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干货 | 从小白到入门,市面上各种发动机优缺点都在这里了

很多人看到教授的技术文章是不是一头雾水?没关系,从今天开始,教授从头开始,从最初的汽油机跟柴油机之间的区别开始讲起(可能会连载几篇文章,感觉给自己挖了个坑)去给您从技术的角度、使用的角度讲解汽油机的知识。
 
发动机是个统称,在专业领域可以称之为内燃机,通过燃料的不同可以大致分为汽油机和柴油机
 
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我们可以从一张图开始说起,发动机主要工作部件有喷油嘴,一般歧管喷射的车辆在进气歧管处设置喷油嘴,通过向里面喷射燃油与空气混合;凸轮轴,凸轮轴负责控制气门的打开和关闭,使空气进出气缸;摇臂,是凸轮轴与气门之间作用的连接部件;气门,控制进排气歧管的打开和关闭,使空气进入气缸或排出气缸。
 
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整体称之为气缸,气缸的数量或者结构取决于主机厂设计,例如有L4,V6,L6,V8等等,数字代表的是气缸数量,L或者V代表着气缸排列的直线型还是V型。
 
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活塞,活塞上下运动做功,而连杆、曲轴是将活塞的直线运动的力转化成旋转的力,活塞通过连杆连接着曲轴,曲轴作为发动机动力输出的主要部件;而曲轴连接着发动机内部所有的活塞,使得所有活塞产生的功都会传递到曲轴上。
 
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火花塞,火花塞是点燃混合气的部件。文章主要讨论四冲程发动机,而两冲程的下面会继续聊,后面的言论大部分基于四冲程发动机。
 
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吸气(Intake),如果是歧管喷射的发动机,吸气冲程就是将进气歧管内的混合气吸入气缸内部。凸轮轴会使得进气门打开(凸轮作用于摇臂,摇臂作用于气门,并让上面的弹簧压缩,凸轮轴离开摇臂后,由于弹簧的作用,气门关闭),当进气门打开时,活塞下行,这样,混合气就进入了气缸。
 
压缩(Compress),吸气冲程结束后,活塞到达下止点,压缩过程中进气门和排气门都不会打开,随后活塞上行,气缸内的混合气被压缩。
 
做功(Power),压缩冲程结束后,活塞到达上止点,火花塞产生火化,点燃混合气,火焰会逐渐散开,活塞也会由于点燃后膨胀的混合气推动,重新下行。
 
排气(Exhaust),做功冲程完成后,活塞到达下止点,就需要把燃烧后的废气排出气缸外,这时候就是排气冲程,此时凸轮轴会推动摇臂,打开排气门,活塞向上运动,推动燃烧后的废气,通过排气门排出气缸外。
 
当然,以上的所有冲程都是奥拓循环为基础,并不包括阿特金森循环和米勒循环。
 
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汽油发动机和柴油发动机的主要区别在于柴油发动机在压缩冲程后才向气缸内部喷油,汽油是有一定的防爆性能的,例如92#,95#是衡量汽油防爆标准的标号,而柴油发动机则不同。
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柴油发动机跟汽油发动机之间的区别在于柴油发动机在吸气冲程时只有空气进入气缸,没有汽油与之混合;随后在压缩冲程像汽油机一样活塞上行,在汽油发动机火花塞处取而代之的是一个喷油嘴,由于压缩时气缸内没有燃油,所以压缩比可以达到比汽油机更高,例如15:1(普通汽油机一般情况下在10:1左右,当然目前的汽油机能通过米勒循环等手段宣称能达到更高压缩比)。
 
压缩比更高,意味着有更高的压力,也意味着更高的温度,随着压力和温度的上升,压缩冲程即将结束时的空气是非常高温的,让柴油喷入时,柴油就会被点燃,随后的做功冲程,排气冲程跟汽油发动机一致。
 
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压缩比是和燃油经济性直接相关的,理论上压缩比越高,燃油效率会更高,所以有着高压缩比的柴油发动机理论上会比汽油发动机有更好的燃油经济性。
 
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此外,高压缩比的柴油发动机还有另外一个优点,当你想要改装柴油发动机时,例如更换更大的涡轮、机械增压器等,唯一需要担心的是机械强度问题。但对于汽油机来讲,假设压缩比是15:1,在压缩的时候,混合气可能在火花塞点火之前就已经开始燃烧,就导致了爆震、抖动等问题,但柴油机因为压缩的只有空气,所以不存在这种情况。
 
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转子发动机是区别于活塞发动机的一种发动机形式,由德国人汪克尔发明,所以转子发动机也被称之为汪克尔发动机。
 
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从图可以看到,转子发动机中间有一个腔室,一个三角形的转子在其中。转子发动机的结构相当简单,分别有前侧壁、转子室、中间侧壁、转子室、以及后侧壁组成(因为一般转子发动机由2个转子室组成,可以理解为2个气缸)。
 
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其中最著名的是马自达的13B转子发动机,这台发动机运用在大名鼎鼎的RX7、RX8等车型上面,下面我们以13B发动机为例,介绍一下转子发动机。
 
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转子就相当于是活塞发动机的活塞;偏心轴就相当于活塞式发动机的曲轴,由它去连接两个转子围绕着偏心轴旋转,从而输出动力。
 
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从转子室可以清楚看到转子发动机的工作流程,同样,转子发动机也是四冲程发动机。转子室的侧面有进气口,当转子旋转扫过它们时,就创造了一个真空来吸入空气,需要注意的是,进气口在转子两侧都有,也就是前后两个侧壁上都有,中间的侧壁也有,所以空气会从两边同时进入。
 
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从侧面可以看到,转子室侧面有两个圆孔,这两个圆孔是安装火花塞的位置,因为转子在旋转时燃烧室很长,需要加入混合气的燃烧速度,所以使用了两个火花塞。随着转子的旋转,会把燃烧后的废气从排气孔排出,至此完成了四个冲程。
 
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需要知道的是,在转子室里不同阶段的循环是在同时发生的(转子有三个面,三个面同时处于不同的冲程)此外,还有另一个转子相位和第一个转子相差180度,两个转子室内的转子发生相反的状态(从偏心轴上也可以看出),这样一来,在轴上的平衡的,在旋转的时候也是平衡的,如果两者有偏差就会出现不平衡问题,随之而来的就是振动。由于两个转子相差180度,所以在偏心轴前后会有俯仰力矩,由于偏心轴随时在旋转,而在垂直于轴向上的力的平衡的,所以发动机的震动会很小,同时也会很平顺。
 
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从图上可以看到,转子室除了上面说的孔洞以外,还有一个机油孔,这么做的原因是要从这里注入机油来润滑各种密封条,活塞发动机可以在活塞下方喷射机油来润滑活塞环,而转子发动机由于结构的原因,所以需要喷油嘴来喷入机油。机油泵连接着每个喷油嘴,本质上机油泵是通过油门控制,当驾驶员踩下油门时,机油泵就会开始往里面喷射机油,所以转子发动机在设计上就是需要燃烧机油的。
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转子发动机另外一个挑战是密封问题,需要保证每个腔室之间的密封性才能拥有不错的效率,为了达到密封的目的,转子发动机会有边封和菱封,菱封通过安装在三角转子的尖端同时使用弹簧将其压紧,使他能够随时贴合转子室内壁,同时使用角封固定,在转子旋转的时候就可以保持密封性。边封也是如此,通过弹簧使得边封与转子室内部紧密贴合。最后还有油环,同样需要弹簧来保持密封性。
 
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与此同时,转子上会有不同的钻孔,当转子被制造出来以后,工程人员会将转子放在动平衡机上,就可以看出转子不平衡的地方,随后根据指示让它变得更加平衡,所以每个转子都有可能有不一样的钻孔。转子侧面通过切削转子上的一部分材料来增加转子排量的工艺槽。
 
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第一、转子发动机的零部件非常少,正是由于其设计简单,所以其可靠性更强。
 
第二、转子发动机没有往复运动,所有的运动都是旋转的,往复式发动机其中有一个弊端就是存在往复部件,往复部件在高转速时就会存在一个类似气门悬浮效应的情况(由于转速太高,导致气门在关闭时跟不上凸轮的运动,导致发动机效率下降,排放变差,甚至损坏发动机)而转子发动机就可以达到非常高的转速,因为它没有往复部件。
 
第三、动力输出平顺,因为偏心轴每转一圈每个转子就会有一次做功冲程(活塞发动机是转2圈才有一次做功冲程)。
 
第四、结构紧凑,由于省略了很多非必要零件,同时没有往复式运动,所以转子发动机的体积相当紧凑。这样在很小、很轻的情况下输出很高的动力,同时为发动机布置创造了更多的空间。
 
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第一、由于设计问题,转子发动机的热效率较低。同时压缩比比较低也是转子发动机的问题,这是由转子发动机燃烧室形状决定的。火花塞点燃混合气后,转子旋转,同时火焰开始燃烧,但是燃烧室的形状是逐渐开始变大的,同时传播距离非常长,与此同时需要把所有的油气完全燃烧,随着燃烧室的扩张,点燃所有的混合气就会变得更加困难。随后排气口打开后,有些还没完全燃烧的混合气就会直接被排放到发动机外,这也是为什么经常能看到转子发动机的车排气有火焰喷出,这是因为在做功冲程时没能把所有燃油燃烧干净,所以其热效率较低,燃油经济性也不好,同时排放也比较差。
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第二、密封性问题。由于每个腔室分别担任不同的冲程,并且不希望气体能够任意穿梭腔室,这样每个冲程就会变得没有意义了,所以会有菱封、油环、边封来密封转子,防止窜气。但难点是,转子室两侧由于一边是吸气,另一边是做功,做功冲程会比吸气的温度高,造成了两者的温差较大,不同位置的金属膨胀不一样,所以非常难保持密封性,于是会有一定的窜气现象发生。
 
第三、排放差。上文说过,转子发动机燃烧时会有一定量的机油被注射到转子室内来帮助各个边密封并且润滑,防止磨损,所以车主需要定期检查机油量,添加机油保证机油处于正常水平。当机油参与到燃烧时,排放就会变得很差。
 
第四、燃油经济性差。将转子发动机跟传统活塞发动机相比,就会发现转子发动机的燃油经济性实在是特别差,同时动力上也没有提升特别多。以马自达RX-8上的发动机为例,该车的百公里平均油耗为12.8L,但发动机输出只有235匹;奔驰A45 AMG2.0T发动机381匹马力,百公里油耗大约为12.11L,可见转子发动机的油耗表现是多么糟糕。
 
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HEMI是一个缩写,在1900年代早期的时候,发动机的气缸顶部是平的,被称为Flat head设计,这样做的好处是体积小并且杠头的面积大,HEMI是半球式(Hemispherical)缸头的名称,也就是HEMI名称的由来。它使得表面积最小,内部体积最大,在燃烧做功时气缸的内表面会散失热量,那么表面积越小,消耗掉的热量也就越少,燃烧产生的热是用来做功的,散失热量越多,发动机的功率也就越低,所以尽量减少热量损失能够有助于提高车辆的发动机效率。
 
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HEMI的目标就是减少热损失,同时也使得它的功率更大一些,此外HEMI的火花塞被放在半球的顶部,这会使得发动机的燃烧效果更好。但是压缩比较低是HEMI发动机的缺点,而高压缩比又是高效发动机的一个必要条件,所以工程师会将活塞顶部改造,将活塞顶部也变成半球形,以符合燃烧室造型设计,但是这么做会让活塞变重,曲轴运转的时候就需要克服多余的重量产生额外的力,所以这种设计并不是好的设计,所以在技术进步的同时,工程师也在继续改善HEMI发动机的设计。
 
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今天的HEMI发动机的活塞顶部的曲线已经变得更加平缓,之所以这么做,主要是为了克服:火花塞点火后,火焰是逐步传播到各个角落的,对于传统的HEMI发动机来说,传播距离很长,就会需要更长的时间,所以更加紧凑的燃烧室会让燃烧效果更优秀。
 
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如今大部分汽车的气缸顶部都是屋脊型设计,屋脊型缸头从侧面看就像是一个三角形,它可以一个气缸布置4个气门,想想一下,如果对于HEMI发动机缸头来说,它的顶部是半球形的,如果要布置四个气门就会很困难,但是对于屋脊型设计就简单得多,只需要简单地将四个气门分成两排即可,一个气缸有四个气门会有更好的进排气气流,快速换气对于发动机来说会有明显帮助。屋脊的设计另外一个好处就是可以布置顶置凸轮轴,HEMI发动机会用推杆,推杆式凸轮轴设计需要克服更多的惯性问题。
 
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目前的HEMI发动机会有两个火花塞,原因就在于如果只使用一个火花塞,难以符合严格的排放需求,所以有两个火花塞就会有两个点火点,会比一个点火点的火焰扩散得更快,燃烧的速度也会加快。
 
总的来说,HEMI发动机的主要特点就是拥有半球形的燃烧室
 
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两冲程发动机和四冲程发动机主要的区别在于两冲程发动机曲轴每旋转一圈就点火一个,而四冲程发动机曲轴每两圈点火一次。根据上文,我们可以知道四冲程发动机的工作原理,对于两冲程发动机来说,它把四个冲程合并,但是活塞只会上下一次,当活塞上行时,也就是压缩冲程,到达上止点时就点火;当活塞下行时,做功、吸气和排气都会在这一步完成。
 
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两冲程发动机没有气门、没有凸轮轴去控制气门,发动机上有孔相当于是进排气门,这个孔通过活塞控制,当活塞下行时,排气孔会首先打开,燃烧后的气体排出;当活塞继续下行时,会压缩到曲轴箱里面的气体,曲轴箱内的油气混合物,活塞继续下行就会打开进气孔,于是油气混合物就会进入到气缸内,随后活塞上行,将吸入的油气混合物向上压缩,当活塞开始上行时,由于下面曲轴箱的压力变小,曲轴箱旁边的一个小单向阀会打开,让油气混合物进入到下面的曲轴箱内。
 
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值得注意的是,进气口和排气口会有同时打开的时候,虽然工程师通过某些手段来防止可燃气体直接流到排气,不过这不能完全避免这种情况。其中一个方法是循环扫气(Loop Scavenging)以及另外一种方法:通过设计一种特殊的排气可以产生压力,将其送回。当一些油气混合物到排气口时,而在前面燃烧后的气体会在膨胀室扩张,之后就会被反弹回来,这样就可以将那些未燃烧的可燃油气混合物重新送回气缸被压缩和燃烧。
 
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此外,两冲程发动机在曲轴箱内会有油气混合物,曲轴箱里面有曲轴、连杆,而四冲程发动机的曲轴箱是封闭的,里面是机油,润滑效果也就更好,因此四冲程发动机的寿命也更长。两冲程发动机的曲轴箱是油气混合物,所以需要在汽油里面添加机油,这样才能润滑曲轴箱里面的运动部件,而添加了机油,就意味着两冲程发动机的排放会很差,这也是两冲程发动机的缺点之一。
 
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发动机或者说内燃机,是推动人类进步的最主要的工具之一,更了解这个工具,有助于我们更了解这个世界,更了解您的爱车。仔细斟酌,你会发现内燃机之美。以上就是教授关于发动机科普系列的第一篇文章,也许文章会相对长,看到这里的朋友肯定也是喜欢机械原理的,如果你有什么想说了可以在下方留言,教授会一一听取,并作改进。
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