汽車發(fā)動機是如何“動”起來的?
現(xiàn)在的汽車上使用的基本都是往復活塞式四沖程發(fā)動機,它屬于內燃機的一種,能將燃料的化學能轉化為機械能并對外輸出。這種發(fā)動機的歷史已經有一百多年了,雖然技術上不斷進步,性能和效率有了很大的提高,但其基本結構和工作原理并沒有變化。
汽車發(fā)動機可以分為汽油機和柴油機兩大類,它們的基本結構是一樣的,都是由兩大機構和五大系統(tǒng)組成,即曲柄連桿機構,配氣機構、燃料供給系、潤滑系、冷卻系、點火系和起動系。汽油機和柴油機最大的區(qū)別是柴油機沒有點火系,而且二者的燃油供給系也有很大的區(qū)別。從熱效率方面來說,柴油發(fā)動機更高一些,這也是相同排量的情況下柴油發(fā)動機更省油的原因。在我國,由于柴油屬于重要的戰(zhàn)略物質,所以在乘用車上的使用受到了限制,更多的用于卡車和農用機械上。
下面我們就來說一說,汽車發(fā)動機究竟如何“動”起來的。不論汽油發(fā)動機還是柴油發(fā)動機,它們的工作原理基本都是一致的,下面我們以四沖程汽油機為例來說說發(fā)動機的基本工作原理,與柴油機的區(qū)別也會在其中單獨的說明。
首先需要說明的是,發(fā)動機不會自己無緣無故的轉動,必須有一個外力來給它提供原始的動力,這個外力就是由發(fā)動機的起動系統(tǒng)來提供的。我們將鑰匙轉到啟動檔的時候,起動機通電運轉,轉動發(fā)動機的曲軸,帶動其它機構和系統(tǒng)進入工作狀態(tài),發(fā)動機才能自行運轉,工作循環(huán)才能自動進行下去。如果沒有啟動系統(tǒng),發(fā)動機是不可能工作的,有時候汽車的電瓶沒電了,汽車就無法啟動了,就是這個原因。當發(fā)動機正常工作后,起動系統(tǒng)的使命就完成了。
發(fā)動機正常工作時,它的工作循環(huán)包括四個活塞行程:進氣、壓縮、做功和排氣。下面分別來說說它們的運動過程。
1、進氣行程
在這個行程中,進氣門打開,排氣門關閉,活塞從上止點向下止點運動?諝夂推偷幕旌衔锉晃霘飧祝跉飧變冗M一步混合形成可燃混合氣。 當進氣行程終了時,氣缸內氣體壓力約為0.08~0.09 MPa,溫度達到320~400 K。 對于柴油機來說,它吸入的是純空氣,而不是柴油與空氣的混合氣,并且它的進氣系統(tǒng)中沒有節(jié)氣門,進氣阻力小,且殘余廢氣溫度較低,同汽油機相比,進氣終了時缸內氣體壓力略高而溫度略低。
2、壓縮行程
在這個行程中,進氣門和排氣門都關閉,活塞從下止點向上止點運動; 氣缸容積逐漸變小,氣缸內混合氣被壓縮,其壓力和溫度同時升高。當壓縮行程終了時,混合氣壓力可達0.8~1.5 MPa,溫度可達600~750 K。采用大壓縮比,可提高壓縮終了時氣缸內的壓力和溫度,從而加快燃燒速度,提高發(fā)動機熱效率,但太大容易引起“爆震”和“表面點火”,通常汽油機壓縮比為9~12,柴油機壓縮比為16~22。 由于柴油機的壓縮比更大,壓縮終了時缸內氣體壓力約為3~5 MPa,溫度約為750~1000 K,都比汽油機的高,并且壓縮終了溫度超過柴油的自燃溫度。
3、作功行程
在這個行程中,進排氣門仍然關閉。壓縮行程結束時,火花塞跳火點燃可燃混合氣,火焰迅速傳遍整個燃燒室,并放出大量熱能;燃燒氣體體積膨脹,壓力、溫度升高;氣體壓力推動活塞從上止點運動到下止點,并通過連桿推動曲軸旋轉作功。燃燒最高壓力可達3~6.5 MPa,最高溫度可達2200~2800 K。作功終了時,氣體壓力降低到0.35~0.5 MPa,氣體溫度降低到1200~1700 K。
汽油機與柴油機最大的區(qū)別就在于此。當壓縮行程結束時,噴油器將高壓柴油以霧狀噴入燃燒室,由于此時氣缸內溫度高于柴油自燃溫度,所以柴油自行著火燃燒,并形成多個火焰中心,燃燒的更加劇烈和暴力,燃燒氣體最高壓力6~9 MPa,最高溫度也可高達1800~2500 K,作功終了時,氣體壓力約為0.2~0.5 MPa,溫度約為1000~1200 K。所以,人們說柴油機更有勁的原因就在于此。
4、排氣行程
在這個行程中,進氣門關閉,排氣門開啟;活塞從下止點向上止點運動。膨脹過后的廢氣在其自身剩余壓力和在活塞的推動下,經排氣門排出氣缸。排氣行程結束后,殘留在燃燒室內的少量廢氣稱為殘余廢氣。殘余廢氣壓力約為0.105~0.12 MPa,溫度約為 900~1100 K。這個過程柴油機和汽油機差不多,只是柴油機的殘余廢氣溫度略低。
這個過程說起來很漫長,但發(fā)動機運轉起來的時候,每個行程的時間都是非常短的。如果發(fā)動機以800轉/分鐘的怠速運轉,每一個行程的時間大約只有0.035秒;如果發(fā)動機以1800轉/分鐘的常用轉速運轉,每一個行程的時間大約只有0.017秒。所以運轉的速度是極快的。
由于發(fā)動機做功所需要的空氣和燃料都要在這樣短的時間內進入發(fā)動機燃燒室并混合燃燒,因此對發(fā)動機的進排氣系統(tǒng)提出了極高的要求,只有讓更多的燃油和空氣進入發(fā)動機,發(fā)動機的動力才有可能提升。相對而言,讓更多的燃油進入發(fā)動機是比較容易的,而讓更多的空氣進入發(fā)動機卻是很困難的,所以現(xiàn)代發(fā)動機的每一次進步幾乎都是進排氣系統(tǒng)的改進,配氣機構成為了發(fā)動機上最復雜、最精密的機構,比如現(xiàn)在普遍采用的可變氣門正時與升程系統(tǒng),進氣增壓系統(tǒng)等等。
現(xiàn)在應該看明白了吧,發(fā)動機在工作時首先由起動系統(tǒng)帶動運轉,然后四個行程反復循環(huán)動作,發(fā)動機就進入自動運行狀態(tài),將燃料燃燒釋放的化學能轉化為機械能并源源不斷的對外輸出,通過汽車的傳動系統(tǒng)傳遞到車輪上驅動汽車飛速行駛。應該說汽車是人類最偉大的發(fā)明之一,它的出現(xiàn)極大的改變了人類社會的文明進程,近一百年來的社會發(fā)展遠遠超過了之前幾千年的發(fā)展總和。
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