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汽缸工作原理  

2008-02-15 02:23:52|  分类: 汽车技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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汽缸是产生汽车驱动力的“源头”,不论你的汽车能达到多高的速度,能爬多大的坡,能拉多重的货物,一切动力都来自汽缸内部,都是由于燃料在汽缸内部燃烧后推动活塞直线运动(转子
发动机除外),然后再通过连杆、曲轴、变速器、传动轴,最后将动力传递到车轮,从而推动汽车飞速前进。

在汽缸中,最受罪的就是其中的活塞,它头顶上不断地有燃料燃烧“爆炸”,而脚底下又必须不停地蹬动曲轴。正是由于汽缸中活塞的辛勤劳作,你才会坐在车上到处乱跑。

汽缸原理源于大炮?

汽缸源于大炮?这并不是耸人听闻。你车上的汽缸战士确实与大炮有关。

1680年,荷兰科学家霍因斯受到大炮原理的启发,心想如将炮弹的强大力量用来推动其它机械不是挺好吗?他一开始仍用火药作燃烧爆炸物,将炮弹改成“活塞”,把炮筒作“汽缸”,并开一个单向阀。他在汽缸内注入火药,当点燃火药后,火药猛烈地爆炸燃烧,推动活塞向上运动,并产生动力。同时,爆炸气巨大的压力还推开单向阀,排出废气。而后,汽缸内残余废气逐渐变冷,气压变低,汽缸外部的大气压又推动活塞向下运动,以准备进行下一次爆炸。当然,由于行程过长,效率太低,他最终没有取得成功。但是,正是霍因斯首先提出了“内燃机”的设想,后人在此基础上才发明了汽车用的发动机。

早期汽车使用单缸机

汽车鼻祖卡尔·奔驰和戴姆勒在当年设计制造汽车时,他们不约而同地只用了一个汽缸的发动机。就像我们现在认为一辆汽车不可能使用两台或更多台发动机一样,估计当时的人们也不会想象出还会用两个汽缸或更多汽缸的发动机。然而现在不同了,先别说发达国家,看看国内汽车广告就会发现,不少厂家总拿发动机的汽缸数目和排列形式来说事,卖微型车的极力吹鼓他的车用的是四缸机而非三缸,用v6发动机的一定要把v字弄得醒目惹眼,广告宣传确实起到了很大效果,现在不少车迷已认同了 “4缸比3缸好”、“6缸比4缸好”、“v型比直列好”、“v型发动机是高级发动机”等概念。现在国产车中已有近20种车装配了v6或v8型发动机。

你有多少个汽缸战士?

单缸发动机的曲轴每转两周才能产生一次燃烧做功,这样它的声音听起来也不连续顺畅,听一听小排量摩托车的声音就知道了。最为不能让人接受的是它的运转极不平稳,转速波动较大,而且单缸发动机的外形也不适合装在汽车上。为此,现在的汽车上已见不到单缸发动机上,两缸机也不好找了,最少是3缸发动机。国内生产的华利面包车、老款夏利车、吉利豪情和奥拓、福莱尔上,装的都是3缸机。

1升以下的微型车上多用3缸机,1升至2升的发动机一般采用4缸或5缸机。2升以上的发动机大多为6缸,4升以上的发动机使用8缸的占绝大多数。

在相同排量的情况下,增加汽缸数可以提高发动机的转速,从而可以提高发动机的输出功率。另外,增加汽缸数可以使发动机运转更平稳,使其输出扭矩和输出功率更加稳定。增加汽缸数可以使汽车更容易起动,加速响应性更好。为了提高汽车的性能,必须增加汽缸数。因此,豪华轿车、跑车、赛车等高性能汽车的汽缸数都在6缸以上,最多者已达到16缸。

但是,汽缸数的增加不能无限制。因为随着汽缸数的增加,发动机的零部件数也成比例地增加,从而使发动机结构复杂,降低发动机的可靠性,增加发动机重量,提高制造成本和使用费用,增加燃料消耗,并使发动机的体积变大。因此,汽车发动机的汽缸数都是根据发动机的用途和性能要求,在权衡各种利弊之后做出的合适选择。

肩并肩站成一排

——直列发动机

直列发动机(line engine),它的所有汽缸均肩并肩排成一个平面,它的缸体和曲轴结构简单,而且使用一个汽缸盖,制造成本较低,稳定性高,低速扭矩特性好,燃料消耗少,尺寸紧凑,应用比较广泛。其缺点是功率较低。“直列”可用l代表,后面加上汽缸数就是发动机代号,现代汽车上主要有l3、l4、l5、l6型发动机。

直列3缸(l3)

3缸机一般用在1升以下的微型车上。它结构简单,维修方便,制造成本也低,重量轻,比较省油。如果一台直列3台机能达到一台直列4缸机的动力性能,那当然是3缸机要好些。

直列4缸(l4)

直列4缸发动机俨然已成了现代汽车的一种标准选择。它的适用范围极广,小到微型车,大到2升多的车型,均有四汽缸机为汽车前进提供源源不断的动力。与6 缸机相比,4缸机的体积小,结构简单,重量轻,但它的动力性和平稳性与同排量6缸机的差别并不十分显著;现代轿车大多为前置发动机前轮驱动方式,需要发动机横放在车头,要求发动机的体积不能太大,直列4缸机的体积尺寸正好,因而直列4缸机获得了广泛应用。

直列5缸(l5)

直列4缸发动机外形尺寸小巧,直列6缸机则运转平稳,如把它们二者进行折衷,发动机的排量不大不小,如在2升出头,用直列5缸应是不错的选择,我国长春一汽曾生产过的奥迪100也是用直5发动机。由于直列5缸机存在很难解决的平衡问题,容易引起振动,因此直列5缸发动机现已不多见,笔者只知道现在沃尔沃 s60、s80还在用直5发动机。

直列6缸(l6)

直列6缸发动机现在主要用在前置发动机后驱方式的汽车上。从平衡角度来讲,直6比直4、直5,甚至v6的平衡性都要好。出于此原因,当你的机盖子下面的空间足够大时,就可以考虑采用直6发动机,这也是宝马、沃尔沃、凌志等中高级车仍固执地使用直6发动机的主要原因之一,现在宝马的每个系列几乎都有直6发动机。

摆出胜利队形

——v型发动机

将所有汽缸分成两组,把相邻汽缸以一定的夹角布置在一起,使两组汽缸形成两个有一个夹角的平面,从侧面看汽缸呈v字形,故称v型发动机。

v型发动机的高度和长度尺寸小,在汽车上布置起来较为方便。尤其是现代汽车比较重视空气动力学,要求汽车的迎风面越小越好,也就是要求发动机盖越低越好。另外,如果将发动机的长度缩短,便能为驾乘舱留出更大的空间,从而提高舒适性。将汽缸分成两排然后“打斜”,便能缩小发动机的高度和长度,从而迎合车身设计的要求。

由于汽缸之间已相互错开布置,因此在汽缸之间有较大的空间,这样便于通过扩大汽缸直径来提高排量和功率。v型发动机的汽缸均成一角度对向布置,还可以抵消一部分振动。

v型发动机的缺点是必须使用两个汽缸盖,结构较为复杂。另外其宽度加大后,发动机两侧空间较小,不易再安排其它装置。

v型发动机的汽缸数一般为5、6、8、10、12、16。

v5发动机

笔者第一次听说大众的v5发动机时,认为可能是搞错了,两侧汽缸数量不一样一定不利于发动机平衡。但据说用平衡块将平衡问题解决后它的优势就显现出来了。它不仅为车主多提供了一种选择,而且还能显示与众不同的个性来。笔者现只知道大众汽车公司生产v5发动机,并广泛装在新甲壳虫、高尔夫和宝来轿车上。

据透露,大众汽车公司还有v7、v11等非对称式v型发动机,但笔者未见有关资料,不敢乱语。

v6发动机

v6发动机的长度与直4相当,因此可以横放在前轮驱动的轿车上,从而使它的应用范围比直6较广,现在中高级轿车上普遍采用v6发动机,就像普通轿车上使用直4一样常见。

v6发动机的汽缸夹角一般为60度或90度。60度的夹角对v6的平衡性较好。

使用v6发动机的轿车,机盖下一般都是“满当当”的,发动机周围空间紧张,要求设计师对发动机室空间要精打细算。

v8发动机

v8发动机应是高级车的“标配”了。虽然v8发动机的性能极其优秀,但它的制造成本太高,重量太大,油耗极高,厂家一般不敢轻易采用,只有在4升以上的车上才能见到v8的影子,国产车中现只有大切诺基拥有v8发动机,即将投产的金杯通用豪放也是由v8发动机提供动力。美国车比较喜欢v8,这与美国人的喜好及不知柴米油盐贵有关。

v8发动机不论是放在前驱还是后驱车上,由于重量大,都容易造成汽车重心前移,即头重脚轻。因此,许多汽车制造商喜欢将v8用在四轮驱动的车上。

采用90度的夹角,可使v8发动机获得较佳的平衡性。

v10发动机

理论上讲,v10发动机的平衡性不是特好,因此一般市售版汽车上很少采用v10发动机,要用也是在高性能的跑车上。现在美国的道奇蝰蛇一直使用v10发动机作为其动力源泉,后来又有保时捷的carrera gt跑车,大众辉腾5升v10柴油车,即将投产的兰博基尼gallardo也是采用v10发动机。

最常见到v10发动机的地方应是f1赛车场,那里每辆车上装配的都是v10发动机。f1比赛规则规定,所有赛车的发动机排量不能超过3升,当然车队都想达到最高排量以获得最大功率。如采用v8,汽缸数较少,不利于提高发动机转速,每个汽缸直径也太大,很难达到所要求的功率;如采用v12,功率是提高了,但发动机重量太大,整车性能又受到影响。综合考虑,还是用v10最合适,凡正赛车追求的又不是平衡性,有点振动无所谓,只要发动机功率强大即可。

v12发动机

在我看来,v12发动机的象征性意义要大于实用意义。使用12缸发动机的汽车,主要集中在欧洲,并以德国、英国的顶级豪华车和意大利顶级跑车为主。 v12发动机工艺复杂,造价昂贵,重量奇大,油耗高得你都找不到厂家提供的官方数据。也是,买这种车人怎会在乎其油耗高低!

现在装配v12发动机的豪华轿车有:奔驰旗舰s600、宝马旗舰760li、迈巴赫、劳斯莱斯新幻影;使用v12发动机的跑车有法拉利的456gt和 enzo、兰博基尼的“魔鬼”和murcielago、阿斯顿马丁的v12 vanquish、布加迪的eb16-4、埃多尼斯的bex38等。

虽然v8在美国车上不少,但讲究派头、喜欢大气、不知油贵的美国人对v12却不感兴趣。这并不是因为他们的性格发生改变,而是他们要玩就玩最大最好的,这才导致卡迪拉克v16发动机今年在美国底特律亮相。

v16发动机

2003年元月,美国通用汽车公司在北美车展推出一款概念车——凯迪拉克“16”,这款不可思义的轿车以一台v16型发动机为动力,发动机排量高达13.6升,能产生1000马力的功率和1000磅·英尺的扭矩。

在行驶中的大部分时间里,这台v16发动机只有一半的汽缸工作,以减少燃料消耗。当需要增强功率时,如急加速或重载荷时,另一半汽缸会自动、自然地工作,以满足汽车对驱动力的需求。

凯迪拉克在上世纪30年代制造出世界第一台v16发动机,但与现在的v16发动机决不可相提并论,那时的v16发动机的排量只有7.4升,最大功率才165马力。

兵分四路出击

——w型发动机

大众汽车公司在发动机技术上不一定是世界第一,但在发动机的汽缸排列方式上绝对是最能出花样的。除了前面提到的v5、v7、v11等非对称发动机外,还独创一种w型发动机。

许多人以为就像v型发动机的汽缸呈v形排列那样,w型发动机的汽缸排列形式也一定是呈w形,其实不然,它只是近似w形排列,严格说来还应属v型发动机,至少是v型发动机的一个变种。

将v型发动机的每侧汽缸再进行小角度的错开(如帕萨特w8的小角度为15度),就成了w型发动机。或者说w型发动机的汽缸排列形式是由两个小v形组成一个大v形。

w型与v型发动机相比可以将发动机做得更短一些,曲轴也可短些,这样就能节省发动机所占的空间,同时重量也可轻些,但它的宽度更大,使得发动机室更满。

w型发动机相对v型发动机最大的问题是发动机由一个整体被分割为两个部分,在运作时必然会引起很大的振动。针对这一问题,大众在w型发动机上设计了两个反相转动的平衡轴,让两个部分的振动在内部相互抵消。

德国大众汽车公司现有三种w型发动机w8、w12和w16。

w8发动机

现在只有帕萨特w8使用w8型发动机,排量为4升,最大功率为270马力/6000rpm。由于w8的长度较短,因此它可以纵置在并不太大的发动机室,为驾乘舱留出更大空间。

w12发动机

装用大众w12发动机的汽车有大众的旗舰车型辉腾、本特利新车gt和奥迪旗舰车型a8l60 三款量产车。另外大众的w12概念跑车也装用w12发动机。大众的w12发动机排量为6升,最大功率为420马力/6000rpm。

w16发动机

大众公司在200年北美车展上推出的布加迪eb16-4veyron.概念车,装配一种w16缸的发动机,排量为8升,冲程和缸径均为86mm,64气门,最大功率为1001马力/6000rpm。

其实在1928年,布加迪就曾制造出两款u16型发动机来,分别装配在布加迪t45(3.8升)和t47(3升)赛车上,最大功率分别只有270马力/5000rpm和240马力/5000rpm。那可能是最早的16缸发动机了。

w18发动机

1998年,世界名车布加迪(bugatti)被大众汽车公司收购,就在当年的巴黎国际车展上,大众推出一款装有18个汽缸发动机的布加迪eb118。此台w18发动机由大众开发,是世界上轿车上使用的汽缸数最多的发动机。它的排量为6.3升,最大功率555马力。18个汽缸分成三排(而不是像上述的w 型发动机那样“兵分四路”),每排6个汽缸,就像是在v12发动机的中央又加了一台直6发动机。当时大众公司将此种发动机称为w型发动机,显然它与现在大众的w型发动机的汽缸排列方式有区别,不过笔者认为它的排列方式与w字母更近似。

直接对抗博击

——水平对置发动机

如果将直列发动机看成是夹角为0度的v型发动机,那么当两排汽缸的夹角扩大为180度时,那就是水平对置发动机了。所有的汽缸呈水平对置排列,就像是拳击手在搏斗,活塞就是拳击手的拳头(当然拳头可以不止两个),你来我往,毫不示弱。水平对置发动机的英文名(boxer engine)意义就是“拳击手发动机”,可简称为b型发动机,如b6、b4,分别代表水平对置6缸和4缸发动机。

由于相邻两个汽缸水平对置,可以很简单地相互抵消振动,使发动机旋转更平稳。

水平对置发动机的重心低。由于它的气缸为“平放”,而不是像v型或直列发动机那样“斜放”或“立放”,因此降低了汽车的重心,同时又能让车头设计得又扁又低。这两些因素都能增强汽车的行驶稳定性。

由于水平对置发动机本身就左右对称,因此它可使变速器等放置在车身正中,让汽车左右重量对称,而不会像大多数汽车那样重心偏向一侧。

水平对置发动机的动力输出轴方向与传动轴方向一致,因此不需要改变动力传递方向或利用齿轮传动,而是可以直接与离合器、变速器对接,动力传递效率较高,使汽车的起跑和加速更迅猛。

水平对置发动机的缺点是维修不方便,而且各缸点火间隔独特,使其排气声响比较怪异,普通汽车极少装配水平对置发动机。现在世界上只有德国保时捷和日本富士两家车厂仍生产这种发动机。
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