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一类含积分约束的生产制造系统优化调度.doc
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一类含积分约束的生产制造系统优化调度 管晓宏①, 翟桥柱①*, 冯泳翰②, 高峰① ① 西安交通大学系统工程研究所, 机械制造系统工程国家重点实验室, 智能网络与网络安全教育部重点实验室, 西安 710049; ② 西安交通大学理学院, 西安 710049 * E-mail: qzzhai@sei. 收稿日期:; 接受日期: 国家自然科学基金(批准号: 736027)、国家高技术研究发展计划(“863”计划)(批准号: )和教育部新世纪优秀人才计划(批准号: NCET-08-0432)资助项目
摘要 “即时消费”类生产制造系统的优化调度具有重要学术和应用价值. 满足此类系统对产量的实时需求, 考虑调度计划的可实现性具有挑战性. 如何得到精确满足累积产量实时需求的最优调度目前尚无系统方法, 迫切需要研究. 本文建立了含积分约束的生产制造系统优化调度新模型. 通过对生产量变化率约束的深入分析, 证明了该类优化问题等价于光滑非线性规划问题. 生产设备在各时段的产量上下界可表述为时段初、末时刻瞬时生产率的二元函数, 且为精确可达的上下界. 本文结合梯度映射的单调性, 证明了上下界函数的凸性(凹性), 在生产成本为凸函数时, 进一步证明了此类优化调度问题等价于凸规划问题. 本文以上述分析为基础, 针对含积分约束的生产制造系统优化调度问题, 提出了两阶段数值求解方法, 在许多情况下可以迅速获得调度问题的全局最优解. 新模型和相应求解方法克服了生产量变化率约束带来的困难, 获得了精确满足累积产量实时需求的最优调度. 本文同时以电力生产优化调度问题为例, 进行数值求解, 并对结果进行了讨论, 验证了新模型和相应方法的有效性.
关键词生产调度 积分约束 最优控制 凸规划
生产调度是生产制造系统运行最重要的任务之一. 通常, 调度的主要目的是合理调配资源和设备, 在满足需求、确保安全等运行约束的前提下降低成本、节约资源、减少污染. 优化生产调度能够在不改变基本工艺过程、不更动装备的情况下实现节能降耗, 降低成本, 获得巨大的社会经济效益, 在当前能源、环境问题日趋严峻的形势下, 具有特别重大的意义. 因此, 生产调度理论与方法长期以来一直是一个活跃的研究领域, 受到众多学者关注[1~6]. 在生产制造系统中, 有一类生产所谓不可存储产品, 即“即时消费”或“鲜活”(Perishable)类产品的系统[1], 其显著特点是产品必须立即消费而不能存储, 最 典型的例子是电力生产. 在电力生产调度问题中[7,8], 每个瞬时生产的电量必须与系统负载需求保持平衡. 其它类似的系统包括管道输送天然气生产和许多服务业的即时服务等. 这类系统的优化调度问题不但会有实时系统需求等, 还可能有十分复杂的离散和连续的动态运行约束, 几乎不可能按连续时间求解. 目前广泛采用的建模方式是将时间离散化, 在一个调度时段内, 假设系统需求为恒定值, 用生产设备的平均生产量满足这一时段恒定的需求. 将平均生产量作为优化决策变量, 求解离散时间点的生产量, 可将调度问题由连续时间最优控制问题转化为数学规划问题, 从而大大降低问题的复杂性[2,7~10].管晓宏等: 一类含积分约束的生产制造系统优化调度 时间离散化的生产制造系统优化调度问题一般模型为整数规划或混合规划问题, 国内外研究者对此类问题进行了大量研究[2~19], 取得了许多重要成果. 基于Lagrange松弛的优化方法是解决此类问题最有效的方法之一[3,5,9,11]. 近年来, 随着通用整数规划或混合规划算法效率和计算机性能的大幅度提高, 通用离散和混合优化方法求解此类生产制造系统优化调度问题也取得了很大成功[10,12~14]. 由于满足“即时消费”类生产制造系统的实时需求是对调度计划的基本要求, 按离散时间模型获得的调度方案的可实现性就十分重要. 许多生产设备产量的变化率受物理限制, 如发电机组出力的爬升率有限, 不可能每个时间段起点突变, 完全按上述离散时间模型得到的调度计划不可能操作实现, 也不一定有必要. 实际上很多情况下, 我们只要求这类生产系统在一个时段内的累积产量, 即生产率对时间的积分精确等于实时需求. 例如电力生产系统的生产率是出力(功率), 我们只要求系统在一个时段内交付的能量(功率的积分)满足实时需求. 然而, 在复杂调度问题中“不多不少”精确满足累积产量的实时需求绝非易事. 我们在前期工作中详细阐述了电力生产中离散时间最优调度即使满足出力爬升约束, 也可能存在能量不可交付性, 并给出了判定能量可交付性或调度计划可实现性的充分必要条件[16]. 然而, 如何取得精确满足累积产量实时需求的最优调度目前还没有答案, 迫切需要研究. 本文建立了含积分约束的生产制造系统优化调度新模型. 通过对生产量变化率约束的深入分析, 证明了该类优化问题等价于光滑的非线性规划问题. 生产设备在各时段的产量上下界可表述为时段初、末时刻瞬时生产率的二元函数, 且为精确可达的上下界. 本文结合梯度映射的单调性, 证明了上下界函数的凸性(凹性), 在生产成本为凸函数时进一步证明了此类优化调度问题等价于凸规划问题. 本文以上述分析为基础, 针对含积分约束的生产制造系统优化调度问题, 提出了两阶段数值求解方法, 在许多情况下可以迅速获得全局最优解. 新模型和相应求解方法克服了生产量变化率约束带来的困难, 获得了精确满足累积产量实时需求的最优调度. 本文以电力生产优化调度问题为例, 进行了数值求解, 并对结果进行了讨论, 进而验证了新模型和相应方法的有效性. 应该指出, 本文提出的模型和求解方法可以推
广到求解有库存或存储的生产系统调度问题[2]. 限于篇幅, 此类问题未在本文中讨论. 本文结构安排如下: 第1节用一个简单例子说明了目前文献中通用的建模方式存在的缺陷; 第2节给出了按连续时间方式表述生产率及产量积分约束的精确调度模型; 第3节对模型的约束结构特征, 尤其是积分约束的结构特征进行了深入分析, 得到了一些重要理论结果; 第4节证明了新模型等价于一个可行域为闭凸集的光滑非线性规划问题, 特别当生产成本为凸函数时进一步等价于一个简单的凸规划问题, 提出了两阶段数值求解框架; 第5节以电力生产优化调度问题为例验证了本文提出的有关理论和方法; 第6节对全文进行了总结. 1
积分约束的必要性举例 我们以电力生产调度的简单例子, 说明积分约束的必要性. 某台发电机组最小发电功率为150 MW, 最大发电功率为450 MW, 最大爬升速率为6 MW/min, 假定第1 h内的发电功率恒定为g(1) = 150 MW, 现确定第2 h的发电计划. 如果按传统模型, g(1), g(2)表示第1和2 h内机组的平均发电功率(单位: MW). 如每个离散调度时段长度为1 h, g(1), g(2)在数值上等于机组在对应时段的发电量或产出的能量(单位: MWh), 并满足以下约束: 150≤g(2)≤450, g(2)?g(1)≤6?60?360. 显然在满足上述约束的情况下, g(2)的最大取值为g(2) = 450 MW. 然而, 容易说明机组在第2 h内的最大发电量或能量远远无法达到450 MWh, 见图1所示. 图1
机组发电功率与电量因机组在第1 h末发电功率为150 MW, 对应于图1中A点, 由于爬升速率有限, 发电功率不可能在第2 h初突变, 即便按最大爬升速率上升, 至多在1 h 50 min 处达到最大发电功率450 MW, 对应图中C点, 此后保持不变. 因此机组在第2 h内最大可实现的发电量为五边形 ACDFE 的面积, 对应为 325 MWh, 远低于450 MWh(对应于矩形 BDFE 的面积). 因此, 如果要进行电量的调度, 应该考虑发电功率的积分和相应的约束. 2 含积分约束生产制造系统优化调度模型 考虑一个生产制造系统有I台生产设备, 生产过 程需消耗J种原料、调度周期为K时段. 本文采用的变量和符号定义及说明如下: i 设备编号, i?1,2,?,I; j 生产原料编号, j?1,2,?,J; k 调度时段编号, k?1,2,?,K; ?? 每个调度时段的时间长度; aj,i 第i台设备生产每单位的产品, 需消耗的第j种原料量; Rj,k 第k时段允许消耗的第j种原料总量; t 连续时间变量, 从0时刻开始计时, 调度周期总时间长度为K??; gi(t) 设备i在t时刻的生产率, 是时间的连续函数; ui(t) 设备i在t时刻的生产率变化率, ui(t)是分段连续函数; pi(k) 设备i在第k时段的生产量; ?i 设备i的生产率变化率上限; i,gi 设备i的最大、最小生产率; Ci(pi(k)) 设备i在第k时段生产量为pi(k)时的生 产成本, 假定成本仅与生产量有关; D(k) 第k时段的总需求或合同供货量. 本文考虑的生产调度可描述为以下优化问题. 目标: 生产成本最小 I K
umin J?i(t),gi(t),pi(k) ??Ci(pi(k)). (1) i?1k?1约束条件: (a) 即时产需平衡: 中国科学: 技术科学 I
?pi(k)?D(k), k?1,2,?,K; (2) i?1 (b) 原料限制:
?aj,ipi(k)≤Rj,k, (3) i?1 其中j?1,2,?,J, k?1,2,?,K. 约束(3)具有通用性, 可以表示许多形式的约束, 除原料限制约束外, 还可表示电力生产调度中的系统备用约束、传输容量约束(均可视为广义的原料限制约束)等. (c) 产量-生产率关系: pi(k)?? k?(k?1)? gi(t)dt, (4) 其中i?1,2,?,I, k?1,2,?,K. (d) 生产率-生产率变化率关系: gt i(t)?gi(0)??0 ui(?)d?,?t?[0,K?], (5) 其中i?1,2,?,I. 在本文考虑的调度问题中, ui(t)为决策变量, gi(t)和pi(k)为状态变量. (e) 生产率变化率界约束(生产率爬升约束): ??i≤ui(t)≤?i,?t??0,K??, (6) 其中i?1,2,?,I.
(f) 生产率界约束:
gi≤gi(t)≤i,?t??0,K??, (7) 其中i?1,2,?,I. (g) 调度初始及终止时刻生产率约束:
gi(0)?gi?,0,gi(K?)?gi?,K, (8) 其中gi?,0和gi?,K是给定常数. 该组约束中的后一个可选, 某些系统可能不需要. 由(1)~(8)式描述的具有实际背景的生产制造系统优化调度问题十分复杂, 既包括了离散时间约束, 也包括了连续时间积分关系, 难以直接应用现有的非线性规划或最优控制理论求解, 本文通过深入研究约束(4)~(7)及目标函数(1)的结构特征, 找到了将此类调度问题转化为光滑凸规划问题的系统方法. 受篇幅限制, 模型(1)~(8)中未引入描述设备开关机状态的离散决策变量和约束. 作者已结合本文的理论结果和前期研究成果[9], 在上述模型中考虑了离散决策变量和约束, 将在以后报告. 3 问题转化为光滑凸规划的理论基础 本节给出将问题(1)~(8)转化为光滑凸规划的理论基础. 为使表述简洁, 引入下述符号: gi,k?gi(k?),k?0,1,2,?,K,i?1,2,?,I, (9) 表示设备i在k?时刻的瞬时生产率. 首先, 可以证明单台生产设备在各时段的产量上下限可表示为该设备在相应时段初、末时刻生产率的二元函数. 定理 1.
设 pi(k), gi(t), ui(t)满足约束(4)~(7), 则有下述结论成立: (i) gi,k?gi,k?1≤?i?; (10) (ii) Pi(gi,k?1,gi,k)≤pi(k)≤i(gi,k?1,gi,k). (11) (11)式中的产量上下限二元函数i(?,?)和i(?,?)解析表达式如下: i(gi,k?1,gi,k)? ??(gi,k?1?gi)2?(gi,k?gi)2 ? ? 2??gi??,i ? ifgi,k?1?gi,k?2gi???i?,
?? (gi,k?1?gi,k)2 ???(g? ? 4?i,k?1?gi,k)?i??2,i24?? ifgi,k?1?gi,k≥2gi??i?,(12)i(gi,k?1,gi,k)? ??(i?gi,k?1)2?(i?gi,k)2 ? ? 2??i??, ?i?ifgi,k?1?gi,k≥2i??i?,
??(g??i,k?1?gi,k)2 ?? ?(g?i,k?1?gi,k)?i??2,? 4?i24?? ifgi,k?1?gi,k?2i??i?.(13)(iii) (11)式给出的pi(k)的上下界是可以达到的, 即分别存在适当的生产率函数gi(t)和生产率变化率函数ui(t)使得(11)式中的两个不等式成为等式. 证明: (i) 在(5)式中分别令t?(k?1)?和t?k?可得: ? ??gk?1)?)?g(k?1)?i,k?1?gi((i(0)??ui(?)d?,?0(14) ??? gi,k?gi(k?)?gi(0)??k?
0ui(?)d?, (14)式中的两式相减可得: gi,k?gi,k?1?? k?(k?1)? ui(?)d?, (15) 再根据(6)式, 结合(15)式即可得(10)式, 结论(i)因此成立. (ii) 当t?[(k?1)?,k?]时, 对比约束(5)和(6)式, 可得如下结论: gti(t)?gi,k?1?? (k?1)?ui(?)d? ≥gti,k?1?? (k?1)? ?id?
?gi,k?1??i(t?(k?1)?), (16) gk?i(t)?gi,k?i(?)d?
?tu ≥gi,k?? k?t ?ids?gk??i(k??t), (17) 因此结合(7)式可知, 当t?[(k?1)?,k?]时下式成立: gi(t)≥gimin,k(t) ?max?gi,k?1??i(t?(k?1)?),gi,k??i(k??t),gi?, (18) 上式右端给出的gimin,k(t)实际上是在给定第k时段初、末时刻生产率为gi,k?1和gi,k的前提下, 在第k时段设备i的最低可达生产率曲线. 根据产量-生产率积分关系约束(4)式, 从而得到: pk??t?? k??i(k)??(k?1)?? gi(t)d(k?1)?? gimin,k(t)dt ??(gi,k?1?gi)2?(gi,k?gi)2 ? ?gi? 2???,i ?? ifg? i,k?1?gi,k?2gi??i?,
?? (gi,k?1?gi,k)2 ???(g? ? 4?i,k?1?gi,k)?i4??2,i2?? ifgi,k?1?gi,k?2gi??i?. (19)(19)式的结果基于(18)式, 通过图2中最左边一列的两幅图(最小可达生产率曲线)能够更好说明. 图2中的Case 1和Case 2分别对应于(19)式中的第一种情况和第二种情况. 基于完全类似的推理分析, 可以得到当t? [(k?1)?,k?]时有下式成立:图2
设备i在时段k的最低/最高可达生产率曲线及其对应的生产爬升率 gi(t)≤gimax,k(t) ?min?gi,k?1??i(t?(k?1)?), gi,k??i(k??t),i?, (20) 上式右端给出的gimax,k(t)实际上是在给定第k时段初、末时刻设备生产率为gi,k?1和gi,k的前提下, 在第k时段设备i的最高可达生产率曲线. 根据产量-生产率积分关系式(4), 得到: 将变为等号. 本文仅指出对应于图2中与gimin,k(t)对应 的Case 1情况下, ui(t)与gi(t)的对应关系, 其余情况完全类似. 在所考虑的情况下有下式成立:
gi,k?1?gi,k?2gi??i?, (22) 此时有: t?[(k?1)?,k?]时 pi(k)?? k??(k?1)?? gi(t)dt≤? k??(k?1)?? gimax,k(t)dt
?(i?gi,k?1)2?(i?gi,k)2 ?i??,?? 2?i? ?ifgi,k?1?gi,k≥2i??i?,??? 2 (g?g)???i,k?1i,k ??(gi,k?1?gi,k)?i??2,??4?i24? ?ifgi,k?1?gi,k?2i??i?,(21)? ?gi,k?1??i(t?(k?1)?),?if(k?1)?≤t≤tk,1, ?? gimin(t)??gi,?iftk,1≤t≤tk,2,,k ???gi,k??i(k??t),?iftk,2≤t≤k?, (23) 其中的tk,1, tk,2由下式得到:
??tk,1?(k?1)??(gi,k?1?gi)/?i, ? t?k??(g?g)/?,i,ki?i?k,2 (24) 不难验证(22)式满足时, (24)中给出的两个时刻tk,1, tk,2均位于第k时段. 与gimin,k(t)对应的ui(t)为: t?[(k?1)?, k?]时 (21)式的积分基于(20)式, 通过图2中的中间一列两 幅图(最高可达生产率曲线)能够更好说明. 图2中的Case 1和Case 2分别对应于(21)式中的第一种情况和第二种情况. 结论(ii)因此成立. (iii) 显然, 在(ii)的证明中, 如果当t?[(k?1)?,k?]时取gi(t)?gimin,k(t), 则(19)式中的不等号将变为等号; 同理, 如果取gi(t)?gimax,k(t), 则(21)式中的不等号
???i,if(k?1)?≤t?tk,1, ? ui(t)??0,iftk,1≤t?tk,2, ? ??i,iftk,2≤t≤k?. (25) (23)~(25)式的结果可以用图2中第3列的两幅图篇二：中国科学 技术科学-论文模板 提高二冲程发动机扫气效率的若干方法
景健文第一周9,10节
摘要 二冲程发动机具有推重比大，高效率，轻便等优点，但目前世界上对二冲程燃油发关键词 二冲程，扫 动机的使用范围有限，其中的原因主要是二冲程发动机的扫气效率比较低故产生的污染较大，所 气效率，直 以经济性和环保性是制约其发展的主要原因。所以笔者的目的就是通过采用新的扫气形式提高发 流横流回 动机扫气效率从而提高其经济性和环保性，如果将二冲程发动机的扫气效率大幅度提升的话，那流。 么其在世界上的利用范围一定会大幅度跃升。
绪言 二冲程发动机具有推重比大，高效率，轻便等优点，但目前世界上对二冲程燃油发动机的使用范围有限，其中的原因主要是二冲程发动机的扫气效率比较低故产生的污染较大，所以经济性和环保性是制约其发展的主要原因。所以笔者的目的就是综述一下现有的若干种提高二冲程发动机扫气效率的方案及其解决问题的方式。 所谓二冲程发动机，即发动机气缸体上有三个孔，即进气孔、排气孔和换气孔，这三个孔分别在一定时刻由活塞关闭。其工作循环包含两个行程： 1.第一冲程：活塞自下止点向上移动，三个气孔同时被关闭后，进入气缸的混合气被压缩；在进气孔露出时，可燃混合气流入曲轴箱。 2.第二冲程：活塞压缩到上止点附近时，火花塞点燃可燃混合气，燃气膨胀推动活塞下移作功。这时进气孔关闭，密闭在曲轴箱内的可燃混合气被压缩；当活塞接近下止点时排气孔开启，废气冲出；随后换气孔开启，受预压的可燃混合气冲入气缸，驱除废气，进行换气过程。 目前世界上所使用的二冲程燃油发动机的扫气形式有横流扫气，回流扫气，和直流扫气三种。“横流扫气扫排气口分别位于气缸下部的两侧，扫气时新鲜充量漏失，所以扫气效率不高，新型机很少采用。回流扫气扫气口和排气口分别布置于气缸下部同一侧，扫气流充入气缸后先向上流动，然后再折转流向排气口再气缸内形成扫气回流，这种扫气方式扫气质量较高，结构也简单获得广泛应用。直流扫气扫气流由扫气口进入气缸，沿气缸轴线单向流动，同时绕气轴线旋转将废气从排气口排出新鲜充量与废气很少掺混。这种扫气方式的扫气质量最好，应用也广泛。”尽管三种扫气形式各有优劣，且直流扫气效率较高但依然没有能很好地解决扫气效率不高，排放较大的缺点。 现在绝大多数提高二冲程发动机扫气效率的方法不外乎两类：一为优化现行的三种扫气效率的结构或参数，二为采用新的扫气方式提高扫气效率。两种解决方式各有优劣，前者相对来说实施起来比较简单易行，但效果不够明显，后者的实施相对艰难，但一旦成功效果明显。具体的各种方案会在下面详细叙述。 直流扫气式二冲程发动机结构优化第一种二冲程直流扫气点燃式内燃机的结构由曲轴箱、排气口、活塞、气缸、扫气道及缸盖构成，其特征是在缸盖上有扫气气门及一部分扫气道，而排气口在气缸下部，在排气口后设有圆筒形旋转阀，在阀前及阀内设有金属栅板，栅板上涂有催化剂，气门偏于气缸一侧时，缸盖及活塞的一部分为斜面，活塞的另一部分为凹腔，气门及燃烧室在气缸中心时，活塞为平顶，扫气道为螺旋形，燃烧室处于缸盖内，当曲轴箱作为扫气泵且燃料为燃油加润滑油时，在空气滤清器之后设纯空气道及阀，亦即纯空气控制阀，并在缸盖扫气道上设空气簧片阀，缸盖扫气道的气门前设有调节阀，在结构上，缸盖配气机构处于混合气润滑油油雾润滑之中，当采用专设扫气泵及燃油喷射时，则不设空气滤清器后的纯空气道及其阀，也不设缸盖扫气道上的空气簧片阀及扫气道气门前的调节阀，而在结构上，则有压力润滑油通到配气机构处。 此种方案思路是重新安排了一下扫气口的位置，同时对扫气口的形状，方位等几何参数进行了协调优化，对扫气效率的提高有不可忽视的作用但提升范围有限。 第二种发动机结构：同一气缸内安置的两个可往复运动的活塞，采用对置的方式布置，按照进、排气口的位置区分，分别称为排气端活塞和进气端活塞。进气端活塞和排气端活塞各自与进气小连杆和排气小连杆连接。两根小连杆各自通过一个杠杆，实现作用力反向后，在杠杆的另外一端输出，输出端再各自通过一根大连杆，最终共同连接在同一根曲轴上。本发明双活塞直线对称布置双活塞直流扫气发动机，其两根小连杆、两根杠杆、和安装在同一根曲轴上的两根大连杆、完全呈对称布置。而杠杆的支点又是可以被调节的，支点的调节是通过一个所谓偏心轴完成的。偏心
轴主轴及偏心轴摇臂和两组与一个可控电机相连的对称布置的蜗轮蜗杆，并采用一根与两个对置活塞相连的曲轴；该曲轴的一组连杆轴颈夹角呈小偏角非对称布置，其夹角在192-195度之间制成一台通过可控电机自动调节压缩比值的高增压两冲程对置活塞布置的往复式发动机。 这种方案的核心思路是采用对置活塞布置，具有下列重要优点：燃烧室散热面积缩小到最低限度，使热机效率能明显提高；克服了两冲程发动机换气质量不高、换气能量损失巨大的缺陷；采用对置活塞布置和采用一根与两个对置活塞相连的曲轴能令人满意的解决可调压缩比值难题，还可解决起动困难，并能使用各种燃料，特别适合使用可再生清洁燃料；由于解决可调压缩比值难题，因此可以提高发动机的进气增压，这样既可提高发动机的输出动力，还能提高热机效率；还能提供出更多、质量更高的可被涡轮发动机利用的低压燃气以利于第二次热转换技术利用，为制造先被往复式发动机利用，再被涡轮发动机利用的联合循环内燃机组创造了条件；由于不用气缸盖、汽门、汽门弹簧，本发明很适合用陶瓷材料来制造。 上述两种方案对提升扫气效率都有很明显的作用，但由于本质上都是在二冲程直流扫气形式上的结构优化，此种扫气方式的理论缺陷是难以通过结构优化避免的，所以这两种方案有一定的局限性。 回流扫气式发动机结构优化 第一种方案设计涉及特种发动机附件，特别涉及一种用于二冲程回流扫气式自由活塞发动机的滑动式呼吸阀。包括进气管、阀门、带扣脚的中心开孔的扣盖，其特征在于：进气管一端外部有一圈挡环，扣盖扣在挡环上并密封连接，阀门位于圆形进气管另一端，和进气管密封活动连接，滑杆顶端和阀门固定连接，并由带滑套的支架Ⅰ和支架Ⅱ支撑在进气管的轴线上；在滑杆上两个支架之间设有调节螺母，在调节螺母与支架Ⅰ之间设有处于压缩状态的回位弹簧。本实用新型具有较高的进气效率、工作效率和可靠性。 如上文所言，此项方案在一定程度上起到了提升扫气效率的作用，提升的程度还是很有限的，而且结构上需要特种发动机附件，所以制造起来成本提高，有可能得不偿失。 第二种方案：回流扫气式多换气道二冲程内燃机换气时，为了避免经由排气道的换气损失，使空气或稀混合气与浓混合气大致同时经近排气道设置的换气道进入。空气或稀混合气使浓混合气从排气道分开。此时必需有特设的空气或稀混合气进口。本发明先在近排气道的换气道充废气，在压力相反时再排除，在排气口和流入的新鲜混合气之间形成一道废气屏障。这有助于以结构简单的方式在不用附加进气口和进气口控制元件的情况下避免新鲜混合气的损失。此方案的核心思路在于分层扫气，可以提升扫气效率，作用还是相当明显的。 上述两种方案不论在理论还是实际上都能较好的提升扫气效率但由于回流扫气本身具有的理论扫气缺陷较大，所以尽管(来自: 小龙 文档 网:中国科学,模板)上述两方案对扫气效率的提升程度较大，但由于扫气形式本身的不足，导致总体效率不如直流扫气，应用上具有一定局限性。 由于对横流扫气形式的结构优化几乎没有，所以在此不做综述。 创新方案 创新方案对扫气形式上的设计不再遵循直流横流和回流三种形式，而是采用新发明的扫气形式，从而提高扫气效率。
本第一种方案是一种二冲程发动机顶置气阀扫气结构，其特征在于：二冲程发动机本体处设有曲轴，曲轴通过与其相连的凸轮带动顶杆控制二冲程发动机本体气缸顶部的顶置气阀，同时在气缸的外侧由单向阀或阀片及密封螺钉形成一个保持压力的通道，所述单向阀的外侧形成混合燃气通道，顶置气阀与混合燃气通道连通。该结构实施时自上而下可有效减少新鲜混合气流失，降低废气排放，产品整体设计结构合理，构思巧妙，工作状态稳定，具有很好的实用性，相比现有技术而言，具有突出的实质性特点和显著进步。 如上文所言此种方案可自上而下进行扫气，是现行的三种扫气形式所不具有的优点，构思极为精巧，可以在实质上提高扫气效率，如果再在结构上进行优化设计，那么定会有很大的应用前景。
第二种创新型方案包含一种二冲程发动机的扫气系统，它包括新鲜空气扫气系统与混合气扫气系统及相应进气控制系统，工作时新鲜空气扫气系统先清扫缸内废气，混合气扫气系统再扫气向二冲程发动机供给燃料，以获得较好的燃料经济性与碳氢化合物排放，适用于汽车、摩托车、轻型飞机、船舶、航模及移动电站等作动力的二冲程发动机，特别是以燃料与空气混合形成混合气方式供给燃料的二冲程发动机。 此种二冲程发动机的扫气系统，特别是以燃料与空气混合形成混合气方式供给燃料的气缸壁上设置扫气口的曲轴箱扫气二冲程发动机的扫气系统，适用于汽车、摩托车、轻型飞机、船舶、航模及移动电站等作动力的二冲程发动机，其特征在于：1发动机的气缸壁上设置有新鲜空气扫气口与混合气扫气口；2新鲜空气扫气口的开启定时在混合气扫气口的开启定时之前；3连通新鲜空气扫气口的新鲜空气气道内 设置有新鲜空气单向阀；4新鲜空气扫气口经新鲜空气气道与空气滤清器连通，之间没有气泵。 这种创新方案在进气内容上做了较大文章，此方案虽然在扫气结构上没有太大的创新点，但是在进气方面有很好的思路，既简化了发动机结构，使其易于制造且轻便，又在一定程度上提升了扫气效率，所有有一定的应用前景，缺点依然是扫气效率提升的程度不高。 第三种方案包括一种分置排气二冲程发动机，包括对置活塞二冲程发动机，所述对置活塞二冲程发动机的排气口由高压扫气排气口和低压扫气排气口构成；本发明由于所述分置排气二冲程发动机的扫气排气口设为高压扫气排气口和低压扫气排气口，或在排气扫气门设置在缸盖上的直流扫气二冲程发动机中将排气扫气门设置为高压排气扫气门和低压排气扫气门，从而使排气中的高压气体和低压气体分别进入不同通道，减少过程的不可逆损失，再对高压排气和低压排气分别加以利用，达到提高发动机效率的目的。 这种对置活塞的创新设计与上述的对直流扫气的结构优化中一种优化方式很类似，其创新之处在于采用了分置排气，故可在优化直流扫气结构的基础上进一步提升扫气效率，然而其真正提升的程度还有待实验参数。 结论
笔者的综述主要分为两大部分：一为对现有的扫气形式的二冲程发动机的结构的优化设计；二为采用新型扫气形式的二冲程发动机的结构的创新设计。总的来说两种改进方式各有优劣，第一种即在现有的扫气形式上进行结构优化，这种改进方式实施起来比较方便，因为其只需在现有的结构上进行一下改进就可以取得成果，而第二种就要从一开始就自行设计，消耗的人力与时间等资源都较大，而且有相当大的风险，因为一旦失败就前功尽弃。尽管如此，第一种方式对扫气效率的提升程度将会是很有限的，因为其扫气效率受到现有的扫气形式的制约，虽然易取得进展，但不太可能大幅度提高扫气效率，而第二种则没有这种制约，只要设计出的扫气形式巧夺天工，理论上扫气效率可以很高，即高风险与高收益并存。 我认为未来提升二冲程发动机扫气效率的方案，也将遵循上述两种方式，而最终取得实质性飞越成果的我认为必然是第二种即对扫气形式进行创新设计的方式，毕竟创新永无止境。 、 参考文献 1 Publication number .2, CN , CN 2893185 Y, CN 2893185Y, CN-Y-2893185, CN, CN.2, CN2893185 Y, CN2893185Y
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中国科学院大学工程管理与信息技术学院
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关键词：（罗列5个左右的关键词，用“，”分开。关键词是指论文中最主要、最关键的、重复率最高的词或词组，多用名词。关键词的功能在于使读者据名猜意，了解全篇主旨。一般从标题或摘要中选取，这部分一般是最重要的部分） I相关热词搜索：