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发动机是如何工作的(上)——活塞发动机
就像人的身体将食物转化为能量一样,汽车发动机将燃料转化为动能。一些混动车或者电动车,也使用电能作为动力来源。
发动机也被称作为“内燃机”,它是通过使燃料在机器内部燃烧,并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机,它让燃料和空气的混合体在微小的封闭空间中产生爆炸,释放大量能量作为膨胀气体,而这个能量就能推动你的汽车。
四冲程活塞发动机
(四冲程活塞发动机介绍动图均来自于animagraffs.com如有侵权请联系删除)
一般的民用车发动机使用四冲程燃烧循环。四个冲程是:进气、压缩、燃烧和排气。这个过程一遍又一遍地重复从而产生持续的能量。让我们仔细看看在燃烧循环的每个阶段发生了什么。
冲程
进气:在进气循环期间,进气门打开,活塞向下移动,将空气吸入气缸来开始循环,此时喷油嘴喷油,在这个过程中根据气缸设计,让空气和雾化汽油充分混合成为混合气。
压缩:当压缩循环开始时,活塞向上移动并将空气压缩到一个非常小的空间。小空间意味着爆炸时将产生更大的推力作用于活塞。
燃烧:接下来,火花塞产生火花,点燃引爆混合气。爆炸的力量迫使活塞向下移动,带动曲轴旋转。
排气:在循环的最后部分,活塞上行,排气门打开将废气排出气缸。废气进入催化器并被清洁过滤,然后通过消声器,最后通过排气管尾端离开车辆。
当第一次爆炸产生的能量几乎耗尽时,又发生另一次爆炸。这迫使活塞再次移动。循环一次又一次地继续,为汽车持续提供运行所需的动力。
这时候有个问题来了,这个进气门和排气门,是怎么知道它自己应该什么时候打开,什么时候关闭呢,这时候我们就来说说正时系统。
气门
一般的内燃机,由凸轮轴来直接控制气门的开闭,以直列引擎为例,所有气缸的进气门由一根凸轮轴控制,排气门由另一根控制,凸轮轴通过凸轮齿和正时皮带(或链条)和曲轴相连,这样就能保证进气门和排气门能在正确的时间开启和关闭。现今技术进步,通过凸轮轴的可变设计,让气门在气缸不同工况下有不同的开启程度,从而降低低转油耗,改善动力。而现在的柯尼塞格更是推出了电控气门的技术,它省去了凸轮轴以及正时链条等,让运动部件更少,理论上引擎的运转效率会因此更高,动力损失更小。但是电控系统的可靠性和昂贵的成本让它还不能普及,不过这也是技术进步的一个信号。
燃料
过去的化油器负责提供燃油,然后供给到进气管内,和空气混合后一起进入气缸,这让燃烧不充分,容易积碳,燃油用量控制不精准,油耗高。如今的发动机早就摆脱了化油器而全面进入了缸内直喷的时代,缸内直喷是使用高压油泵和特殊设计的喷口,直接将燃油雾化喷入气缸内,电脑控制的喷油让喷油量和喷油时间都更加精准,在不同的工况下喷油量和时间点都是可控可变的,这就大幅降低了过度喷油带来的高油耗问题,提升了引擎效率,减少了燃烧不充分带来积碳的概率。
进气
上面提到,引擎压缩的是混合气,混合气就有一个空燃比,汽油发动机的最佳空燃比理论是14.7单位质量的空气和1单位质量的汽油混合,也就是14.7的空燃比,这样才能保证在动力性能,燃油经济性,排放环保三个方面取得较好的平衡。自然进气系统一般包括空滤,进气支管组成。增压进气则多一套进气涡轮和进气压力控制系统。进气的顺畅与否直接决定了发动机的性能表现。