四冲程发动机内一秒钟内发生了什么?
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在四冲程发动机的一秒钟里,活塞会在上下止点之间完成数十次完整的往复运动,气门以完美精准的配气正时开启和关闭,而每两圈曲轴转动中只有一次燃烧产生功——这是一场紧凑的机械协奏.进气、压缩、做功、排气:这四个冲程中的每一个都对应曲轴整整180度,发动机转速越高,一个冲程就被压缩进越微小的一秒之中.
亮点
- 一个完整循环 720°, 即曲轴旋转两圈;每个冲程 180° 占一角.
- 功仅在四个冲程之一中产生:每 2圈一次 做功冲程.
- 火花塞通常在上止点前约 20°曲轴转角 点火.
- 内燃机平均只能将所提供能量的 40%-45% 转化为机械功.
- 工业发动机的平均活塞速度被限制在约 10 m/s 以内.
四冲程发动机如何工作: 气缸内的四个步骤
一切始于"冲程"的定义: 冲程是活塞沿气缸朝任一方向的完整行程.活塞处于最高位置时称为上止点(TDC), 处于最低位置时称为下止点(BDC).四冲程循环在这两个点之间延伸, 包含四个冲程和曲轴整整两圈的旋转.活塞的直线运动通过连杆带动曲轴旋转; 在全部四个冲程中, 曲轴旋转720度.
气门在这一循环中的作用至关重要.进气门和排气门由一根以曲轴一半转速旋转的凸轮轴控制.这一半速比并非偶然, 而是必然: 由于气门动作必须与曲轴转角锁定, 凸轮轴以曲轴半圈的转速跟随每个循环.
1. 进气: 以部分真空吸入空气
当活塞开始从上止点向下运动时, 进气门开启.活塞的下行使气缸容积增大, 并在内部产生部分真空, 即负压.这一压差将空气-燃油混合气吸入气缸.进气冲程是活塞从TDC到BDC的完整下行过程, 占据循环的前180度.
2. 压缩: 浓缩能量
在下止点处进气门关闭, 压缩开始.此时两个气门均关闭; 活塞上行, 将空气-燃油混合气压缩到燃烧室的狭小容积中.压缩有两个作用: 使燃油蒸气进一步蒸发, 并在点火时释放更多能量.压缩所消耗的能量仅约为燃烧所产生能量的四分之一; 也就是说, 这笔投资是划算的.
测量压缩比是理解发动机特性最快的方法之一.汽油发动机的常见范围为 6:1至10:1 ; 压缩比越高, 效率越高, 但汽油自燃的风险——即爆震——也随之升高.因此汽油的辛烷值正是抗自燃能力的量度: 辛烷值越高, 允许的压缩比就越高.
3. 功率冲程:循环中唯一产生功的阶段
在压缩冲程结束时,在上止点前大约 20度曲轴转角处 火花塞点燃火花.为什么不在正顶端?因为火焰前锋需要时间在燃烧室内传播;火花提前点燃,而压力峰值恰好在活塞位于顶端时形成,从而产生推力.燃烧的混合气将活塞推向下止点,产生使曲轴旋转的机械功.在整个循环中,只有这个阶段产生功;无论气缸数量多少,每台四冲程发动机每720度获得一次功率冲程.多缸发动机平稳运转的秘诀,就在于将这些功率冲程在曲轴上叠加融合.
4. 排气:清空燃烧室
当活塞到达下止点时,排气门打开,在循环的最后180度中,活塞向上运动,将废气从排气口排出.到达上止点时,气缸已被清扫干净,进气门准备再次打开,循环重新开始.气缸的每一次充气,都意味着两转循环的重新建立.
转速越高,一个冲程持续多长时间?
这个问题的答案可以通过简单的算术得出.由于一个工作循环持续两转,发动机的转速直接决定了一个冲程的持续时间.例如 1,000 rpm时,发动机每秒约转16.7圈;一个完整循环约为 60毫秒,也就是说一个冲程持续15毫秒. 6,000 rpm时,每秒100转,包括功率冲程在内的每个冲程都缩短至约2.5毫秒.燃烧、气门运动和气体流动都必须在这些时间尺度内协调完成.
转速上限同样由物理规律决定.平均活塞速度是冲程和转速的函数;在工业发动机中,为了不破坏气缸壁的润滑,这一速度被限制在约 10 m/s 以内.高转速时会引发两个典型问题:如果气门弹簧跟不上,就会产生"气门浮动",活塞与气门的接触可能对发动机造成严重损坏.此外,活塞环颤振会导致气缸压力和功率的损失.简而言之,一个冲程所能压缩到的最小秒数分数的极限,是由材料强度和润滑所划定的.
汽油还是柴油:相同的循环,不同的点火方式
四冲程循环的步骤在两种发动机中都是相同的;区别在于启动功率冲程的点火方式.汽油发动机采用火花点火:火花塞点燃压缩后的混合气.柴油发动机则采用压缩点火;压缩产生的高温使柴油燃料在发动机内的压力下能够自燃,因此不需要火花塞.柴油的着火倾向用十六烷值来定义,其工作原理与汽油的辛烷值恰好相反.由于柴油的低挥发性,冷启动最常见的方法是使用预热塞.
| 特性 | 汽油发动机 | 柴油发动机 |
|---|---|---|
| 点火方式 | 火花点火(火花塞) | 压缩点火(压缩热量) |
| 循环 | 奥托循环 | 迪塞尔循环 |
| 燃油抗爆性指标 | 辛烷值 | 十六烷值 |
| 压缩比 | 典型为6:1 – 10:1 | 压缩温度高,有利于点燃式点火 |
| 转速特性 | 在较高转速下运转 | 在较低转速下运转;燃油燃烧更慢 |
柴油比汽油燃烧更慢,这解释了为什么柴油发动机在更低转速下运转;低转速还能减少发动机磨损.因此,两种发动机的特性差异并非源于循环本身,而是源于燃油的燃烧速度.
现代技术如何改进这720度?
基本循环自1876年以来没有改变;改变的是每个180度区间的利用效率.三项现代技术尤为突出.
可变气门正时(VVT)
固定的凸轮轴只在单一转速区间内优化气门事件.可变气门正时则根据发动机转速实时调整气门升程事件的时机,实现最佳功率分配和更顺畅的加速.空气-燃油混合气的更好管理提升了燃烧效率;在部分负荷工况下, 最高可达5% 的燃油经济性提升已被实测证实.
缸内直喷(GDI)
如今许多四冲程汽油发动机采用的缸内直喷技术中,喷油嘴延伸至燃烧室,汽油在压缩冲程期间、活塞处于上止点时以极高压力喷入气缸.也就是说,燃油不再在进气冲程时供给,而是以毫米级精度在循环最关键的区间内喷射.
涡轮增压:从排气冲程中窃取动力
涡轮增压器是位于排气口处的高速双部件涡轮总成:一侧由排气流量驱动,另一侧压缩进气空气.排气冲程携带的能量大多被白白浪费;涡轮正是利用这种压力工作,因此运行效率更高,并向气缸强制压入更多空气,使每个做功冲程都能产生更多动力.在一项可变涡轮增压研究中,相比自然吸气车型,输出功率 提升了165% .该设计已知局限是涡轮迟滞:动力不会瞬间到来,需要转速和压力提升;怠速及低中速时,发动机几乎以自然吸气方式运转.
效率的天花板与一段简史
一台内燃机平均只能将所供能量的 40%-45% 转化为机械功;最高效的奥托循环发动机大约在 30%的热效率下 运转,其余热量通过摩擦和附件损耗.此外,为了满足催化转换器等排放控制的需要,发动机可以被有意设计得效率稍低.阿特金森循环则以牺牲功率密度为代价换取效率,应用于现代混合动力系统;许多现代发动机通过非传统气门正时来产生短压缩、长做功冲程的效果,从而实现这种经济性.
历史同样具有启发性:奥托在1861年测试勒努瓦发动机时发现了压缩对效率的影响;1876年,奥托和兰根创造了第一台在燃烧前压缩燃油混合气的成功内燃机.1883年,戴姆勒和迈巴赫制造了第一台高速奥托发动机;1885年,戴姆勒凭借Reitwagen制造了世界上第一辆内燃机车辆;1886年,卡尔·本茨开发了他的四冲程发动机车辆,这被认为是最早的汽车.柴油发动机是1876年奥托循环的技术改进:鲁道夫·狄塞尔于1893年成功制造了他的发动机.如今,四冲程设计已成为道路车辆中最普遍的内燃机架构,应用范围涵盖从轿车到卡车、从柴油列车到轻型飞机以及摩托车.
结论:180度的四个冲程
四冲程发动机的全部物理原理可以归纳为曲轴720度旋转所划分的四个冲程:真空进气、封闭容积内的压缩、产生动力的燃烧做功以及排气.气门正时、喷射和涡轮增压等技术都服务于同一个目标:从这些冲程的每一毫秒中榨取更高的效率.一旦理解了这一基本原理,从压缩比到涡轮迟滞,发动机技术的其余部分就变得清晰易懂得多了.