發動機是壹個統稱,在專業領域可以稱之為內燃機。按燃料不同大致可分為汽油機和柴油機。
我們可以從壹張圖開始。發動機的主要工作部件是燃油噴嘴。燃油噴嘴壹般設置在采用歧管噴射的車輛的進氣歧管處,燃油通過噴入與空氣混合。凸輪軸,凸輪軸負責控制氣門的開閉,使空氣進出氣缸;搖臂,是凸輪軸和氣門之間的連接部件;氣門控制進氣和排氣歧管的打開和關閉,以便空氣可以進入氣缸或從氣缸中排出。
整體稱為氣缸,氣缸的數量或結構取決於主機廠的設計,如L4、V6、L6、V8等。數字代表氣缸的數量,L或V代表直線或V型氣缸排列。
活塞,活塞上下運動做功,連桿和曲軸將活塞直線運動的力轉化為旋轉力。活塞通過連桿與曲軸連接,曲軸是發動機動力輸出的主要部件;曲軸與發動機中的所有活塞相連,這樣所有活塞產生的功都會傳遞到曲軸上。
火花塞,火花塞是點燃混合氣的部件。文章主要討論的是四沖程發動機,但下面二沖程發動機還會繼續講,下面的大部分備註都是以四沖程發動機為基礎的。
進氣,如果是歧管噴射的發動機,進氣沖程就是把進氣歧管裏的混合氣吸入氣缸。凸輪軸會使進氣門開啟(凸輪作用在搖臂上,搖臂作用在氣門上,壓縮上彈簧。凸輪軸離開搖臂後,氣門因彈簧而關閉)。當進氣門打開時,活塞向下運動,混合氣進入氣缸。
壓縮:在進氣沖程後,活塞到達下止點,在壓縮過程中進氣門和排氣門都不會打開,這時活塞上升,氣缸內的混合氣被壓縮。
功(功),壓縮沖程結束後,活塞到達上止點,火花塞產生火化,點燃混合氣,火焰會逐漸散去,活塞會被點燃膨脹的混合氣再次推下。
排氣:當活塞在作功沖程後到達下止點時,需要將燃燒後的廢氣排出氣缸。這是排氣沖程。這時凸輪軸會推動搖臂,打開排氣門,活塞向上運動,將燃燒後的廢氣通過排氣門推出氣缸。
當然,以上所有的筆畫都是基於中音循環,不包括阿特金森循環和米勒循環。
汽油機和柴油機的主要區別在於,柴油機只是在壓縮沖程結束後才將燃油噴入氣缸,汽油具有壹定的防爆性能。比如92#和95#是衡量汽油防爆標準的標簽,而柴油機就不壹樣。
柴油機和汽油機的區別在於,柴油機的進氣沖程只有空氣進入氣缸,沒有汽油與之混合;然後活塞像汽油機壹樣在壓縮沖程上沖,汽油機的火花塞換成了油嘴。因為壓縮時缸內沒有燃油,所以壓縮比可以高於汽油機,比如15:1(普通汽油機壹般在10:1左右,當然現在的汽油機可以宣稱通過米勒循環等手段達到更高的壓縮比。
更高的壓縮比意味著更高的壓力和溫度。隨著壓力和溫度的升高,壓縮沖程末期的空氣變得非常熱。柴油噴射時會被點燃,隨後的作功沖程和排氣沖程與汽油機壹致。
壓縮比與燃油經濟性直接相關。理論上,壓縮比越高,燃油效率越高。因此,壓縮比高的柴油發動機理論上會比汽油發動機有更好的燃油經濟性。
此外,高壓縮比的柴油機還有壹個優點。當妳想改裝柴油機的時候,比如更換更大的渦輪和增壓器,妳唯壹需要擔心的就是機械強度。但對於汽油機來說,如果壓縮比是15:1,可能在火花塞點火前混合氣就開始燃燒,導致爆震、抖動等問題,而柴油機只是壓縮空氣,所以不存在這種情況。
轉子發動機是壹種不同於活塞式發動機的發動機形式,由德國人汪克爾發明,所以轉子發動機也叫汪克爾發動機。
從圖中可以看出,轉子發動機中間有壹個空腔,裏面是壹個三角形的轉子。轉子發動機的結構相當簡單,由前側壁、轉子室、中側壁、轉子室和後側壁組成(因為壹般的轉子發動機由兩個轉子室組成,所以可以理解為兩個氣缸)。
其中最著名的是馬自達的65438+3B轉子發動機,用於著名的RX7、RX8等車型。下面以65438+3B發動機為例介紹壹下轉子發動機。
轉子相當於活塞式發動機的活塞;偏心軸相當於活塞式發動機的曲軸,連接兩個轉子繞偏心軸旋轉,從而輸出動力。
從轉子室可以清楚地看到轉子發動機的工作過程。同樣,轉子發動機也是四沖程發動機。轉子室側面有進氣口。當轉子旋轉並掃過它們時,它會產生壹個真空來吸入空氣。需要註意的是,轉子兩側都有進氣口,即前後側壁和中間側壁,所以空氣會從兩側同時進入。
從側面可以看到,轉子室側面有兩個圓孔,是安裝火花塞的位置。因為轉子轉動時燃燒室很長,需要加上混合氣的燃燒速度,所以用了兩個火花塞。隨著轉子的轉動,燃燒後的廢氣會從排氣孔排出,已經完成了四個沖程。
需要知道的是,轉子室內不同階段的循環是同時發生的(轉子有三個面,三個面同時處於不同的沖程)。此外,還有壹個轉子與第壹個轉子相差180度,兩個轉子腔內的轉子處於相反的狀態(從偏心軸可以看出)。這樣,軸上的平衡在旋轉時也是平衡的。如果兩個轉子處於相反的狀態,由於兩個轉子相差180度,偏心軸前後會有俯仰力矩。因為偏心軸隨時在旋轉,垂直於軸向的力是平衡的,所以發動機的振動會很小,很平穩。
從圖中可以看出,除了上面提到的孔,轉子腔內還有壹個油孔。這樣做的原因是從這裏註入油來潤滑各種密封條。活塞式發動機可以在活塞下方噴油潤滑活塞環,而轉子發動機由於結構原因需要油嘴噴油。油泵連接到每個噴嘴。本質上,油泵是由油門控制的。駕駛員壹踩油門,油泵就會開始向裏面噴油,所以轉子發動機在設計上是需要燒油的。
轉子發動機的另壹個挑戰是密封問題,必須確保每個腔室之間的密封,才能有良好的效率。為了達到密封的目的,轉子發動機會有邊緣密封和菱形密封。菱形密封安裝在三角形轉子的頂端,由彈簧壓緊,使其能隨時貼合轉子腔內壁,同時通過轉角密封固定,使轉子轉動時能保持密封。邊緣密封也是如此,它通過彈簧緊緊地貼在轉子腔的內部。最後是油環,也需要彈簧來保持密封。
同時,轉子上會有不同的鉆孔。轉子制造出來的時候,工程師會把轉子放在動平衡機上,然後我們就可以看到轉子的不平衡,然後按照說明讓它更加平衡,所以每個轉子可能會有不同的鉆孔。通過切割轉子側的壹部分材料來增加轉子位移的加工槽。
第壹,轉子發動機的零部件很少,也正是因為設計簡單,所以可靠性更強。
第二,轉子發動機沒有往復運動,所有的運動都是旋轉的。往復式發動機的缺點之壹是存在往復運動部件。當往復運動部件高速旋轉時,會出現類似氣門懸置效應的情況(由於轉速過高,氣門在關閉時跟不上凸輪的運動,導致發動機效率下降,排放不良,甚至損壞發動機),而轉子發動機由於沒有往復運動部件,可以達到很高的轉速。
第三,動力輸出平穩,因為偏心軸每轉壹次,每個轉子都會有壹個做功沖程(活塞式發動機轉兩圈才有壹個做功沖程)。
第四,結構緊湊。因為省略了很多不必要的零件,沒有往復運動,所以轉子發動機的體積相當緊湊。這樣在很小很輕的情況下輸出大功率,為發動機布局創造了更多的空間。
首先,由於設計問題,轉子發動機的熱效率較低。同時,壓縮比低也是轉子發動機的壹個問題,這是由轉子發動機的燃燒室形狀決定的。火花塞點燃混合氣後,轉子旋轉,同時火焰開始燃燒,但燃燒室的形狀逐漸開始變大,傳播距離很長。與此同時,必須完全燃燒所有的石油和天然氣。隨著燃燒室的擴大,點燃所有混合物將變得更加困難。然後排氣口打開後,壹些沒有完全燃燒的混合氣會直接排到發動機外面,這也是為什麽經常看到轉子發動機的廢氣噴著火焰的原因。這是因為在作功沖程中所有的燃料不能完全燃燒,所以它的熱效率低,燃油經濟性不好,排放差。
第二,密封的問題。因為每個腔室都有不同的沖程,不期望氣體可以隨意在腔室中穿梭,每個沖程都會變得沒有意義,所以會有菱形密封、油環和邊緣密封來密封轉子,防止氣體竄流。但難點在於轉子腔的壹側吸入空氣,另壹側做功,做功沖程的溫度會高於吸入的溫度,導致兩者溫差較大,不同位置的金屬膨脹不同,維持密封性能非常困難,所以會出現壹定的漏氣現象。
第三,排放差。如上所述,轉子發動機在燃燒時,會向轉子腔內註入壹定量的機油,幫助各側密封潤滑,防止磨損,所以車主需要定期檢查機油,添加機油,確保機油處於正常水平。當機油參與燃燒時,排放會變差。
第四,燃油經濟性差。對比壹下轉子發動機和傳統活塞發動機,我們會發現轉子發動機的燃油經濟性真的很差,動力也沒有太大的提升。以馬自達RX-8上的發動機為例。百公裏平均油耗12.8L,發動機輸出卻只有235。奔馳A45 AMG2.0T發動機381馬力,百公裏油耗約12.11L,可見轉子發動機油耗表現有多差。
HEMI是縮寫。在1900年代早期,發動機氣缸的頂部是平的,這被稱為平頭設計。這具有體積小和杠桿頭面積大的優點。Hemi是半球形氣缸蓋的名字,這也是HEMI這個名字的由來。它使表面積最小,內部體積最大。燃燒時氣缸內表面做功會散失熱量,所以表面積越小,消耗的熱量越少。燃燒產生的熱量被用來做功。損失的熱量越多,發動機的功率就越低。因此,將熱量損失降至最低有助於提高車輛的發動機效率。
HEMI的目標是減少熱量損失,使其更加強大。另外,赫米的火花塞放在半球的頂部,會讓發動機燃燒得更好。但低壓縮比是HEMI發動機的劣勢,高壓縮比是高效發動機的必要條件。因此,工程師將活塞頂部改造成半球形,以符合燃燒室的設計。但是,這樣做會使活塞更重,曲軸需要克服多余的重量才能在運行時產生額外的力,所以這種設計不是壹個好的設計。因此,隨著技術的進步,工程師們不斷改進HEMI發動機的設計。
如今的HEMI發動機活塞頂部的曲線變得更加平緩。這樣做的主要原因是要克服:火花塞點燃後,火焰逐漸蔓延到各個角落。對於傳統的HEMI發動機來說,長的傳播距離需要更長的時間,所以更緊湊的燃燒室會讓燃燒效果更好。
目前,大多數汽車的氣缸頂部是屋頂形的。屋頂形狀的氣缸蓋從側面看起來像壹個三角形,它可以在壹個氣缸中安裝四個氣門。想想吧。如果HEMI發動機的氣缸蓋頂部是半球形,那麽安排四個氣門會比較困難,但是對於屋頂形的設計就簡單多了,只需要簡單的把四個氣門分成兩排,壹個四氣門的氣缸會有更好的進排氣氣流。車頂設計的另壹個優點是可以布置頂置凸輪軸。HEMI發動機會使用推桿,推桿凸輪軸的設計需要克服更多的慣性問題。
現在的HEMI發動機會有兩個火花塞,因為只使用壹個火花塞很難達到嚴格的排放要求,所以兩個火花塞會有兩個點火點,會比壹個點火點的火焰蔓延的更快,加快燃燒速度。
總的來說,HEMI發動機的主要特點是它的半球形燃燒室。
二沖程發動機和四沖程發動機的主要區別在於,二沖程發動機的曲軸每轉點火壹次,而四沖程發動機的曲軸每轉點火壹次。根據以上,我們可以知道四沖程發動機的工作原理。對於二沖程發動機來說,它結合了四個沖程,但活塞只會上下運動壹次。活塞上行,即壓縮沖程,到達上止點時會點火;當活塞下降時,做功、吸氣和排氣將在這壹步完成。
二沖程發動機沒有氣門和控制氣門的凸輪軸。發動機上有壹個孔,相當於進排氣門。這個孔由活塞控制。活塞下行時,排氣孔會先打開,燃燒後的氣體排出。當活塞繼續下降時,會壓縮曲軸箱內的氣體和曲軸箱內的油氣混合物。當活塞繼續下降時,會打開進氣口,於是油氣混合物進入氣缸,然後活塞上升,將吸入的油氣混合物向上壓縮。當活塞開始上升時,因為下曲軸箱的壓力變小,曲軸箱旁邊的壹個小單向閥就會打開,讓油氣混合氣進入下曲軸箱。
值得註意的是,進風口和出風口會同時打開。雖然工程師通過壹些手段阻止可燃氣體直接流向排氣,但這是無法完全避免的。壹種方法是環路掃氣,另壹種方法是設計壹個特殊的排氣產生壓力送回去。當部分油氣混合物到達排氣口時,前面燃燒的氣體會在膨脹室內膨脹,然後反彈回來,使未燃燒的可燃油氣混合物被送回氣缸壓縮燃燒。
此外,二沖程發動機的曲軸箱內會有油氣混合物,其中包含曲軸和連桿,而四沖程發動機的曲軸箱是封閉的,充滿機油,所以潤滑效果更好,所以四沖程發動機的壽命更長。二沖程發動機的曲軸箱是油氣混合物,需要在汽油中加入機油來潤滑曲軸箱內的運動部件。加機油意味著二沖程發動機的排放會差,這也是二沖程發動機的缺點之壹。
發動機或內燃機是推動人類進步的最重要的工具之壹。更好地了解這個工具將有助於我們更多地了解這個世界和您的汽車。仔細想想,就會發現內燃機的妙處。以上是發動機科學教學系列的第壹篇,可能比較長。看到這裏的朋友壹定也喜歡機械原理。如果妳有什麽想說的,可以在下面留言,教授會壹壹聽取,並做出改進。
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