2.3 压缩并引燃混合气体

压缩完混合气体后,活塞在气缸中升至上止点,这时就要用电引燃压缩后的混合气体。

用电引燃混合气体的是火花塞(点火栓)(照片2.2)。从气缸盖的正上方看火花塞,会发现它正好夹在四个进排气阀的正中央。

火花塞

照片2.2 火花塞(照片由日本特殊陶业提供)

火花塞的外部是由陶瓷制成的白色筒状绝缘体,中间通有铁丝,前端附有电极(图2.8)。电极的前端有个不超过1毫米的狭窄间隙。

火花塞的剖面图
图2.8 火花塞的剖面图

当给火花塞接通1万伏的高压电时,就会从电极前端的狭窄间隙中飞溅出火花,成为点火源引燃混合气体。由于引燃之前混合气体已被充分压缩,所以一旦引燃,火焰就会迅速扩散。火焰传播(火焰扩散)的速度可以达到每小时50km~100km。

气缸中混合气体的温度会因汽油的燃烧迅速升至数千摄氏度。同时,气缸内的压力也会达到50个大气压。熊熊燃烧的混合气体不断膨胀,强力下压活塞,此时活塞承受的力甚至可以达到数吨。

在茶叶罐大小的气缸中瞬间点燃空气和汽油的混合气体,发动机即可产生几吨的力,带动曲轴旋转。

空转时,汽车发动机的转速为每分钟500~600次。如果给汽车安装上发动机转速表,启动发动机后就能知道发动机的转速。加速时,为了让发动机最大限度地做功,发动机的转速甚至可以达到每分钟6000~7000次。由于在四冲程发动机中,曲轴每旋转两次就能进行一次燃烧,因此其燃烧次数就是转速的一半,即数吨的力在每分钟可产生3000次以上。

能产生如此大的力真是令人相当震撼!

在上一节中我讲到“为火花塞接通1万伏的电”,说起来轻而易举,但实际上汽车中蓄电池的电压仅有12伏。你可以回想一下图2.4中蓄电池的构造。薄铅板浸泡在稀硫酸溶液中,外面包裹着树脂外壳。每枚铅板产生2伏电,那么蓄电池中的6枚铅板就会产生12伏的电。

汽车中空调、音响、导航、电动车窗、雨刮器和车灯等电器的运转都是通过这12伏电进行的。并且,交流发电机发出的电也是12伏。日本的家用电压是100伏,汽车的电器所需要的电压远低于家用电压。

然而,仅用12伏是无法让火花塞的电极蹦出火花的,因此需要用线圈暂时储存蓄电池放出的电,以便在引燃时瞬间释放出1万伏的高压电。线圈是在铁芯上一圈一圈绕上电线的绕组。当储存于铁芯中的电从火花塞前端小于1mm的狭窄的电极间隙中释放出来时,就会形成火花。

这一结构利用了电的一个性质,即迅速切断电流能瞬间提高电压。大家使用家用电器的时候大概也有类似的体会。如果在电器未关闭的情况下从插座上拔下插头,插头前端的金属部分就会瞬间跳出火花。这就是因为迅速切断电流时电压会瞬间升高,和发动机的火花塞是同样的原理。

下面我将讲解一个以前从没讲过的问题,即凸轮和始终与凸轮相连的凸轮轴(照片2.3)。

发动机内的凸轮和凸轮轴

照片2.3 发动机内的凸轮和凸轮轴
※照片由丰田汽车提供

之前我讲过,当空气和汽油的混合气体被吸入气缸时活塞下降,此时进气阀恰巧打开。当时你可能很纳闷活塞和阀门是如何联动的,因为当时这个问题出现在依次解释四冲程发动机的运转过程中,为了避免跑题,我就没有深入讲解下去。现在是时候仔细讲解一遍了。

在时机的契合中发挥重要作用的,正是凸轮。凸轮是控制进气阀和排气阀开闭的零件(图2.9),呈鸡蛋状,头尖底圆。当转动凸轮使其尖头的前端下压阀门轴时,阀门就会下降。当底部的圆形部分靠近阀门时,阀门就会上升。这一上下运动就带动了阀门的开闭。

凸轮和阀门的联动

图2.9 凸轮和阀门的联动
※凸轮的尖头下压时,联动阀门开启,进行进气和排气

凸轮数量与进排气阀的数量相同,凸轮一边转动一边下压阀门。当阀门下降到最低点时,需要借助线圈上弹簧的弹力恢复到原位。

首先是进气。在进气行程中,位于进气一侧的凸轮尖头部分下压,随后进气阀下降,进气道打开。此时排气凸轮底部的圆形部分与阀门轴的前端相接,从而使阀门堵住了通道。

在之后的压缩行程和膨胀行程中,进气凸轮和排气凸轮的尖头同时上升,此时进排气阀都处于关闭状态。最后到了排气行程,由于排气凸轮的尖头下压,因此便开启了排气道。

实现活塞运动与阀门开闭联动工作的装置是曲轴。我曾经讲过,活塞的上下运动带动曲轴旋转, 你可以回想一下。利用曲轴的旋转联动活塞和凸轮,就能在恰当的时机开闭阀门。

具体来说,是经由凸轮轴前端的滑轮将曲轴的旋转传递至凸轮轴(图2.10)。所谓凸轮轴,是指并排放置多个凸轮的轴,凸轮随轴旋转。链条和传动带(或齿轮)连接曲轴和凸轮轴,负责传递曲轴的旋转。

曲轴与凸轮轴的联动

图2.10 曲轴与凸轮轴的联动
※利用曲轴的旋转联动凸轮轴旋转,从而带动凸轮旋转。改变滑轮的直径,使得曲轴每旋转两次,凸轮轴就旋转一次

为了使阀门的开闭时机与四冲程发动机里活塞的运动时机吻合,需要将凸轮轴的转速设置为曲轴转速的一半。正如我之前讲过的,之所以转速是一半,就是因为在四冲程发动机中,活塞每往复两次,进气阀开启一次。排气阀也是如此,即活塞每往复两次,开启一次。

活塞每往复两次,曲轴旋转两次。在曲轴的两次旋转中,进排气阀只开启一次。因此,只需将凸轮轴的转速设置为曲轴的一半,即可实现进排气阀的开闭。请记住:曲轴每旋转两次,凸轮轴旋转一次。

那么,怎样才能将凸轮的转速设置为曲轴转速的一半呢?其实很简单。由于曲轴和凸轮轴是通过链条和传动带(或齿轮)实现联动的,因此只需将凸轮轴一侧的滑轮(借助链条和传动带实现联动时)和齿轮的直径设置为曲轴一侧直径的量倍即可。

但是必须要错开进气阀和排气阀的开启时机。当开启进气阀、向气缸中吸入混合气体并进行压缩时,如果打开排气阀,混合气体就会被释放出来。而当混合气体燃尽、进入随后的排气行程时,需要随着活塞上升从气缸中排出废气,这时就必须开启排气阀。

也就是说,如果以活塞的往复为基准,只需留出活塞在压缩和膨胀行程中往返一次的时间,即曲轴旋转一次的时间,即可错开进气阀和排气阀的开启时机。这也意味着,为了错开开启时机,需要确保进气阀上凸轮的尖头和排气阀上凸轮的尖头朝向不同。

凸轮轴还决定了火花塞跳火的时机(图2.11)。

凸轮轴和火花塞的布线

图2.11 凸轮轴和火花塞的布线
※利用凸轮轴的旋转决定火花塞引燃的时机

当活塞上升压缩混合气体时,火花塞会瞬间蹦出火花。与进排气阀的开闭相同,曲轴每旋转两次,火花塞就会跳火一次。因此,火花塞的跳火速度与凸轮轴的转速都是曲轴转速的一半。

为了借助凸轮轴的旋转实现火花塞跳火,需要用到配电盘(配电柜)。配电盘经由线圈与蓄电池相连,就像我在“从12伏到1万伏”中讲到的那样,为了使火花塞跳火从而引燃混合气体,首先要给线圈施加高电压。之后电流传递至配电盘,给火花塞通电。配电盘根据凸轮轴的旋转决定引燃时机。

之前为了讲解得更通俗易懂一些,我是以只有一组气缸和活塞的单气筒发动机为例进行介绍的。实际上,汽车一般都有3~4个气筒,大的发动机甚至有12个气筒,并且每个气筒的引燃时机各不相同。因此,为了使各个气筒的火花塞适时引燃混合气体,就需要利用凸轮轴的旋转给火花塞通电。

在配电盘里侧,依环形排列着与气筒数量相同的接点。这些接点利用凸轮轴的旋转给各个气筒的火花塞提供引燃所需的电。

与进排气阀的开闭一样,点火也有适当的时机,且与阀门的开闭时机有关,因此也能利用凸轮轴的旋转。

但是近年来,无需配电盘,使用电脑控制引燃时机的方法成为主流。它通过传感器检测凸轮轴的旋转,由电脑决定火花塞的引燃时机。

之前我曾经提到过控制进气阀和排气阀开闭的凸轮呈鸡蛋形。但这些“鸡蛋”中也存在着微妙的差异,有的尖一些,有的则近似圆形。

那么为什么要改变凸轮的形状呢?实际上,凸轮所呈现的鸡蛋形状不同,发动机的特性也就不同。例如当发动机使用鸡蛋形状尖一些的凸轮来控制进气阀的开闭时,即使转速很低也能轻而易举地产生驱动力。这是因为发动机尽量充分地吸入了混合气体。

由于发动机转速低时活塞的往复运动就会变慢,因此将混合气体吸入气缸中的吸力也会减弱,从而导致吸入混合气体的速度减慢。这时最有效的方法是尽量开启进气阀以吸入更多的混合气体,并在活塞降至下止点时瞬间关闭进气阀。

但是,虽说最好尽量长时间地开启阀门,但当活塞开始上升后进气阀仍然处于开启状态时,混合气体就会从进气口逆向流出。这时如果使用的凸轮是尖一些的鸡蛋形状,那么只要尖头转至最高点,就能立刻关闭进气阀。如果凸轮的前端稍圆一些,就只能慢慢关闭进气阀。

这样一来,即使发动机转速很低,活塞的运动速度很慢,只要能将混合气体牢牢封闭在气缸中,就能使发动机充分发挥其作用。

另一方面,稍圆一些的鸡蛋形状的凸轮更适合转速较高的发动机。发动机转速较高时,活塞的往复运动就会加快,将混合气体吸入气缸的吸力也会增强,从而加快了吸入混合气体的速度,这就导致流入气缸中的混合气体的气流无法轻易被中断。即使当活塞降至下止点后开始上升时,混合气体也会趁势蜂拥进气缸,无法中断。如果能将更多的混合气体封闭在气缸中,发动机就会相应地生成更大的驱动力。

因此,为了将更多的混合气体储存在气缸中,就要在保证混合气体不从进气口逆向流出的情况下,在活塞开始上升后仍然让进气阀暂时处于开启状态。这时就需要用到稍圆一些的鸡蛋形状的凸轮了。

这样看来,根据发动机转速的不同,使用不同形状的凸轮来控制阀门的开闭,效率是最好的。这当然只是理想状态。因为给一个进气阀配备两个凸轮实在很浪费。增加零件就意味着装置更加复杂,花费更高,价格更贵。因此一般情况下,无论转速高低,都只选择其中一种形状的凸轮。

通常会选择适合较低转速的尖一些的凸轮。这是因为平常一般不会让发动机转速过快,即使是在高速公路上行驶,除加速以外发动机的转速都不会很快。

在以后讲到发动机性能的时候,还会涉及低转速发动机和高转速发动机。到时你要是能想到两者的凸轮形状也不同就好啦。

有些高效率的发动机搭载了两个不同形状的凸轮,并根据发动机转速的不同分别使用。1989年,本田将一种日系车厂独创的技术应用于市售车,且至今仍在使用。本田将这一技术称为可变气门正时与升程装置,即VTEC(Variable valve Timing and lift Electronic Control system)。

虽然搭载了分别适用于低转速和高转速的两种凸轮,但通常是用低转速凸轮驱动发动机。VTEC通过传感器检测发动机的转速和驾驶员的加速情况。当传感器检测到发动机高速运转、驾驶员急加速时,VTEC就会切换至高转速凸轮,控制进排气阀。

要使这一系统正常运转,还需要用到摇臂(图2.12)。使用一种凸轮时,凸轮直接带动阀门轴转动以控制阀门开闭。VTEC与此不同,它借助摇臂转动阀门轴,开闭阀门。由于阀门轴很细,无法承受两个凸轮的同时压力,因此,借助摇臂下压阀门轴,通过改变凸轮的形态改变摇臂的移动量,从而控制阀门的开闭。

搭载两个凸轮的VTEC发动机的结构

图2.12 搭载两个凸轮的VTEC发动机的结构
※在高转速和低转速时区别使用凸轮。高转速时摇臂内部通过插销连成一个整体,将中间的高转速凸轮下压的力传递至阀门

如图2.12所示,每个进气阀配备两个低转速摇臂和一个位于中间的高转速摇臂。低转速时,三个摇臂独立工作。随着凸轮轴的旋转,两个低转速凸轮和一个高转速凸轮同时转动。但即使高转速凸轮的尖头朝下带动中间的摇臂下降,也不会下压阀门。这是因为各摇臂独立运转,高转速凸轮的转动不会传递至阀门。控制进气阀开闭的是低转速凸轮。

驾驶员加速时发动机转速提高,油压迫使摇臂内的插销横向运动串联起三个摇臂,接着三个摇臂开始同时运转。此时中间的高转速凸轮的尖头朝下,连成整体的摇臂同时下压并开启两个进气阀。由于高转速凸轮尖一些,因此进气阀的开启幅度较之前更大(图2.12的右)。

因此,在VTEC发动机中,是通过控制摇臂内部的插销来切换两种凸轮。但当发动机转速达到几千时,插销会不会很难串联起摇臂?据说此项技术的开发者也曾不太放心,但后来“试了试没什么问题”。作为一项创新技术,它也验证了“百思不如一试”的道理。

VTEC的开发体现了对发动机技术进步的追求。随后,其他的汽车生产商也开发了类似的装置以提高发动机的效率。

You may also like...

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注