摘要：通过活塞两个冲程完成一个工作循环的柴油机称为二冲程柴油机，曲轴每转一圈完成一个工作循环。二冲程柴油机与四冲程柴油机基本结构相同，主要差异在配气机构方面——二冲程柴油机没有进气阀，有的连排气阀也没有，而是在气缸下部开设扫气口及排气口，或设扫气口与排气阀机构，并专门设置扫气泵及扫气箱，利用活塞与气口的配合完成配气，从而简化了结构。本文系统阐述了二冲程柴油机的工作原理——在一个工作循环（360°曲轴转角）内完成进气、压缩、膨胀和排气四个步骤，其中燃烧膨胀及排气冲程中活塞下行先开排气口进行自由排气，再开扫气口进行扫气；扫气及压缩冲程中活塞上行先关闭扫气口（过后排气阶段），再关闭排气口开始压缩，压缩至上止点前喷油自燃；详细介绍了二冲程柴油机的结构组成——主要固定件（机座、机架、气缸、气缸盖及喷油器、起动阀、示功阀、安全阀、排气阀等）和主要运动件（活塞、连杆组件、曲轴及十字头组件，其中十字头是船用二冲程十字头式柴油机的特有部件，用于连接活塞与连杆、承受侧推力并导向）；归纳了二冲程柴油机的优缺点——优点为做功效率高（每转做功一次）、转矩均匀性好、结构较简单；缺点为油耗较高（换气损失大）、扫气不完全（对增压器依赖度高）、主要机件温度较高。本文可为二冲程柴油机的原理理解与结构认知提供技术参考。
一、二冲程柴油机工作原理
二冲程柴油机的一个工作循环在曲轴旋转一圈（360°曲轴转角）内完成，即实现进气、压缩、膨胀和排气四个步骤。这种柴油机的压缩和膨胀是比较完整的活塞行程，因此称为二冲程柴油机。而进气和排气则在膨胀过程结束和压缩过程开始前的很短时间内完成（先排气、后进气，并有进排气重叠），原理如图1所示，矢量图如图2所示。其工作过程可分为以下两个冲程：
1. 燃烧膨胀及排气冲程
1）燃烧膨胀阶段（上止点至排气口开启，约0°～120°CA）：
燃油在燃烧室内着火燃烧，生成高温高压燃气（最高燃烧压力可达8～15 MPa，温度达1800～2200 K）。活塞在燃气的推动下，由上止点向下运动，对外做功。此阶段与四冲程柴油机的膨胀冲程类似，是做功的主要阶段，约占曲轴转角120°～130°。
2）自由排气阶段（排气口开启至扫气口开启，约120°～140°CA）：
活塞下行直至排气口打开（通常在下止点前40°～50°曲轴转角），膨胀做功基本结束。此时气缸内废气压力仍为0.3～0.5 MPa（远高于排气管背压0.1～0.15 MPa），大量废气靠自身压力差从排气口排入排气管，称为“自由排气”。该阶段的特点是排气速度快、初期排气量大，约70%～80%的废气在此阶段排出，缸内压力迅速降至略高于扫气压力。
3）扫气阶段（扫气口开启至下止点，约140°～180°CA）：
当气缸内压力降至接近扫气压力（约0.1～0.2 MPa）时，下行活塞继续移动，打开扫气口（扫气口通常位于气缸下部，由活塞控制其开启和关闭）。由扫气泵（或增压器）增压后的扫气空气（压力0.1～0.2 MPa，温度约40～60 °C）通过扫气口进入气缸，将气缸内残余废气经排气口赶出气缸。扫气过程通常有“气口-气口”直流扫气或“气口-排气阀”弯流扫气两种形式。活塞运行到下止点（180°CA）时，本冲程结束。
2. 扫气及压缩冲程
1）扫气后期与过后排气阶段（下止点至扫气口关闭，约180°～210°CA）：
活塞由下止点向上移动。在活塞遮住扫气口之前，由扫气泵供给并储存在扫气箱内的空气继续通过扫气口进入气缸，残余废气继续被驱赶排出。活塞上行，逐渐遮住扫气口。当扫气口完全关闭时（约210°CA），空气停止充入，但排气口（或排气阀）尚未关闭，排气仍在进行，此阶段称为“过后排气阶段”。过后排气的目的是利用继续流动的排气惯性，进一步降低缸内废气残留量。
2）压缩阶段（排气口关闭至上止点，约220°～360°CA）：
排气口关闭时（通常在扫气口关闭后20°～30°曲轴转角，约220°～240°CA），排气过程结束。此时气缸中的空气开始被压缩。由于二冲程柴油机的有效压缩行程较四冲程短（仅约占总行程的60%～70%），为保证足够的压缩温度，通常压缩比较高（Σ=14～22），以补偿有效压缩行程的不足。当压缩至上止点前10°～25°曲轴转角时，喷油器将燃油喷入气缸，与高温高压空气（压缩终了温度可达700～900 K，压力3～5 MPa）混合，随即在上止点附近自行着火燃烧，完成一个完整的工作循环。
|
图1 二冲程发动机工作原理图 |
图2 二冲程柴油机原理矢量图 |
二、二冲程柴油机的结构
1. 主要固定件
柴油机的主要固定件由机座、机架、气缸和气缸盖等组成，它们构成了柴油机的骨架，用于支撑运动件和辅助系统。其内部结构如图3所示。
1）机座与机架：机座是柴油机最底部的固定件，用于安装曲轴和主轴承，承受柴油机的全部重量和运转时的振动载荷。机架安装在机座上方，用于支撑气缸体和气缸盖，并承受活塞的侧推力和燃气作用力。机座和机架通常采用铸铁或铸钢制造（大型机采用焊接结构），具有足够的刚度和强度。
2）气缸与气缸套：气缸是活塞往复运动的导向部件，与活塞及气缸盖共同构成燃烧室。二冲程柴油机的气缸下部开设有扫气口和排气口（或仅设扫气口，排气由气缸盖上的排气阀控制）。气缸套通常采用耐磨合金铸铁制造，内表面经珩磨处理，具有耐磨、耐热、耐腐蚀的特性。
3）气缸盖：气缸盖是燃烧室的上盖，除与气缸套、活塞共同组成燃烧室外，还要安装各种阀件。这些阀件包括：
① 喷油器：用于将高压燃油（20～180 MPa）雾化喷入燃烧室，是燃烧系统的核心部件。
② 气缸起动阀：用于压缩空气起动时控制起动空气进入气缸。
③ 示功阀：用于连接示功器，测量气缸内的压力变化，绘制示功图。
④ 安全阀：用于防止气缸内压力异常超高（如燃烧爆压超限），起安全保护作用。
⑤ 排气阀（气阀-气口式二冲程柴油机）：设置在气缸盖上，由凸轮轴驱动定时开启和关闭，用于控制排气过程。如图4所示。
对于设置进、排气阀的气缸盖，还要布置进、排气道和气阀摇臂机构，以实现气阀的定时驱动和润滑。
2. 主要运动件
柴油机的主要运动件由活塞、连杆组件及曲轴组成，还包括十字头组件。
1）活塞：活塞与气缸及气缸盖构成燃烧室，承受燃气压力并将压力通过活塞销传递给连杆。二冲程柴油机的活塞通常较长（比四冲程活塞长），以保证在行程的任何位置都能可靠地覆盖扫气口和排气口，防止扫气空气短路。活塞顶部承受极高的热负荷，通常采用内冷油道强制冷却。
2）连杆组件：连杆将活塞的往复运动转变为曲轴的回转运动，将燃气推力传递给曲轴。连杆承受交变的拉伸和压缩载荷，通常采用合金钢锻造，工字形截面以减轻重量。
3）曲轴：曲轴将连杆传来的往复力转化为旋转力矩，向外输出功率。二冲程柴油机曲轴每转一圈完成一次做功，转矩波动较大（但做功频率高），曲轴的设计需考虑较高的疲劳强度。
4）十字头组件：十字头组件是船用二冲程十字头式柴油机的特有部件（陆用发电机组较少采用）。其主要作用是将活塞组件和连杆组件连接起来，把活塞的气体力和惯性力传给连杆，承受侧推力并给活塞在气缸中的运动提供导向。主要由十字头本体、十字头滑块和十字头轴承（连杆小端轴承）等组成。十字头滑块沿机架上的导板滑动，将活塞的侧推力传递给机架，避免活塞直接承受侧向力，从而减少气缸套的磨损。
|
图3 二冲程柴油机内部剖面图 |
图4 二冲程柴油机直流扫气结构图 |
三、二冲程柴油机的优缺点
1. 二冲程柴油机的优点
（1）做功效率高：二冲程柴油机曲轴每转一圈完成一个工作循环（做功一次），而四冲程柴油机曲轴每转两圈完成一次做功。理论上，在相同转速和排量下，二冲程柴油机的功率应比四冲程高一倍（实际上考虑扫气损失和有效行程损失，约为1.5～1.8倍），升功率显著提高。
（2）转矩均匀性好：二冲程柴油机曲轴每转一圈做功一次，而四冲程每两圈做功一次，二冲程的转矩波动更小，运转更平稳，对飞轮惯量的需求更低。
（3）结构较简单：二冲程柴油机没有复杂的进、排气阀机构（气口-气口式），或仅有排气阀机构，取消了进气阀和凸轮轴上的进气凸轮，配气机构零件数量减少。
2. 二冲程柴油机的缺点
（1）油耗较高：二冲程柴油机的换气过程存在扫气损失（部分新鲜空气在扫气过程中直接经排气口逸出，损失率可达10%～30%），换气损失较大，燃油消耗率通常比同功率的四冲程柴油机高5%～15%。
（2）扫气不完全：扫气过程时间短（占循环时间比例远小于四冲程的进、排气行程），难以将废气完全排净，气缸内会残留5%～10%的废气，影响燃烧效率。因此二冲程柴油机对增压器的依赖程度较高，需要增压器提供足够压力的扫气空气（0.1～0.2 MPa）。
（3）热负荷较高：二冲程柴油机的做功频率是四冲程的两倍，活塞、气缸盖等主要机件的受热频率和热流密度都更高，温度比四冲程柴油机高出30～80 °C，对材料的高温强度和冷却系统的散热能力提出了更高要求。
总结
二冲程柴油机在曲轴每转一圈（360°曲轴转角）内完成进气、压缩、膨胀和排气四个步骤。燃烧膨胀及排气冲程中，活塞下行依次开启排气口（约120°CA）进行自由排气（0.3～0.5 MPa），再开启扫气口（约140°CA）进行扫气（0.1～0.2 MPa）；扫气及压缩冲程中，活塞上行先关闭扫气口（约210°CA）进入过后排气阶段，再关闭排气口（约220°～240°CA）开始压缩，压缩终了压力3～5 MPa，温度700～900 K，至上止点前10°～25°CA喷油自燃。其结构上，固定件包括机座、机架、气缸和气缸盖（安装喷油器、起动阀、示功阀、安全阀、排气阀）；运动件包括活塞、连杆、曲轴及十字头（十字头为船用二冲程十字头式柴油机特有，连接活塞与连杆、承受侧推力并导向）。二冲程柴油机具有做功效率高（每转做功一次，功率为同排量四冲程的1.5～1.8倍）、转矩均匀性好、配气结构较简单等优点，但也存在油耗较高（高5%～15%，扫气损失10%～30%）、扫气不完全（废气残留5%～10%，对增压器依赖度高）、主要机件温度较高等缺点。上述特点决定了二冲程柴油机在大功率船用主机领域仍有广泛应用，而在发电用柴油机领域，四冲程柴油机因其更好的燃油经济性和排放性能占据主导地位。
----------------
以上信息来源于互联网行业新闻，特此声明！
若有违反相关法律或者侵犯版权，请通知我们！
温馨提示：未经我方许可，请勿随意转载信息！
如果希望了解更多有关柴油发电机组技术数据与产品资料，请电话联系销售宣传部门或访问我们官网：https://www.11fdj.com
