾乎是生活必需品,有四種族群會因為法令及現實因素傾向使用二行程機車:

  1. 怕麻煩的族群:只要通過筆試或擁有汽車駕照就可以合法駕駛排氣量未滿50CC的機車,而50CC的四行程機車性能太差,50CC二行程機車的性能則符合代步車的需求。而怕麻煩的族群也比較不會定期保養機車,讓污染問題雪上加霜。
  2. 喜好輕量機車的族群:如果體力較差,停車時會覺得較高排氣量的機車很累,因此偏好輕量機車,相同馬力下,二行程引擎的重量較輕。同樣的,這些人大多不會騎機車載重物,只需要50CC機車。
  3. 喜好便宜機車者:二行程機車較為便宜,而他們也常常是對於機械保養無興趣者,他們也比較有可能被修車行坑錢,因此很可能不定期保養機車,會增加污染;這些人也比較不會高速行駛,每隔一段時間高速行駛可以減少二行程機車的排氣污染;這些人也比較不會有興趣更換新型機車,買了機車就會用到不能用為止。
  4. 已經有汽車者:長程或載重的需求直接使用汽車就好,機車的功能只有中短程代步,50CC二行程剛好夠用。

其中前三種族群重疊性高且數量龐大,因此造成過去二行程機車的熱銷、及增加空氣污染程度。

二行程機車的污染非常明顯,是令人厭惡的刺鼻白煙;為了淘汰二行程機車,政府刻意把二行程機車排氣標準調到很高、比四行程機車高不少,因此臺灣已經幾乎不銷售二行程機車。政府亦有提出一定的補貼淘汰二行程機車;只是因為政府無法對老舊車輛實施高稅率,二行程機車的使用者又不乏「有機車用就好」的人,因此要有很長的時間才能讓臺灣街頭的二行程機車消失。