提到發動機,你能想到什么?是排量?是氣缸數?還是什么?
其實無論是1.0L排量還是6.0L排量、無論是渦輪增壓還是機械增壓、無論是直列4缸還是V型12缸,它們都有一個共同的特點,即都是四沖程發動機,甚至現在一些125摩托上也開始放棄傳統的二沖程發動機而換裝四沖程發動機了。
所以問題就來了,為什么發動機都是四沖程的?
所謂沖程,指的是活塞從一個極限位置另一個極限位置的距離,按照現在的發動機做功順序來看,從進氣到排氣,活塞往返運動了2次,也就是4個沖程,這便是四沖程發動機的由來。上文也說到了,既然摩托車能夠用二沖程發動機,為什么汽車不行?
原因其實很簡單,二沖程發動機的壓縮比往往比較低,且由于構造問題無法輸出高轉速,與汽車對動力的需求并不匹配;另外,二沖程發動機基本都是單缸的,對于汽車而言,即便按照1.0L的排量計算,試想一下1.0L的單缸發動機得是什么樣子?因此二沖程發動機只能用在摩托車、低速車上。
對于四沖程發動機來說,其可以承受更高的壓縮比,動力輸出曲線也更符合汽車的工況要求,但它也并非沒有缺點,除了需要對進排氣門進行精準控制外,還要提升熱效率,目前熱效率能超過35%的發動機就可以被廠家吹噓一波了。
事實上,發動機做功靠的是活塞驅動曲軸,而活塞驅動曲軸靠的又是氣缸內的可燃氣體燃燒產生熱膨脹,因此熱效率越高的發動機往往動力表現會更好且油耗也會相對較低。
但大家都知道,四沖程發動機四個行程中只有一個行程是做功的,另外三個行程都是消耗能量的,并且發動機也是需要散熱的,燃油燃燒所產生的大量熱能實際上是被浪費了,那么有沒有什么好的解決方式呢?
答案便是六沖程發動機。
在2007年六沖程發動機便被美國工程師Bruce Crower研發了出來,只是目前并沒有進行應用,我們先來看這個六沖程的發動機是如何工作的。原理圖如上所示,前面4個沖程并沒有變化,有趣的是后面2個沖程。
四沖程發動機的最后一個沖程是活塞向上運動將氣缸內的廢氣排出,而此時發動機內部的溫度依然可以輕松達到100℃,這恰好是水沸騰的溫度,于是第五沖程便是向氣缸內噴水,是的你沒看錯,水遇到高溫后會迅速膨脹成水蒸氣,是不是看著眼熟?貌似是回到了蒸汽機的時代,膨脹的水蒸氣將活塞再壓下去做功;第六個沖程則是將多余的水蒸氣排出去,但并不是排到排氣管中,而是排到一個冷凝器里,重新變為水。
根據Bruce Crower(如上圖)的計算,這臺六沖程發動機能比傳統的四沖程發動機提升40%的效率,如果是柴油機的話,還可以再提高5%。值得一提的是,這項發明獲得了美國《Popular Science》(中文版稱《科技新時代》)雜志年度十大發明獎。
不過這種六沖程發動機也并非沒有短板,客觀的說短板還非常明顯,除了要為發動機準備一個水壺之外,對水的要求更高,如果水中雜質較多,那么氣缸內如何進行防腐處理?如何保證活塞環的密封性不受影響?畢竟活塞環上還有機油,且燃燒的廢氣中存在二氧化硫,與水蒸氣接觸會產生硫酸,這也是一個比較棘手的問題。
因此六沖程發動機難以普及,或者說目前技術層面只能允許它在實驗臺上嗨一把……由此可見,傳統的內燃機經過數十年的技術發展,如今再想進行技術革新幾乎已經很難了,向上突破的空間極其有限,而這或許也是汽車動力由內燃機轉向電動機的原因這一吧。
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