2.6 从空转到提高发动机转速

在第2章中,我们从点火开始,了解了发动机是如何运转的。但是此时汽车仍未发动,还处于空转状态没有前进。在接下来的第3章中,我会讲解发动机的转动传递到轮胎,以及汽车开动时的状态。驾驶员在汽车发动时踩下加速踏板,发动机就开始提高转速了。

在第2章的最后,我想讲解一下通过空转转动起来的发动机在驾驶员踩下加速踏板后是如何提高转速的。

踩下加速踏板后,负责调节发动机气缸中混合气体吸入量的阀门就开始运作了。这个调节阀就是油门。油门位于吸气管中,负责开闭通道(图2.20)。

吸气管内的油门

图2.20 吸气管内的油门
※踩下加速踏板后,如上图所示油门打开。松开踏板的时候油门也没完全关闭。

发动机依靠燃烧空气和汽油的混合气体实现运转。当增加混合气体的量并增强火力时,混合气体扩展燃烧的势力加强,就会强力下压活塞,加快活塞的运动速度,即发动机转速加快。

当驾驶员踩下加速踏板时,这一动作经铁丝传至油门将其打开。接着,流经吸气管的空气量增加,汽油量也会相应增加。这样一来,发动机气缸内就能产生很强的火力。

即使驾驶员松开加速踏板,油门也不会完全堵住吸气管,而是留一点缝隙。因为如果完全堵住,空气无法进入发动机,发动机就会停止运转。正是由于油门留出的缝隙,发动机才能继续空转。

近年来,也出现了用电控制油门的方法,即通过电将加速踏板的活动传递至油门。通过使用传感器监测踏板的位移,感知驾驶员踩下加速踏板的程度大小,将位移量转化为电子信号。随后将电子信号通过电线传递至控制油门的电机,由电机控制油门的开闭。

这种方法名为线控油门。这里所说的线,并不是刚才提到的铁丝,而是指电线,即由电线控制的油门,也就是电控油门。使用线控油门,能够很好地兼得油耗低和加速快两方面。

例如在闹市开车,到了十字路口或遇见信号灯时需要不断重复前进和停车的动作,为防止驾驶员踩下加速踏板时油门突然打开,就需要使用电机缓慢开启油门。这样一来,汽车就能顺利开动,避免燃料浪费,也会降低油耗。

在超车等需要加速的时候,驾驶员只需轻踩加速踏板,电机即可大幅开启油门,瞬间提高发动机转速。这在仅用铁丝将加速踏板的活动传递至油门这一方法中是实现不了的。

在线控油门中,各个传感器分别检测踩下加速踏板的程度大小、踩下踏板时右脚的行动速度以及此时汽车的时速,再由电脑进行综合分析,判断汽车是在闹市区行驶还是正在超车。

如今的汽车无论是行驶中的速度,还是加减速的频率,甚至是方向盘的转动程度,都可以通过传感器检测,使用电脑进行管理。正是根据需要在这些信息中做了选择,线控油门才得以正常工作。

近年来,为抑制全球变暖,相继出台了各种法规,消费者的环境意识也在不断加强。这就使汽车面临着降低油耗这一符合现下社会的硬性要求,需要大家为此不懈努力。

为了降低油耗,汽车生产商们甚至想要拆掉油门。平时开车时,一般无需将油门踩到底,即使在高速公路上也很少如此。只有在需要急加速等极少数情况下,才会考虑是否将油门踩到底。

也就是说,平时开车时,油门的开启程度多处于停车时的空转状态和急加速时的完全开启状态之间。因此在大多数情况下油门的存在都会阻碍空气的流动。这就催生出了一种新的调节空气量的方法,即拆掉阻碍空气流动的油门,通过调整进气阀的上下移动程度控制空气量。

空转时只需吸入少量空气,因此只要稍稍下压进气阀即可。在日常行驶中,也只需将进气阀下压到中间位置。只有在需要急加速时才会将进气阀下压至最低点。阀门的移动程度都由电脑控制。

说到这里你可能会产生疑问。之前我讲过推动进气阀上下运动的是凸轮,如果不像VTEC那样改变凸轮的形状,就无法改变进气阀的上下移动程度。

这时就需要加装一个装置将凸轮的旋转以偏离中心的状态传递至进气阀。所谓偏心,是指偏离凸轮的旋转中心。由于普通的凸轮轴无法实现偏心,因此就需要加装一个充当桥梁作用的装置,使得凸轮的旋转不同于一般的鸡蛋形凸轮。我们把这个装置称为可变阀门升程装置

2001年,德国的BMW公司开发出了这一装置,随后其他的汽车生产商纷纷开始使用。

你或许会想,这么好的方法为什么不早点采用呢?无论是之前介绍过的搭载低转速和高转速两种凸轮的VTEC,还是拆掉油门的方法,在设计者的头脑中都酝酿已久。但是,从精密的电脑控制和传感器技术,到将装置小型轻量化并嵌入发动机内部,再到保证这些装置的耐久性,都必须依靠成熟的技术。甚至可以说,如果成本太高,将无法应用于市售车。

发动机的讲解到此为止。在接下来的第3章中,我将介绍把发动机的旋转传递至轮胎的装置。

涡轮增压器

涡轮增压器是增压器的一种。在发动机的进气行程中,活塞下压会产生吸力。所谓增压,就是吸入超过这种吸力的空气。你可以把涡轮增压器看作一种用来增压的增压泵。

涡轮增压器充分利用了发动机排出的废气。废气借助活塞的上升从气缸中排出,涡轮增压器利用这种能量启动压缩机(增压泵),将更多的混合气体强制送入气缸(图2.A)。

涡轮增压器的结构

图2.A 涡轮增压器的结构
※利用废气启动压缩机,将更多的混合气体吸入汽缸。

虽然发动机的排气量相同,但通过增压增加了空气(混合气体)的吸入量后,排气量也会增加。

这是因为气缸中的混合气体越多火力越强,下压活塞的力就越大,发动机产生的扭矩也就越大。

除了增压器之外,还有一种叫做超级增压器的增压方式。它利用发动机的力驱动增压泵,通过传动带传递曲轴的旋转,从而启动压缩机。

涡轮增压器充分利用了本应舍弃的废气,超级增压器则利用了本该驱动汽车的一部分力,这是两者的不同之处。涡轮增压器有效利用了能量,可以说是废物利用。

但是由于涡轮增压器是利用发动机排出的废气来启动压缩机的,因此在产生增压效果前有时会有短暂的时间差。

在这方面,超级增压器更占优势。只要发动机在运转,压缩机就可以一直工作。这就意味着在产生增压效果前没有时间差,能在驾驶员踩下加速踏板时迅速做出回应。

虽然两者在提高发动机性能上不相上下,但在节能方面,充分利用废气的涡轮增压器略胜一筹。

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