摩托车二冲程发动机分层燃烧方案和难题

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二冲程发动机分层燃烧方案和难题
由于传统常规二冲程发动机有其换气不彻底的缺陷，燃油在气缸里的燃烧状态始终不及四冲程发动机，实施某些新技术也比四冲发动机要困难许多，已经成为某些专业人士无法解决的难题，都想把它一禁了之不再涉及。本版09.27#的帖子“分层燃烧与分层扫气／新燃讲座〔一〕”介绍了活塞式发动机新的出路，在这里继续介绍分层燃烧与分层扫气技术在二冲程发动机上的构思方案、特色及难题，有兴趣又有条件的版友可以试试。
　　　　
一、二冲发动机实施分层燃烧的实际意义：（有利于发挥比四冲发动机优势的特点。）
在燃油活塞式发动机上实施分层燃烧的主要目的是为了节约燃油，其次还有减少排放污染物和减少发动机磨损的好处。从发动机技术上来讲，分层扫气或分层燃烧的最终目的都是为了实现空气富裕的燃油完全燃烧；只有燃料真正完全燃烧透彻了，发动机才能做到高效节油和无恶性燃烧污染物排放。鉴于常规二冲发动机有其换气不彻底的缺陷，燃油在气缸里的燃烧状态始终处于严重缺氧状态，更加需要实施分层燃烧技术。
在二冲发动机上实施分层燃烧技术比在四冲发动机上实施分层燃烧技术更有效益，因为二冲发动机具有四冲发动机力所不及的结构简单成本低廉、转速高动力大等优点，所以在实施富裕供气的燃烧后，将比四冲发动机有更好的动力输出特性和更好的经济实用性。从发动机的排放污染上来讲，二冲发动机所产生的氮氧化合物远比四冲发动机要低得多，这对减少大气层中的酸雨成份和减少发动机自身侵蚀都具有现实意义。
　　　　　　　　
二、二冲程发动机实施分层燃烧的可行性：（主要是残余废气与润滑的问题。）
1.二冲发动机因使用扫气方式来换气，缸内残余废气成份较多；此项虽影响最好的燃烧效果，不能产生最高的燃烧温度，但好处也有三个：一是不会产生象四冲发动机那么多氮氧类化合物的排放污染，正好也免去了某些新型四冲发动机为此而特地增加的废气回流装置。二是发动机的最高温度降低后，高温烧噬所造成的缸内磨损将会减少很多，发动机的寿命将有所延长。三是燃烧的最高温度降低些后，发动机对外散热会减少点，燃油效率也就高点。
2.二冲发动机因使用扫气方式换气，缸内残余废气成份较多；此项虽影响自身发挥最大的升功率，但二冲发动机每转作功一次的升功率已经比四冲发动机要高出许多，要是再高下去，所产生的高温就更难散发。为散热而增加的散热器结构复杂而昂贵，还不如直接用“加大缸体减少转速”的“增容减速法”来得简单经济。“增容减速法”在动力性能上的效果比较显著，在发动机的燃烧效率上能取得更好的效益。
3.对于电喷类或是燃烧小室类的分层燃烧结构，应用四冲发动机或二冲发动机都可以，反正最后都能达到整体空气富裕的过氧燃烧，就不必去计较发动机的原体是什么。对于分层燃烧的电喷系统或燃烧小室来说，此时四冲发动机负责进气与排气的那一大堆丫丫叉叉，完全就是毫无必要的多余；因此采用二冲程发动机做原体比较上算。如果一定还要坚持采用四冲发动机作原体，只能是增加发动机成本和结构复杂化。
4.二冲发动机因使用油雾方式润滑，据说消耗的润滑油比四冲发动机要多，但细细推敲算来，对环境的污染倒未必是最大。以我们最常见的５０发动机为例：四冲发动机每行驶３ＫＫＭ被要求更换一次润滑油，换下的肮脏废油多不是被车行回收或烧毁，而是流落户外污染环境去了。而二冲分层燃烧的发动机每３ＫＫＭ所消耗的润滑油与四冲发动机也差不多，却是在气缸内富氧的高温环境中被烧去，这样的处理算是比较干净合理，可见二冲发动机在润滑油问题上的实际排放污染怎么说也要比四冲发动机小得多。（这个问题牵涉到环境保护，道路周围肮脏尘土含油量过高多是机动车辆所为，此物据说具有强烈致癌作用，其中不乏四冲发动机曲轴箱内润滑油的泄漏和随地更换排放。）
　　　　　　
三、二冲程发动机实现分层燃烧的优势与前景：（其中多项是四冲发动机所望尘莫及的。）
1.二冲发动机的压缩比变化不大，这点比四冲发动机具有优越性，不会因为控制油门大小的进气量而严重影响到发动机的实际压缩比。
2.二冲发动机因使用扫气方式换气不彻底，缸内残余废气较多，虽影响发挥最大升功率，但避免了因极端高温而产生的氮氧类污染物。
3.二冲发动机因结构简单，很容易加大排量与动力，不但成本低廉自身轻盈强劲，外出时还比较可靠耐用，更适宜使用缸内电喷系统。
4.二冲发动机不必考虑换气阀门的故障问题，气缸比较简单严密，只要喷油和电火没问题就很容易点火启动，这使得发动机比较可靠。
5.二冲发动机的气缸不必考虑换气阀门的问题，可以任意设计最理想的燃烧室，安排最理想的挤气涡流运动，去争取最好的燃烧效果。
6.二冲发动机气缸有三个扫气口，在重新设计后，有希望做到简单扼要的分层扫气，实现成本最低改动最小最最简单经济的新燃方式。
7.二冲发动机的进气结构更适宜附加进气增压装置，再加上本身适宜高转速和冷却装置简单的特点，发动机不难发出超常规的大功率。
8.二冲发动机结构简单性能可靠动力强劲，分层燃烧能节油减污，以其轻盈简单的优点，在摩托和航空领域内可完全取代四冲发动机。
9.二冲发动机更加适合未来的超高压燃油喷射系统，其结构几乎可以简化到类似压燃式柴油机那样的地步，火花塞只是启动辅助装置。
　　　　　　
四、二冲发动机实现分层燃烧的种种难关：（其内容有部分类似四冲发动机。）
1.稀燃问题：为了实现燃料的完全燃烧，配给燃油的新鲜空气应多于燃烧理论上的１／１５；综合发动机燃烧与排放状态的种种技术因素，一般提倡配给的新鲜空气须达到１.１５－－１.５５的富余空气系数，即燃油与新鲜空气的比例关系是１／２０上下。该数值几乎就是电火花点燃油汽的上限，在常规发动机中叫做“贫油”；一般的电火花几乎点不着这样稀薄的油汽，就算点着了，也还有燃烧缓慢或后期暴燃的问题。
2.点火问题：有人曾提倡用加大火花塞电极间隙和点火电压的办法来点燃稀薄油汽，但因油汽过稀常有点不着火的现象，结果造成发动机运转的断断续续，动力下降油耗猛增，排放的未燃污染物增加许多倍。后来比较统一的看法是：不指望直接点燃稀薄油汽，在火花塞电极处还是要提供较浓的可燃油汽，先保证可靠点着火再说。在压燃发动机上有热泡点火的实例，可惜该办法不容易控制点火角，不适宜在机动车上应用。
3.供油问题：分层燃烧发动机的供油问题比常规发动机要复杂些，不象常规化油器那样只要按进气比例输出和雾化燃油就行，这里面包括有燃油定时、定量、定向、汽化、分层－－等许多方面的问题。在海外研究分燃发动机历史上，曾有过许多种配合燃烧方案的供油方案，但后来好象谁都没有最后定局。最近几年来人们多把希望放在燃油“电喷”技术上，用电子技术对付这些似乎不成问题，但电喷系统的代价目前不低。
4.扫气问题：分层扫气是实现分层燃烧的手段之一，但缸外的分层进气或分层喷油都免不了会在气流上下紊乱运动的气缸内被搅混搞乱，影响到可燃油汽的可靠点火和稳定燃烧。分层扫气技术在四冲发动机上实现分层燃烧似乎比较简单，在海外有过不少方案。在靠扫气方式进行换气的二冲发动机上，因缸内气流走向特别复杂紊乱，分层扫气似乎很难达到可燃油汽在点火前所需要的局部浓厚状态；至今几乎无人涉及。
5.泄漏问题：传统二冲发动机的扫气方式容易造成可燃油汽直接泄漏，泄漏时机发生在活塞即将上行实施压缩新进燃汽的初期，泄漏的途径是排气口。如果还用扫气方式供给可燃油汽，在发动机使用大油门时难免依旧会发生可燃油汽向排气口泄漏的现象。如果应用类似电喷的燃油供给方式，油浓层面与燃汽泄漏的问题将彻底改善；但要面对使用电喷技术实施分层燃烧的一些点火问题，而且电喷系统结构复杂成本较高。
6.润滑问题：二冲发动机的润滑方式不同于四冲发动机，效果最好的是比较浪费润滑油的油雾润滑方式，其次是比较节约润滑油的滴注方式。以二冲发动机的经典结构来讲，不论使用哪种润滑方式，润滑油最后都免不了要被吹进气缸里参与燃烧。润滑油进缸后有触发早燃暴震和到处积碳的害处，怎样在保证发动机润滑状态下减少润滑油的用量，是新燃发动机有待进一步完善的课题之一；虽然富裕空气会将其燃烧干净。
7.燃烧问题：为了电火花能可靠点火而设置的分层燃烧系统多采用了分量喷油或是分层扫气的方案，这就造成了气缸内燃料分布严重不均匀的局面，在对点火有利的同时对充分彻底的燃烧就有些矛盾。怎么样才能在点火前将浓厚可燃油汽暂时稳定在点火区域内，而在点火后又将燃烧着的浓厚油汽迅速充分散开，这是个技术上有点难度的问题。如果做得不好，发动机就会产生燃烧不彻底，燃烧缓慢、区域暴震等毛病。
8.分层燃烧也有淬熄与暴震等问题，而且因为燃汽浓度不均匀还比较复杂，因此为了实现分层燃烧还得加些高新技术综合到新型分燃发动机里去。在几种新技术面世不久就突然创新组合的状态下，要求新型分层燃烧发动机的结构严谨周密，研制试验更加困难麻烦和复杂化。虽然研制新型分层燃烧发动机的困难重重，但分层燃烧美好的理论始终吸引着喜欢追求先进和完美的人们，也是人类净化环境保护自己的必由之路。
　　　　　　
五、压燃喷油类的分层燃烧：
目前拖拉机上最常见的柴油机，可以说是最原始典型的分层燃烧发动机，它可以在满缸新鲜富裕的高温压缩空气中只燃烧一点点的燃油，燃料的空气系数可谓非常之高。柴油机的压缩比一般多在２０左右，当柴油喷进柴油机气缸里时，缸内被压缩的空气约有３０个大气压和六百度的高温，一般不需要外源电火就可以直接引燃柴油雾滴。这样的燃烧条件非常之良好，所以柴油机的燃油效率总是比汽油机要高得多。
柴油机与汽油机相比在燃油效率上有两点截然相反的不同：1.燃油效率在小油门时比较高，比较符合机动车辆的行驶实况。2.燃油的消耗量与动力输出有一定的正比例关系，不象常规汽油机那样在小功率时耗油还是偏多。目前柴油机比较令人感冒的是燃烧不彻底冒黑烟和延迟点燃的暴震问题，但随着燃油超高压汽化喷射技术的发展实施和热拴点火的完善，这点问题似乎不难解决，据说最近已经有了很好的实验结果。
　　　　　
六、定向喷油类的分层燃烧：
柴油机因燃料挥发缓慢和燃烧缓慢，影响到发动机转速和功率的提高，使得人们有了在汽油发动机上实施分层燃烧的想法。在汽油机中也可以效仿柴油机那样在气缸内直接喷射燃油的方式来实施分层燃烧，但汽油机的燃油喷射不同于柴油机；汽油机点燃油雾仅靠火花塞的那点电火，其点火条件比较柴油机里满缸的高温压缩空气而言，要相差很多；汽油的雾流多点、少点、早点、迟点都不行，应用机械控制有点困难。
早在上个世纪中的二战年代，因使用常规化油器供给燃油不足以应付战斗机的特殊飞行状态，曾有过靠机械燃油泵直接向气缸进气管内直接喷射汽油的做法，这样做可以解决因气温过低或飞机翻滚时燃油供应不良的问题。在高温高压的发动机气缸内喷油对喷油咀质量要求很高，当时制造的喷油系统使用柴油尚不够理想，汽油的性质又比较稀薄不够润滑，使用汽油就更没有使用柴油那么耐用，致使后来很长一段时间没有在民间的汽油发动机上推广应用。
　　　　　　
七、电控喷油类的分层燃烧：
柴油机因燃料挥发缓慢，发动机转速和升功率始终难以提高，所以人们一直念念不忘想在汽油发动机上实施分层燃烧。因近几年来电控喷油技术的发展，实现定向喷油类的分层燃烧似乎变得越来越有希望。海外有种定向喷油类的分层燃烧，就是依靠电控喷射技术，将燃油在缸内分批量精确地按时直接喷射到火花塞的点火位置，实现了局部浓厚油汽点火和周边区域的稀薄燃烧，成为定向喷油类分层燃烧机型的典范。
气缸内气流的走向非常复杂紊乱，火花塞的点火又是非常地瞬间和微弱，要将一点点的燃油按时精确地喷射到位不是件容易的事，这在机械时代几乎就是件类似电接触点火那么不可靠的事。在电子技术高度发展的今天，在做过大量的实验后将程序存入到微电脑芯片内，靠电控喷射可将燃油准确无误地喷射到位。可以这么说，此类方案的实施，完全建立在现代电喷技术的基础上；不过，该系统的售价目前还比较高。
　　　　　　
八、点火小室类的分层燃烧：
机动车辆所用的活塞式内燃机因转速与油门状态瞬间多变，缸内气流运动也是变化多端，在气缸内喷射燃油因受到缸内扰动气流的影响，要保证电火花很可靠地点火有效有点难度，于是就有了专门另开一个点火小室的方案。这样的做法不算是很特别另类新颖，在经典传统的柴油机上也有类似的点火小室，用局部稳定区域来保证来点火。而且为了保证点火的可靠性和节油效果，发展到近些年来已有许多不同种类的款型。
在二冲发动机上没有合适的的进气过道可利用，故实施分层燃烧所用的点火小室种类不多；只能专门加一只结构特别精致的点火小室，内设微型喷油咀或充入油汽的阀门，还有可以实施点火的火花塞。其作功燃烧过程有点类似有点火小室的柴油机：在点火小室内保证可靠点火与发动机的稳定怠速，点火后冲出点火小室的火炬在气缸内继续再度氧化燃烧与膨胀。如此做法的可靠性是有点，但结构复杂化涉及到成本提高。
　　　　　　
九、分层扫气类的分层燃烧：
分层扫气是指使用燃油浓度不同的进气来给气缸内换气，以达到不同区域有不同浓度可燃油气的点火效果；其主要做法多是用纯净空气驱除废气，将浓厚可燃油汽停留在点火区域。分层扫气可以应用常规的化油器或是新款的燃油喷射技术，这两者都可以做到有浓淡分明的进气。分层扫气的做法在相对静态的环境中比较有效果，在发动机气缸这样气流紊乱激烈的场合，因气流间的混合扩散，保持层面的效果会大受影响。
利用分层扫气保持点火浓度的做法在四冲发动机上实施比较简单，甚至可以应用常规化油器在经过少许改装的常规四冲程发动机上实施分层燃烧，比较简单地实现节油与减污的效果。但在扫气口远离缸头燃烧室的二冲发动机上，分层扫气技术遇到了极大的困难。虽然二冲发动机本身就是应用扫气技术来换气，但要想做到在不同转速与油门开度下，少量浓厚可燃油汽正好都停留在缸头的火花塞下，似乎是有点天方夜谈。
　　　　
十、二冲发动机实现了分层燃烧后的效果：（其中部分结果与四冲发动机基本类似。）
1.车辆会比较节油：因气缸内含氧空气比较富余，燃油会燃烧的干净透彻，包括平时被残余废气冲淡和缺少氧气所不能燃烧的那些燃油。
2.排放会比较干净：因气缸内含氧空气富余，燃烧比较干净彻底，几乎不见排烟，平时因燃烧欠佳的而产生的污染物将大大减少或没有。
3.点火与怠速稳定：因发动机结构设有专门的浓厚油气供给点火用，启动比较容易，怠速比较稳定，在发动机严重吃力时还不容易熄火。
4.许多缸外电喷发动机因作不到富氧燃烧，为减少排放污染还要设置价格昂贵的尾气减污系统。而新燃发动机燃烧良好，无须画蛇添足。
5.常规发动机在燃烧作功时对缸壁加热严重，导致发动机散热过多影响作功效率。而分层燃烧发动机产热多在缸头中间，对外散热较少。
6.分层燃烧发动机平时吸进的空气比常规发动机要多些，对气缸与活塞有一定的冷却作用，可减少润滑油膜的烧噬，减少发动机的磨损。
7.常规发动机平时吸进的汽油雾滴对气缸壁上的润滑油膜有稀释破坏作用，而喷射类分层燃烧的油雾多在气缸顶部的燃烧室，无此弊端。
8.分层燃烧发动机在中小油门时特别节油，在起步或加速使用大油门时，耗油率才接近常规发动机，比较适宜车辆平时的实际使用状况。
9.常规二冲发动机在初步实施分层燃烧的试验中，上坡不容易熄火；排放的尾气中不见了平时常见的油烟气，有点类似四冲发动机那样。
　　　　　　
经过这两年的试验，渐渐看出新型发动机实施分层燃烧未必就一定需要复杂化的电喷和四冲程的结构（有电喷与四冲结构，实施分层燃烧会比较容易些。），在常规二冲发动机上也有改进结构实施分层燃烧的可行性。虽然其试验难度比四冲发动机要大，但实际结构未必很复杂。
四冲发动机实施分层扫气和分层燃烧虽然容易些，但其结构比二冲发动机复杂；目前复杂昂贵的分燃方案很多，最难做到的就是简单经济而有效可靠。摩托车是大众化的交通工具，结构与成本上搞的太过份复杂昂贵就不如开小汽车算了；所以希望分燃系统能在二冲发动机上实现。
出于种种原因，目前公布的都是附加燃烧小室的分燃机种，市面上鼓吹的都是价格昂贵结构复杂的电喷四冲发动机，在内燃机车业内几乎没有二冲发动机实施新型分层燃烧的消息。其实在二冲发动机上实施新型分层燃烧不是件很困难的事，在有高压电喷的发动机上实施更是简单。
所以本人在此认为：一般的二冲发动机可以简单通过“缸内电喷”来实施分层燃烧，以此来提高发动机的燃油效率。简单改动扫气方式来实施简单化的分层燃烧也行；虽然节油效果比缸内电喷略微逊色，但可以使用廉价可靠的普通常规化油器，省略结构复杂代价昂贵的电喷系统。
　　　　
上述内容只是新燃理论的一些基础常识，实际上在研究新燃发动机的过程中，还有许多方面的细节和疑难问题有待完善。在消除了常规发动机的一些严重弊端后，新燃发动机的一些问题也有所暴露，还要用心去克服。特别是二冲发动机的缸内气流运动，比四冲发动机要复杂得多。
因新燃的某些结构和所用的零件与常规发动机有所不同，个人靠手工研制零件的过程非常艰苦缓慢。但试验还在不断进行，一个个难点正在逐步被攻克，从最近试验的结果来看，前途是越来越光明，越来越有成功的希望；而且结构不会太复杂化，使用接近常规的化油器与气缸也行。