2.2 将空气与汽油混合后的混合气体吸入发动机

发动机启动时,空气和汽油的混合气体被吸入气缸。接下来我将讲解这种混合气体是如何生成的。

汽油是液体,这自不必说。那么,如何将液体的汽油与空气混合呢?物体的燃烧有三个必要条件:可燃物、助燃物(氧气)、点火源。缺少其中任何一个条件,燃烧都无法进行。

在发动机中,汽油是可燃物,助燃物——氧气存在于空气中,点火源来自于火花塞释放出的电火花。之后我还会详细讲述如何利用火花塞引燃混合气体,在这里我先讲一下混合气体的生成方法。

汽化程度越高,液体汽油越容易与空气混合,因此就出现了燃料喷射装置

燃料喷射装置先给汽油加压,从喷嘴的喷出口处喷出汽油蒸汽。这是为了将液体制成细小颗粒以提高其汽化程度。

这就类似于人们缩拢双唇用力喷出含在嘴里的水。水喷出时会变成水雾,通过开闭喷出口,能够调整喷射汽油的时机。实际上,与其说是喷出口,倒不如说是阀门的开闭决定了喷射时机。为了提前给汽油加压,需要用到泵。并且,为了尽快改变汽油的浓度,有必要暂时储存加压后的汽油。

顺便说一下,雾化燃料进行喷射的方法,早先是运用在柴油发动机而不是汽油发动机上。柴油发动机所用的燃料是轻油,不如汽油干燥。因此需要施加更大的压力并强力喷出,才能将其雾化。而且,柴油发动机和汽油发动机燃烧混合气体的方法不同。柴油发动机最初只将空气吸入气缸,压缩空气后才供给燃料进行燃烧。因此,比起柴油发动机,燃料喷射更适用于汽油发动机以及更高级的发动机。

燃料喷射有间接喷射直接喷射两种方法。其中,直接喷射一般简称为“直喷”,想必大家也听说过这种说法,但我们一般不把间接喷射简称为间喷。

在发动机中,与气缸相连的空气通道被称为吸气管(或进气管)。所谓间接喷射,是指在吸气管前雾化燃料,事先在此生成空气和汽油的混合气体,再将混合气体吸入气缸。这种方法通常被称为吸气管喷射,在之后的讲解中,我就使用这个名称。

直喷与此相反,是指在气缸中直接将汽油雾化,并在其中生成空气与汽油的混合气体。因为是直接向气缸中喷射汽油,所以称之为直喷。一般说来,直喷比较省油,所以我想先简单解释一下直喷和油耗的关系。

一般认为,直喷是针对柴油发动机的,但后来也应用于汽油发动机上。

在引燃用的火花塞(点火栓)附近直接喷射雾化后的汽油,更容易引燃空气和汽油的混合气体。由于越接近火花塞喷射越容易引燃,因此即使汽油和空气的混合比率低于其理想比率(即使汽油量小),也能引燃。所以我们说直喷可以降低油耗。

并且,直喷是在空气被压缩、温度升高时直接喷射汽油。此时汽油迅速蒸发,汽化热使空气冷却,从而增加了空气密度。这与夏天在路面上洒水,水分蒸发会吸收周围的热一样,都是汽化热在发挥作用。如果吸入更多的空气,即使相应地增加汽油量也很难产生余烬,这就大大增加了汽车的马力。

之所以说直喷和涡轮发动机契合度很好,就是因为涡轮增压器(详见p.102~103)能够送入更多的空气。

在此,我先介绍一下空气和汽油的理想混合比率——空燃比。我们将理想的空燃比称为理论空燃比,一般是指其质量比为14.7:1,即当汽油质量为1、空气质量为14.7时,汽油刚好燃尽。

以此为界,汽油越多,越容易产生余烬造成浪费。相反,汽油越少,越难引燃,吸入的空气量大但无法充分生成下压活塞的力,即处于发动机大但力量小的状态。

通常,发动机会按照14.7:1的比例生成混合气体。要检测发动机吸入的混合气体是否达到了这个比例,需要用到发动机的氧传感器和车载电脑。氧传感器用于检测残留的氧气量,通过测量废气的含氧量,确认发动机是否吸入了燃烧汽油所需的空气量。

当汽油以理想的混合比例完全燃烧时,其效率最高,且发动机排出的废气也很容易得到净化。请牢记,对于发动机来说,有一种“空气和汽油达到理想混合比”的状态。

接下来,我将为大家介绍直喷发动机喷射燃料的过程。在直喷中,气缸中的活塞下压时只吸入了空气,接着活塞开始上升,当气缸内的压力升高时,就会直接喷射燃料。为了向高压空气中喷射雾状汽油,必须使喷射的压力高于压缩后的气压。因为如果不这样,汽油就无法进入气缸。

因此在直喷中,需要配备比吸气管喷射还要强劲的燃料泵。我们在地面受到的1个大气压,而直喷发动机的燃料泵的压力为100个大气压,足足高出了100倍。

为了时常保持这样的高压状态,需要强劲的泵和暂时储存加压后的汽油的装置。并且,每一个气缸都需要一个喷射喷嘴。这必然会相应地增加零件费用,因此直喷多应用于高级车中。

除了价格高,直喷还有其他缺点。由于直喷需要将汽油和空气在气缸中迅速混合,因此要在活塞头部设置凹槽形成旋涡,以混合空气和汽油(图2.5)。但是,活塞头部的凹槽会扰乱混合气体的燃烧。而吸气管喷射无需在活塞头部设置凹槽,因此可以顺利进行混合气体的燃烧。

直喷发动机

图2.5 直喷发动机
※活塞的头部设有凹槽,容易形成旋涡

直喷和吸气管喷射,究竟哪一种方法能够更好地实现汽油的完全燃烧呢?技术发展日新月异,很难判断谁是最后的赢家。但如果吸气管喷射能够优于直喷实现汽油的高效燃烧,它就可能成为今后的主流。

接下来,我会以吸气管喷射为例,依照事先在吸气管中生成混合气体、再将混合气体吸入气缸中的顺序进行详细讲解。吸气管喷射是燃料喷射的基础,我会以此为前提进行介绍。至于今后的主流究竟是直喷还是吸气管喷射,我们就暂且不做讨论了。

气缸顶部的气缸盖(端盖)上有进气阀。进气阀开启时,空气和汽油的混合气体就会通过进气道进入气缸(图2.6)。进气阀和排气阀是气缸盖上分别控制进气孔和排气孔的阀门。

发动机的进气阀/道和排气阀/道

图2.6 发动机的进气阀/道和排气阀/道
※经由进/排气道和阀门,吸入混合气体,燃烧后排出废气

气缸盖由铁和铝压铸制成,进气道和排气道位于气缸盖的内侧,是通向气缸的进气和排气通道。这里所说的进气道,与发动机前面附有燃料喷射装置的吸气管不同,排气道也与通向发动机后面的汽车尾气净化器和消音器的排气管不同。通道与吸气管和排气管相连,但我们只把位于气缸内部的部分称为通道。

活塞下压时,进气阀随之开启。活塞下压牵引气体,混合气体借机进入气缸。

进气阀和排气阀分置气缸盖的左右。如图2.6所示,小而圆的进气阀和排气阀紧密排列在圆柱形气缸里侧的边缘。当右侧两个并排的进气阀开启时,混合气体就会进入气缸中,这就是进气行程。

进气阀和排气阀之所以分别有两个,是为了在气缸这个有限的圆柱中尽可能多地留出进气空间和排气空间。过去,有的发动机只有一个进气阀和一个排气阀,也有的为了增加进排气空间,设置了三个进气阀和两个排气阀。之所以进气阀多于排气阀,是为了增加进气量,燃烧更多的汽油,给汽车提供更大的动力。

在此,我给大家解释一下最常见的四阀组合,即进排气阀各有两个。虽然数量相等,但进排气阀的大小不同,进气阀要比排气阀大一些,这也是为了增加进气量。

进气行程完成后,在压缩行程和膨胀行程中,进气阀和排气阀都处于关闭状态。当膨胀行程结束后进入之后的排气行程时,图2.6中左侧的排气阀就会开启,从排气道中排出废气。

接下来,我来具体讲解一下混合气体进入气缸时的状态。进气道向气缸倾斜往下延伸,在进气道的前端有个气缸盖上的进气口,由进气阀控制其开闭。从气缸的正上方观察进气阀,会发现它偏向气缸盖的一侧。

进气道与气缸斜向相连,且偏向气缸盖的一侧,这就使得混合气体斜向进入气缸中。接着,混合气体在气缸内形成旋涡(图2.7),充分混合空气和汽油。

在气缸内形成旋涡

图2.7 在气缸内形成旋涡
※进气道有坡度且偏向一侧,使混合气体形成旋涡并充分混合

在喝果汁或者混合饮料时,我们会晃动杯子以充分混合杯中物,这时就会形成旋涡。同样,在气缸内形成旋涡,也是为了充分混合空气和汽油。搅拌后的饮料由于味道均匀,更加好喝。同样,将混合气体均匀、充分混合,也会使汽油迅速燃尽,不留余烬。

当活塞上升、火花塞引燃汽油时,这个旋涡还能加速火苗扩散,加快燃烧速度。如果恰好能在活塞上升到上止点、混合气体被充分压缩时瞬间引燃汽油并燃尽,下压活塞的力就会变大,也就意味着加快了燃烧速度。

请允许我再重复一遍。进气阀位于气缸盖上,进气道倾斜以便混合气体流入气缸,这都是为了使混合气体均匀、充分混合并能迅速燃烧而设计的。

刚才说到,混合气体进入了气缸。之后活塞降至下止点,然后随着曲轴的旋转开始上升。与此同时,进气阀关闭。进气阀的关闭也伴随着活塞的运动。

排气阀始终关闭着,进气阀则处于刚刚关闭状态。当两个阀门同时关闭时,活塞上升,于是其中的混合气体就被压缩了。这就是压缩冲程。

当活塞升至上止点时,与活塞降至下止点时相比,气缸内混合气体的体积仅为其1/10。这时我们称“压缩比为10.0”。压缩比越大,发动机做功就越多。即压缩比越大,发动机的效率就越高。

压缩后的混合气体开始燃烧,迅速膨胀后强力下压活塞。压缩比越大,压缩后的体积与膨胀后的体积比越大。因此,随着活塞下压时混合气体体积增大,发动机做的功也就多了。

请记住:充分压缩后再燃烧,能够释放出巨大能量。但是,要增大压缩比,则需要使用高辛烷值汽油

高辛烷值汽油

在加油站,高辛烷值汽油被标注为高级汽油。

空气压缩时温度会升高。在压缩冲程中,发动机的压缩比越大,混合气体的体积被压缩得就越小,混合气体的温度也会越高。此时,火花塞引燃混合气体,若其火焰未扩散至整个气缸,汽油便会自燃。之所以会出现这种现象,是因为火花塞逐渐靠近火焰时,温度不断升高,因此在遇到火焰之前汽油就会自燃。我们把这种异常燃烧称为爆震

一旦发生爆震,整个气缸内部都会燃烧起来。因此,很难通过迅速燃烧使发动机瞬间获得强大动力。并且,偏离联动活塞的最佳时间燃烧可能会损坏发动机。

因此,加入了添加剂以防止自燃的高辛烷值汽油出现了。

辛烷值是表示汽油抗爆性的指标。辛烷值越高,汽油越难自燃。辛烷值较高,即高辛烷值的汽油,简称为高辛烷值汽油。

包括高辛烷值汽油在内的高级汽油是一种多功能汽油。它混合了除去残存在发动机内的炭(汽油不完全燃烧的产物)之后的其他成分,在制造上要比普通汽油麻烦,附加值很高。

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