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單流直噴極小型化二行程引擎
可行性
報告者:簡煜樺
指導老師:李卓昱 助理教授
日期:2015-04-15
大綱
一.前言
二.研究目的
三.文獻探討
四.結論
五.參考文獻
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一、前言
1. 二十世紀初交通運輸的蓬勃發展，人類開始依賴石
油的使用，使得石油大量被開採及消耗，但石油蘊
藏量有限。
地
生
區 2012年底蘊藏量
與
量 ( 千桶∕日 )
可採年數
3
( 十億桶 )
國
別
Reserves
Area and Country at End 2012
產
( 按2012產量計算)
Production ( 10 barrels/day )
Lifetime of Reserves
2004
2005
2007
2008
2009
2010
2011
2012
80,568
81,391
81,729
82,335
80,732
82,480
83,576
86,152
9
( 10 barrels
)
世界合計
Total World
1,668.9
(Based on Production
of 2012)
52.9
註： 1. 生產量包括原油、頁岩油 (share oil)、石油砂 (oil sands) 及 NGL。
資料來源：能源統計年報-經濟部能源局(BP Amoco, BP Statistical Review of World Energy, June 2013.)
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2. 工業革命以及科技發展至今，溫室效應持續嚴重，
全球暖化現象顯而易見。環保意識抬頭及法規越來
越嚴苛。(汽油車輛排污規範)
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資料來源：http://www.greencarcongress.com/2012/01/unece-20120123.html
3. 空氣污染源可分為固定和移動兩種，在台灣民國91
年至103年汽、機車領牌量高達755萬輛、1373萬輛，
密集度相當高。
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資料來源：http://stat.motc.gov.tw/mocdb/stmain.jsp?sys=100&funid=a3301 (交通部)
4. 現今內燃機朝向低油耗、高功率、小型化、低汙染
等方面進行研究開發。如利用缸內直噴、渦輪增壓、
可變正時凸輪等相關技術有效減少油耗及排污 。
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資料來源：http://www.enginetechnologyinternational.com/
二、研究目的
1. 目前各項技術相當成熟，四行程引擎相當難克服的
瓶頸在於引擎的極小型化。二行程較於四行程構造
簡單，更具有更大引擎極小型化的潛力。
2. 二行程相較四行程引擎之優勢:
a. 多一倍的動力輸出。
b. 較少的熱產生對於燃燒爆震的範圍會更佳的寬鬆。
c. 相同輸出條件扭矩指示平均有效壓力(IMEP)和峰值壓力
減少為一半。
d. 機械負載也相對的較低。
e. 引擎的機構上也較簡單且更節省成本。
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3. 二行程引擎主要分為三種模式橫流掃氣(crossflow scavenging) 、 迴 流 掃 氣 (loop-flow
scavenging)、單流掃氣(unit-flow scavenging)。
橫流掃氣
迴流掃氣
單流掃氣
4. 單流掃氣最有效的掃氣方式及簡單的構造，如在搭
配可變正時凸輪、汽油缸內直噴、增壓技術可以大
幅地的改善引擎性能，對於排污方面更有潛力。
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三、文獻探討
千葉大學和富士重工已進行了反式單流二行程引擎的
研究計畫[1]，引擎的進氣閥設置在氣缸蓋而排氣口
設置在缸體的。
千葉大學和富士重工
反式單流二行程引擎規格
排汽量
0.26L
缸徑 X 衝程
71.3mm X65mm
壓縮比
11.1(Geometric)
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Politecnico di Torino(都靈理工大學)研究團隊提
出缸內直噴單流掃氣及強制潤滑系統[2-3]，利用市
售四行程水冷引擎排量修改為二行程缸內直噴單流掃
氣二行程引擎。
單流二行程引擎
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活塞示意圖
Giovanni Ferrara等人提出發展非傳統二行程小引擎
應用於摩托車[4]，其目的開發小型化引擎獲得較高
的機械效率及熱效率，利用一維引擎模擬軟體、CFD
模擬驗證。
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引擎進排氣配置示意圖
汽缸壁增加排氣口
Brunel University團隊針對小型化單流二行程引擎
作數值分析[5]，利用3D-CFD分析不同進氣口之傾角
等相關參數，挑選出最佳化參數。
進氣口幾何參數
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汽缸流體分佈輪廓
3-D CFD 基礎模型
四、研究方法
本研究將以市售四行程機車汽油引擎進行修改為單流
直噴二行程汽油引擎，如下列所示:
RICARDO WAVE 引擎一維模擬軟體-主要應用於模擬發
動機性能、燃燒與排放，利用此軟體可以對於點火時
間、進排氣門開始時間、進排氣口尺寸、噴油時間等
相關參數的優化，使得此引擎能夠達到預期成效。
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Wave模型示意圖
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二行程循環四種進氣過程定義
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六、結論
經以上分析結果可得下列幾項結論：
• 修改為單流直噴二行程引擎最大馬力34.55kW、扭力82.48N-m、缸內壓力
為83.99bar，4000rpm產生。
• 機械增壓在增壓值越高，消耗的功率非常可觀，將機械增壓於2500rpm時
切換於渦輪增壓可以整體的提高引擎效率。
• 主要引擎調整部分還是需定義車輛的常用域作為基礎進行對常用域的優化
及車輛操作性探討。
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七、參考文獻
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Yasuo Moriyoshi, Kazuhiro Kikuchi, Koji Morikawa, Hideharu Takimoto,
‘Numerical Analysis of Mixture Preparation in a Reverse Uniflow-Type TwoStroke Gasoline DI Engine’, SAE Paper2001-01-1815/4235.
Patrizio NUCCIO, Mario Rocco MARZANO“R&D of a New G.D.I. 2-Stroke
Engine
with a Unidirectional Scavenging Flow and a Force-Feed Lubrication System”
, SAE Paper 2007-32-0025.
E. Antonelli, P. Nuccio, C. Dongiovanni and M. R. Marzano“A New GDI 2Stroke Engine to Meet Future Emission Limits:The Design and Prototype
Architecture” , SAE Paper 2004-32-0041.
Giovanni Ferrara, Alessandro Bellissima, Marco Doveri and Francesco
Balduzzi“Development of a Non-Conventional Two Stroke Small Engine for
Scooter Applications” , SAE Paper 2007-32-0025.
Jun Ma and Hua Zhao , Paul Freeland , Martyn Hawley , Jun Xia “Numerical
Analysis of a Downsized 2-Stroke Uniflow Engine” , SAE Paper 2014-019051.
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Q&A
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