2.5 改良发动机

前面我们已经按照进气、压缩、膨胀和排气的顺序,大体了解了配备一组气缸和活塞的四冲程发动机的结构。到这里,讲解发动机工作原理的基础部分就结束了。

但是,汽车上的发动机实际上并不是只有一组气缸和活塞,而通常是几组并列。我们把在基础部分讲解的只有一组气缸和活塞的发动机称为单缸发动机。这里的“缸”就是指气缸。

汽车发动机多拥有两个以上气缸,现在即使是小型汽车的发动机也有三四个气缸。我们把有两个以上气缸的发动机称为多缸发动机。

摩托车是单缸发动机的实例,那么汽车为什么不使用单缸发动机呢?首先,汽车比摩托车重,需要更大的力。增加气缸数量就能增大排气量,也就能产生更大的力。除了增大排气量,通过增压也可以产生更大的力。所谓增压,是指压缩空气,将更多的空气送入发动机的方法。涡轮增压器就是其中一种,接下来我还会详细解释。

其次,增加气缸的数量还能使汽车行驶得更顺畅。气缸数量增加,加速就会更快,振动也会减小,感觉会更舒适。

你可以试一下单脚骑自行车。单脚踩踏时,自行车走是走,但总是有些不灵活。如果用双脚交替踩踏,就顺畅多了,而且很容易加速。

同样,汽车有多个气缸也能顺畅行驶。之前讲过,在汽车的四冲程发动机中,曲轴每旋转两次仅燃烧一次,因此曲轴每旋转两次才会产生一次下压活塞的力。单缸发动机虽然也能驱动汽车,但会像单脚骑自行车一样无法顺畅行驶。如果把气缸数量增加到两个以上,就能错开燃烧的时间,在气缸内的两次燃烧之间再加一次,就能使曲轴不间断地旋转。在多缸发动机中,如果旋转过程多次从活塞受力,曲轴就能旋转得更加顺畅。

之前我也提到过,事实上现在的汽车发动机都不再是单气缸,而是3缸、4缸、5缸、6缸、8缸,甚至是12缸。

在多缸发动机中,6个气缸以下时多将气缸排成直列(1列),6个气缸以上时通常将气缸左右倾斜排列成V字型,而6缸发动机两种排列方式都适用。气缸的排列方式会影响汽车的形态。

直列发动机将气缸排列成一条直线,适用于6气缸以下。6缸发动机也可以排列成V字型,两侧分别并排3个气缸即可,我们称之为V6发动机。在V6发动机中,左右气缸中的活塞都连接在同一根曲轴上(图2.16)。

V型发动机

图2.16 V型发动机
※中间的曲轴斜着连接气缸

左右多个活塞共同驱动一根曲轴旋转。左右各个气缸之间前后错开,因此V6发动机的前后长度很短,大体与直列4缸发动机的长度相同。这样看来,将多缸发动机排列成V字型可以缩短发动机的全长,但宽度要大于直列发动机。

虽然搭载了多气缸、大马力的发动机,但V字型的排列方式缩短了发动机的长度,给驾驶室留出了更大的空间。一旦遇到正面撞击,受到冲撞的发动机被迫后退,就能给驾驶室留出空间,阻挡进一步的冲撞。发动机是汽车的动力源,也被誉为汽车的心脏。同时,设计发动机时还要确保驾驶室的空间,考虑到安全因素和汽车整体形态。

那么,为什么也可以选择直列6缸呢?这是因为将6个气缸排列成一条直线能够更有序地依次传递各个气缸中活塞的力,以带动曲轴旋转。在6缸发动机中,曲轴每旋转120度就会带动混合气体进行燃烧,从而产生力。

同样,4缸时是每180度、8缸时是每90度就会产生力。也就是说,当每个气缸的曲轴每偏离90度时,就会产生力。这样一来,曲轴就很容易产生上下左右方向的振动。

由于在6缸发动机中曲轴每旋转120度,即曲轴之间偏离60度时才会产生力,因此曲轴的振动就能得到缓和。

也就是说,直列6缸发动机的振动极小,因而能够更顺畅地工作。由于其运转顺畅如丝绸,因此也被誉为丝绸6

V12发动机两侧分别排列6个气缸,只要将V字角度设置为60的倍数,即60度、120度或者180度,就能产生等同于在直列6缸发动机中混合气体燃烧时产生的力,因此也被看作是振动小、平衡好的发动机的代表。

高级汽车通常选择V12发动机,不仅排量大、马力大,而且顺畅平稳。

为了使发动机更加顺畅地运转,第2项改良措施是在发动机后端加上飞轮。无论是单缸发动机还是多缸发动机,都只加一个飞轮。

飞轮又叫惯性轮,是由金属制成的较重的圆盘。你或许会问:加上这么重的圆盘,发动机不是反而更难运转了吗?

重物的确很难开始运动,但一旦开始就很难停止。你可以想象一下,想要推动一个很重的球,最初需要很大的力,但重球一旦开始运动后就很难停下。这样看来,重物都有一旦起动就难以停止的特征。

要使发动机后端较重的金属圆盘开始转动,需要很大的力。但一旦开始转动就无法轻易停止,也就是有了惯性。因此我们把圆盘称为惯性轮,英语里叫它飞轮(flywheel)。

飞轮的旋转能够带动发动机不间断地顺畅运转。

之前介绍过,摩托车多使用单缸发动机。虽然曲轴每旋转两次,发动机才燃烧一次,但这仍能推动飞轮旋转,使摩托车顺利前进。

飞轮的作用不只这个。飞轮的外缘布满了锯齿,当这些锯齿与起动机前端的齿轮相啮合时,才能启动发动机。在前面讲到过“启动发动机前先使曲轴转动”时我略过没讲的,就是转动起动机让曲轴旋转时要经由飞轮(图2.17)。并且,飞轮后连着离合器。从离合器开始是第3章动力传动系要讲解的内容。

连着曲轴的飞轮和起动机
图2.17 连着曲轴的飞轮和起动机

乍一看飞轮又重又麻烦,但它实际上身兼数职,虽默默无闻但非常重要。

为了使发动机运转得更加顺畅所做的第3项改良,就是嵌在曲轴上的平衡重。

我们通过之前基础部分的介绍已经知道,在曲轴的凸出部分附有连接活塞和曲轴的连杆。连杆的对面是一个秤锤(图2.18),它就是平衡重。

连着曲轴的平衡重
图2.18 连着曲轴的平衡重

平衡重的作用是保证与曲轴上的活塞和连杆之间的平衡。通过保持曲轴的上下平衡,平衡重会上下振动以防止曲轴旋转。

使发动机运转更顺畅的第4项改良是机油。日语中所说的机油,相当于润滑油

之前我讲到“活塞在气缸中往复”时,认为那是理所当然的事,但仔细考虑一下就会发现,如果气缸和活塞之间的缝隙极其狭窄,就很有可能发生接触,这样一来活塞就无法顺畅地进行往复运动。相反,如果间隙过大,在压缩行程中混合气体会从气缸和活塞之间漏出。即使燃烧了混合气体,压力也会从缝隙间逃脱,无法强力下压活塞。

这时,机油就发挥了重要作用。在气缸和活塞的狭小缝隙间加入机油,就能使活塞往复顺畅。同时,机油填满缝隙既能防止被压缩的混合气体泄漏,也能留住燃烧产生的压力。

由于机油只是跟随活塞的上下运动薄薄地涂抹在气缸内壁,因此会随着混合气体一起燃烧。在几千摄氏度的高温以及汽油不完全燃烧后残留的煤的影响下,机油会老化或受到污染。因此需要定期更换。

机油虽然很粘稠但毕竟是液体,长期放置会向下滴落,堆积在发动机底部。因此,油泵会吸取残留在发动机底部残油贮存盘(油盘)里的油,向上送往各个部分。环绕在活塞边缘的活塞环会将机油涂抹在气缸和活塞之间(图2.19)。

通过活塞环将机油涂满气缸内壁

图2.19 通过活塞环将机油涂满气缸内壁
※活塞环涂抹从上部滴落的机油

近年来,多在气缸的内壁添加细小的凹凸,使机油附着其中。原本就是为了使气缸上下往复时不产生摩擦才制成平坦的气缸内壁,即使有了凹凸,也只是细小到可以保证油薄薄地涂在壁面的程度。

由于气缸和活塞之间总是有机油,因此即使在行驶前不进行一段时间提高发动机温度的暖机运动,汽车也能正常行驶。暖机运动最初的目的是通过使机油变热变滑,涂满发动机以防止某一部分缺油。如果不进行暖机运动,就可以减少二氧化碳(CO2)的排放。仅机油本身就拥有润滑减磨、密封防漏和抑制二氧化碳排放等功能。



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