隨著對能源和環保的要求日趨嚴格, 發動機也要不斷升級進化, 才能滿足人們的需求. 如時下的 '缸內直噴' , '分層燃燒' , '可變排量' 等名詞相信大家並不陌生, 到底它們的工作原理是怎樣的? 下面我們一起來了解一下吧.
活塞, 曲軸是最 '累' 的?
發動一運轉, 活塞的 '頭上' 就要頂著高溫高壓, 不停地做高速上下運動, 工作環境非常嚴苛. 可以說活塞是發動機 '心臟' , 因此活塞的材質製作精度都有著很高的要求.
而被活塞踩在 '腳下' 的曲軸也不好受, 要不停地做高速旋轉運動. 曲軸每分鐘要旋轉數千次, 肩負著帶動機油泵, 發電機, 空調壓縮機, 凸輪軸等機構的艱巨任務, 是發動機動力的中轉軸, 因此它也比較 '壯' .
直線運動如何變旋轉運動?
我們都知道, 氣缸內活塞做的是上下的直線運動, 但要輸出驅動車輪前進的旋轉力, 是怎樣把直線運動轉化為旋轉運動的呢? 其實這個與曲軸的結構有很大關係. 曲軸的連杆軸與主軸是不在同一直線上的, 而是對立布置的.
這個運動原理其實跟我們踩單車非常相似, 我們兩個腳相當於相鄰的兩個活塞, 腳踏板相當於連杆軸, 而中間的大飛輪就是曲軸的主軸. 我們左腳向下用力蹬時 (活塞做功或吸氣向下做運動) , 右腳會被提上來 (另一活塞壓縮或排氣做向上運動) . 這樣周而復始, 就有直線運動轉化為旋轉運動了.
發動機飛輪為什麼這麼大?
都知道活塞的四個行程中, 只有一次是做功的, 進氣, 壓縮, 排氣三個行程都需要一定的力量支援才能順利進行, 而飛輪在這個過程中就幫了很大的忙.
飛輪之所以做得比較大, 主要是為了存儲發動機的運動能量, 這樣才能保證曲軸平穩的運轉. 其實這個原理跟我們小時候的陀螺玩具差不多, 我們用力旋轉後, 它能保持相當長時間的轉動.
發動機的排量, 壓縮比
活塞從上止點移動到下止點所通過的空間容積稱為氣缸排量; 發動機所有氣缸排量之和稱為發動機排量, 通常用升 (L) 來表示. 如我們平時看到的汽車排量, 1.6L, 2.0L, 2.4L等等. 其實氣缸的容積是個圓柱體, 不太可能正好是整升數的, 如1998mL, 2397mL等數字, 可以近似標示為2.0L, 2.4L.
壓縮比, 即發動機混合氣體被壓縮的程度, 氣缸總容積與壓縮後的氣缸容積 (即燃燒室容積) 之比來表示. 為什麼要對氣缸的混合氣體壓縮呢? 這樣可以讓混合氣體更容易, 更快速的完全燃燒, 從而提高發動機的性能和效率.
什麼是可變排量? 如何改變排量的?
通常為了獲得大的動力, 需要把發動機的排量增大, 如8缸, 12缸發動機動力就非常強勁. 但付出的代價就是油耗增加. 尤其是在怠速等工況不需要大動力輸出時, 燃油就白白浪費掉了, 而可變排量就可以很好地解決矛盾.
可變排量, 顧名思義就是發動機的排量並不是固定的 (也就是說參加工作的氣缸數量是發生變化的) , 而是可以根據工況需要而發生改變. 那發動機怎麼來實現排量的改變的? 簡單的說, 就是通過控制進氣門和油路來開啟或關閉某個氣缸的工作. 比如一台6缸可變排量發動機, 可以根據實際工況需要, 實現3缸, 4缸, 6缸三種工作模式, 以降低油耗, 提高燃油的經濟性.
如大眾TSIEA211發動機採用了可變排量 (氣缸關閉) 技術, 主要是通過電磁控制器和安裝在凸輪軸上的螺旋溝槽套筒來實現氣門的關閉與開啟.
什麼是缸內直噴? 有什麼優勢?
我們知道, 傳統的發動機是在進氣歧管中噴油再與空氣形成混合氣體, 最後才進入到氣缸內的. 在此過程中, 因為噴油嘴裡燃燒室還有一定距離, 微小的油粒會吸附在管道壁上, 而且汽油與空氣的混合受進氣氣流和氣門關閉影響較大.
而缸內直噴是直接將燃油噴射在缸內, 在氣缸內直接與空氣混合. ECU可以根據吸入的空氣量精確地控制燃油和噴射量和噴射時間, 高壓的燃油噴射系統可以是使油氣的霧化和混合效率更加優異, 使符合理論空燃比的混合氣體燃燒更加充分, 從而降低油耗, 提高發動機的動力性能.
所謂 '均質燃燒' 可以理解為普通的燃燒方式, 即燃料和空氣混合形成一定濃度的可燃混合氣, 整個燃燒室內混合氣的空燃比是相同的, 經火花塞點燃燃燒. 由於混合氣形成時間較長, 燃料和空氣可以得到充分的混合, 燃燒更均勻, 從而獲得較大的輸出功率.
而分層燃燒, 整個燃燒室內的混合氣的空燃比是不同的, 火花塞附近的混合氣濃度要比其他地方的要高, 這樣在火花塞周圍的混合氣他可以迅速燃燒, 從而帶動較遠處較稀的混合氣體的燃燒, 這種燃燒方式稱為 '分層燃燒' . 均質燃燒的目的是在高速行駛, 加速時獲得大功率; 分層燃燒是為了在低轉速, 低負荷時節省燃油.
如何是實現分層燃燒?
如TSI發動機是怎樣實現分層燃燒的? 首先, 發動機在進氣行程活塞移至下止點時, ECU控制噴油嘴進行一次小量的噴油, 使氣缸內形成稀薄混合氣.
在活塞壓縮行程末端時再進行第二次噴油, 這樣在火花塞附近形成混合氣相對濃度較高的區域, 然後利用這部分較濃的混合氣引燃汽缸內的稀薄混合氣, 從而實現氣缸內的稀薄燃燒, 這樣可以用更少的燃油達到同樣的燃燒效果, 進一步降低發動機的油耗.
