为什么二冲程发动机会从汽车上消失?

每个循环都将部分燃油直接排入排气管的简单发动机,面对1980年代严格的排放法规,不得不从汽车上消失.
每个循环都将部分燃油直接排入排气管的简单发动机,面对1980年代严格的排放法规,不得不从汽车上消失.

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二冲程发动机从汽车上消失了,因为其基本工作原理会将部分燃油和机油直接排入排气系统;20世纪80年代日益严格的排放法规将这种结构推向了被禁的边缘,而四冲程发动机的快速发展填补了这一空白.但这并不是故事的结局.这种曾经驱动数百万辆汽车、可以徒手抬起、制造成本极低的发动机的兴衰,讲述了汽车历史上最引人入胜的工程较量之一.

亮点

  • 二冲程发动机在 曲轴旋转两圈内 完成一个动力循环;四冲程发动机则需要两圈才能完成同样的工作.
  • Trabant 601的发动机仅有 5个运动部件 ,而且轻到可以徒手抬起.
  • Saab 96的841 cc三缸二冲程发动机最初输出 38马力 ;到1966年,这一数值提升至46马力.
  • 西方的二冲程汽车生产 在20世纪80年代 因排放法规而终止;东方集团则一直持续到大约1991年.
  • 典型的燃油机油混合比为 32:1;机油随燃油燃烧后被排出,导致碳氢化合物排放大增.

二冲程发动机如何工作,为何如此简单?

内燃机所需完成的工作定义十分明确:进气、压缩、燃烧和排气.四冲程发动机将这四个阶段分配到活塞的四个冲程中,也就是曲轴的整整两圈.而二冲程发动机则在活塞的两个冲程内、即曲轴旋转一圈内完成同样的循环.其结果在数学上显而易见:活塞每次到达上止点都会发生燃烧并产生动力.四冲程发动机在四次做功冲程中只有一次产生动力,而二冲程发动机每次到达上止点都产生动力.做功冲程的频率提高了一倍.

这种速度的代价是牺牲了气门机构.在基本的曲轴箱二冲程设计中,没有气门;缸壁上的气口和活塞自身的运动承担了它们的任务.排气口在活塞于做功冲程中下行时打开;新的燃油空气混合物通过换气口进入气缸,并将残余废气推出.这个扫气过程既是发动机最巧妙也是最大的弱点——我们稍后会看到.润滑同样基于类似的简单原理:机油混入燃油,经过曲轴箱,随发动机一起燃烧.混合气使发动机能够朝任何方向运转;因此二冲程发动机至今仍是便携工具的理想选择,因为在这些工具中重力的方向无关紧要.

回流扫气:关键的改进

早期的二冲程发动机采用简单的横流扫气方式,新鲜混合气逃逸到排气中是一个严重的问题.Adolf Schnürle 在20世纪20年代中期开发的设计采用了回流(loop)扫气方式,使新鲜混合气在气缸内形成受控的循环,将废气推出气缸.这一解决方案在20世纪30年代在德国普及,并在第二次世界大战后传播到全世界.随后的工程评估证实,回流扫气在任何条件下都比横流扫气更高效;战后所有的二冲程汽车都建立在这一架构之上.

早期阶段:Clerk、Benz 与无气门发动机的诞生

二冲程的理念与汽车本身一样古老.苏格兰工程师 Dugald Clerk 于1881年获得了首台气缸压缩式商用二冲程发动机的专利;但 Clerk 的设计是一种依靠单独的充气气缸来完成压缩的笨重结构.一个有趣的历史注脚:Karl Benz 于1879年12月31日制造了一台二冲程燃气发动机,并于1880年在德国获得了专利.这位被誉为“汽车之父”的人物的首台发动机,不是四冲程,而是二冲程.

真正的转折点是曲轴箱扫气式设计的出现,它构成了现代二冲程发动机的骨干.这一方案通常归功于英国人 Joseph Day;而 Day 的员工 Frederic Cock 则通过彻底取消气门,创造出了我们今天所熟悉的形态.首个真正实用的应用同样来自英国:Alfred Angas Scott 自1908年起生产双缸水冷摩托车.在摩托车上成熟起来的技术,将在随后的几十年里被移植到汽车上,而这恰恰是欧洲最需要它的时刻.

DKW 与战后欧洲的二冲程热潮

战后的欧洲,钢铁短缺,资金短缺,一切都短缺.汽车的活动部件越少,制造成本就越低,维修也就越容易.二冲程发动机正处于这一算式的正中央:零件更少,重量更轻,保养更简单.此外,做功冲程的频率翻倍意味着每升排量的功率更高——用小排量发动机也能获得合理的性能.

这一舞台中央的名字是 DKW.其创始人丹麦人 Jørgen Skafte Rasmussen 于1928年收购了位于茨维考的奥迪工厂.DKW 从1929年开始生产汽车,并向其他制造商供应其二冲程发动机;1929年,它以600 cc双缸、15 hp的发动机开启了赛车运动生涯.20世纪30年代的 DKW 设计,如今被视为二冲程发动机历史上最重要的作品.1953年,公司推出了前轮驱动、三缸、896 cc的二冲程 DKW 3=6 车型——名为"Sonderklasse".

主要的二冲程汽车制造商

  • Saab (瑞典):在92、93、95、96、Sonett II 及其衍生车型上使用三缸二冲程发动机.
  • DKW 与 Auto-Union (德国):该技术的主要开发者与供应商.
  • VEB Sachsenring (东德):Trabant 的制造商.
  • VEB Automobilwerk Eisenach (东德):生产Wartburg.
  • FSO和FSM (波兰):以许可证生产两冲程发动机.
  • Suzuki和Subaru (日本):直到20世纪70年代仍在生产两冲程汽车.

微型车也采用同样的原理.像Messerschmitt KR200这样的车辆,取消倒挡的成本太高;于是通过短时间让两冲程发动机反向运转来实现倒车.这与其说是工程上的优雅,不如说是贫穷的智慧——但它确实管用.

Trabant和Wartburg:东方集团的两冲程支柱

Yalnızca beş hareketli parçayla ve elle kaldırılabilecek hafiflikte bir motor, Trabant sahiplerine aracını kendi elleriyle yolda tamir etme özgürlüğünü veriyordu.

Trabant是两冲程理念最纯粹的体现.Trabant P50的发动机实际上源自DKW F8:500 cc,先是17马力,后为18马力.随后推出的 Trabant 601搭载一台594.5 cc(72×73 mm)的双缸两冲程奥托发动机.不同生产时期的版本有所差异:1963至1970年间的发动机输出23马力,1970至1990年间的发动机在4200 rpm下输出26 PS(19.1 kW).扭矩为53 Nm,最高时速约100 km/h,升功率为38.7马力.

数据虽然寒酸,但真正令人惊叹的是发动机的结构:总共只有 5个运动部件 ,而且轻到可以徒手搬起.在东德的条件下,这意味着车主可以在路边自己修理发动机.当然代价也存在:发动机使用混合燃料(汽油-机油混合物)运行,在巡航速度附近的坡道上,23马力和52 Nm的功率与扭矩明显不足.这不是性能问题,而是续航与舒适的问题.

姊妹品牌Wartburg则更具雄心:最初搭载DKW开发的910 cc三缸两冲程发动机(初期为28 bhp),1962年后排量提升至991 cc.与Trabant那台寒酸的发动机相比,这些发动机提供了更高档的驾驶体验——但它们同样建立在相同的基本原理之上,也不得不付出同样的环境代价.

Saab:两冲程最优雅的声音

两冲程汽车最成功的诠释之一诞生于瑞典.Saab的首款汽车 Saab 92于1949年12月投产,以其极为流线型的车身引人注目.公司开发了基于DKW设计的750和850 cc三缸回流扫气发动机;750 cc的标准版本根据年份和车型可输出36至42马力.蒙特卡洛拉力版配备增压曲轴的发动机则达到了65马力——对于一台小排量两冲程发动机而言,这是令人印象深刻的数据.

Saab 93 (1955年12月)带来了直列三缸发动机,这台发动机让Saab名扬世界. Saab 96 (1960-1980)最初搭载841 cc三缸两冲程发动机:初期为38马力,到1966年提升至46马力.但局面日渐收窄.Saab在20世纪60年代中期逐步放弃了两冲程发动机,并从1967车型年起转向Ford Taunus V4.1967款Saab 96作为"最后的高水平两冲程汽车"载入史册.四冲程发动机安静、无烟、无异味的特点,也赢得了瑞典客户的青睐.

二冲程汽车为何被淘汰?排放与油耗账本

被淘汰的原因可以用一个数字概括: 32:1.典型的曲轴箱压缩式二冲程发动机采用被称为"总损耗"(total-loss)的机油燃油混合润滑系统;燃油与机油的比约为32:1.这些机油一部分被燃烧掉,一部分以排气液滴的形式排入大气.与同等功率的四冲程发动机相比,其碳氢化合物排放明显偏高.此外还有一个机械问题:在无气门结构中,进气口和排气口同时开启期间,部分新鲜燃油蒸气会窜入排气口.小型风冷发动机的高燃烧温度还会产生NOx.

油耗高也源于同一根源.加压的燃油-空气混合气在活塞上产生冷却效应的同时,一部分直接逃逸到排气管中;也就是说,一部分燃油没有做功就燃烧了,或者根本没燃烧就排出了.尽管理论上这是一个热力学效率较高的循环,但实际中扫气损失吞噬了这一优势,二冲程发动机在现实世界中比四冲程消耗更多燃油.在进气口和排气口同时开启的短暂时间内,新鲜混合气窜入排气口,这是决定二冲程发动机命运的根本物理限制.

简单性的悖论

二冲程发动机存在的根本原因是其简单性;但现代需求将这一优势彻底逆转.试图改善排放和效率的二冲程设计,变得和四冲程一样昂贵、笨重且复杂——也就是说,它失去了自己存在的理由.缸内直喷本可以大幅消除化油器式二冲程发动机的燃油逃逸问题;但这一方案意味着成本和复杂性的增加,与廉价发动机的哲学已不再相容.西方日益严格的空气污染法规在1980年代终结了二冲程汽车的生产;东方集团凭借Trabant和Wartburg一直坚持到大约1991年.

摩托车为何放弃得更晚?

同样的账本也适用于两个轮子,但时间进程略有不同.Honda在道路摩托车领域早就放弃了二冲程;而在美国,则于2007年停止销售二冲程越野摩托车.如今在美国销售的所有新型内燃机汽车都是四冲程的——二冲程正式进入了汽车历史的垃圾堆.

今天二冲程发动机在哪里存活着?

从汽车上消失的二冲程发动机并没有完全灭绝;只是体积缩小了,法律容忍度也降低了.其功率/重量优势以及在各种方向都能工作的能力,在某些应用领域仍然是决定性的.如今,二冲程发动机仍在以下领域存活着:

  • 小排量与非道路摩托车、轻便摩托车、踏板车和机动自行车
  • 船用发动机、雪地摩托和卡丁车
  • 手持工具:链锯、吹叶机、草坪修边机
  • 嘟嘟车、遥控车、超轻型飞机和模型飞机
  • 大型二冲程柴油机:重量无关紧要的工业、船舶、机车和发电机组应用

然而趋势很明确:发达国家的污染法规正在逐步缩小二冲程发动机的使用范围.而在法规较为宽松的地区,小排量二冲程发动机在摩托车和轻便摩托车领域依然保持着受欢迎的地位.

结论:一个工程方程式的历史教训

二冲程发动机从汽车上消失,并不是因为它是一项糟糕的技术,而是因为其获得的比较优势发生了变化.战后年代的方程式以零件数量、成本和功率/重量为权重;二冲程发动机在这三个方面都占优,并与DKW、Saab、Trabant和Wartburg一起驱动了数百万辆汽车.而1980年代的方程式则以排放、油耗和精密工程为权重——扫气损失和全损耗式润滑所造成的物理限制,注定使二冲程发动机在这场计算中败下阵来.在汽车史上,几乎没有哪项技术能像这样清晰地揭示理解自身优势有多牢固的教训:技术何时强大固然重要,但它何时失效,同样是设计决策的一部分.

参考资料