汽车发动机原理及其悬挂讲解

我所认为的完美汽车从小到大，爱车研究车已是18年有余，从小时仅仅知道车的牌子到现在的技术解析、机械结构、汽车文化等，感觉汽车对我来说就是永远也学不完，永远都有不懂的地方。汽车对我来说就像一个大圆，而我不断拓展圆的半径，越是深入越是觉得自己孤陋寡闻，越有危机感，正所谓越是深入越需要更加广阔的知识面，这就是我的热情所在。既然研究车这么久了，那我就说说我所认为的完美的汽车。发动机功率，转速跟扭矩，是衡量一款发动机出力的三指标，扭矩的单位是N/M是发动机一次做工的力量，举个例子1N/m就相当于你用1牛的力作用在一根长度1米的扳子卸车轮，车轮螺丝上所受到的力的大小，即杠杆原理。转速是发动机每分钟转多少转，扭矩乘以转速就是功率，W=F*V，我身边很多人问我看一辆车发动机参数到底哪一个参数更有实际意义，很多人都觉得扭矩的意义更大，因为在城市起起停停，劲大才好开。但是我觉得衡量一款发动机的好坏不应该仅仅体现在低扭的大小，而是全转速范围扭矩输出，因此功率的意义更大，因为虽然它扭矩很大而且介入很早，但是功率不高，必定是中高转速的扭矩下降的会很多，一台扭矩相对较大，但是功率相对不大的车跟一台扭矩相对不大但功率相对较大的车进行400m加速赛，一开始肯定扭矩大的车暂时领先，但是后面功率大的车慢慢超越，并最终取胜。（写到这我不禁想到几款挚爱铭机，比如本田的红头K20A,日产GTRR32的RB26DETT）,这里不得不说说我的至爱本田的红头K20A，220马力196牛米发动机最高转速8600转，这就是款典型的低扭高转发动机，拼的不是单次做功量，而是做工的次数，在5000转时通过油液驱动柱销切换到大扬程凸轮轴，俗称爆TEC，同时匹配齿比绵密的变速箱5000转之后扭矩陡增，本人觉得什么涡轮增压在他面前也就拼个0到1，俩红绿灯之间拼一脚提速，而真正体现潜能0到2,400米加速，K20A完虐涡轮增压，妥妥的，也许有人会问K20A是怎么做到的自吸220P马力的，现在的2.0自吸4缸也大多带有跟vtec功能一样的可变正时跟可变升程，为啥到不了220P马力，一方面原因现在绝大多数车的发动机都是缸程大于缸径，这样的设定低扭充沛相当于做工的行程长，但是由于缸程增加就会造成发动机转速的降低，而偏运动或者说竞技车辆大多都是缸径大于缸程，以利于高转速的扭矩爆发，高转速高扭矩必定高功率，而另一方面原因，是这台K20A平衡性的完美，要知道8600转（一般发动机的断油转速在6500转左右）如果发动机没有最完美的平衡抖动造成的不仅仅是损耗功率，最严重的是发动机报废，所以说，要想有这么高的转速跟功率，首先发动机的制造工艺必须精良，做到绝对平衡，这又是一项成本投入，一般厂家不会这么不切实际）其实一款车扭矩大不一定在城市里就好开，还要看它整个扭矩的输出特性，譬如，一款车最大扭矩要到3500转才能发挥出来，在城市里开最常用的1500到2500这个转速区间的扭矩还不到最大扭矩的一半，这个最大扭矩根本没有意义（标致408的1.2T就是这样，3000转才发力），所以说既要看账面数字的绝对值也要结合工况图分析整个速域的输出特性。充气效率跟排量决定一款发动机动力大小，大家看工况图的时候会发现1000到3000转速区间内扭矩，功率都是随着转速上升而上升，而到了3500转左右扭矩随转速上升而下降，同时功率的增长率变小，而4000转之后扭矩急剧下降，功率也下降，这就是充气效率的生动展现，一开始随着转速的增高充气效率逐渐增高，而到了高转速，充气不足导致了扭矩下降，而充气效率的下降率比转速的上升率大的时候，功率就开始下降了。当前小排量涡轮增压发动机是主流，同等排量下，涡轮增压由于是泵送空气所以说它的充气效率大于1而自然吸气约为0.6到0.9（充气效率跟转速有关）左右，所以说理论上同等排量下涡轮增压比自然吸气动力性要好，为什么说是理论上呢，因为涡轮增压发动起是有turboleg，也就是涡轮迟滞。造成涡轮迟滞的原因：一是汽油的辛烷值决定汽油的抗爆性，也就决定了一款发动机最大的压缩比，如果达到了最大的压缩比，再高势必会造成爆震，损耗功率，涡轮增压发动机由于是泵送空气，在压缩冲程势必造成更严重的缸内温度上升，因此相同排量下比自然吸气的压缩比要低（在涡轮增压车型中压缩比不能反映真实的缸压）这也就造成了在涡轮没有介入工作的时候，自吸比涡轮动力要强；二是涡轮介入需要达到一定转速，并不是说只要发动机工作涡轮增压器就保持正增压状态，应该是，随着转速的上升，进气管路内压力由负压转为正压，再由正压转为满压，这需要时间。正如我上面所说到的不能只看峰值扭矩还要看全转速区间的扭矩分配，由于涡轮增压器装有旁通阀，旁通阀的作用是涡轮管变为正压后打开，不让增压器持续增压以保护发动机。在高转速旁通阀打开后扭矩就会稳中有降，也就是说在中高转速下，同等排量下涡轮增压车也不一定就比自然吸气车动力要强（大众EA1111.4T跟创驰蓝天2.0比较）。涡轮增压车相对于自然吸气车型的特性是，扭矩比自吸车大不少但是最大功率不如自吸车，功率大代表什么意义，功率大了之后转速中后程的扭力就大，也就是说45千转之后功率小的就没劲了，大的还有劲还能继续把转速往上拉，扭矩很大但是功率不高，综合转速的乘积，造成的结果就是中高转速扭矩下降的很快很多，后程的提速就不如自吸了。其实涡轮增压并不是我们想象的如此美好，动力又强还省油，说道省油，同等排量下，涡轮增压一定就比自然吸气省油吗？理论上涡轮增压的燃烧效率比自然吸气要高，但是省油与否，并不只是发动机的燃烧效率高就可以，还包括整个发动机的平衡，润滑，热管理系统的效率，更为与之有关的是变速箱的传动效率以及整个传动系统的内耗管理，只有综合考量才能真正省油，毕竟自然吸气发动机所应用的诸多技术进一步提高了效率。衡量发动机好坏的要素除了动力性，还有平顺性，发动机的线性的动力输出，正如上文所说，由于涡轮增压的特性就决定了动力输出的不平顺性，当然机械增压加涡轮增压的组合兼顾了动力性与平顺性，但成本原因双增压的车型寥寥无几，还是技术先进的自然吸气更靠谱一些，其实想让一台发动机动力更好无非就是这么几点：第一刷ECU或加外挂电脑（主要针对涡轮增压车型，自吸提升效果有限。）；第二挂涡轮或换更大的涡轮增加充气效率，第三，优化进排气，喷油，让点火提前角更提前。由于本人还是喜欢自然吸气发动机所以着重说下自吸的动力提升，在这里有一个叫谐波进气的名词，大家都知道，物理学中有一个叫“共振”的概念，就是一个物体体系的震动频率接近或等于这个物体体系的固有震动频率的时候就会共振，在生活中也许共振不是什么好事，但对于汽车的进气来说，空气在进气管路的共振代表着最高效率的进气，大家知道，发动机吸气的过程是间歇式的，同时气体又是有惯性的，所以气体就会在进气管路中摆动，当这一股空气就要摆进气缸的时候正好进气门开启，这股空气正好撞进气，可想而知此时进气效率最高。但是如何做到谐波进气呢？大家知道，发动机转速时时刻变化的，所以进气的摆动频率也是变化，怎么样才能让进气的频率变化配合发动机转速的变化而达到近乎共振的效果呢？那就是可变进气歧管，在低转速下，进气门开闭的时间差较长，所以进气的频率要低才能尽可能达到共振的效果，怎么样让频率变低，加长进气管路，同时缩短进气管路的直径，让空气走的长还比较拥挤，同理可得，若让进气频率加快，就得让进气管路短而粗。又因为气体是有粘性的，所以尽可能的让进气管路的内壁光滑，也能显著提高进气效率。另一方面让发动机进气效率提高的办法是可变气门正时跟可变气门升程，发动机的转速是连续变化的，有低转速，有高转速，低转速时充气效率比较高，而到了高转速，由于气体具有惯性跟粘性，在进排气相位不变的情况下就会出现进气不充分，也就是说，没等混合气全部抽入到气缸，进气门就关闭了，而对于排气门也是，没等废气完全推出，排气门就关闭了，因此说，在高转速，既要让进气进的充分还要保证排气排的干净，就要进气门提前开同时排气门晚关，也就是进气相位提前，排气相位延后，其实即使在发动机在低转速的情况下，进气门也不是在进气冲程活塞到达下止点时就关闭，而是到压缩冲程三分之一处时才关闭，排气门同理，越是偏高转速的发动机气门重叠角也就越大。在此启发可以换高角度高扬程的凸轮轴来增加高转速时的进气效率，但会损失低扭。其实自然吸气也可以有比涡轮增压更优的燃油经济性了，在此引入两个概念“膨胀比”跟“压缩比”，当膨胀比大于压缩比，发动机的热效率会变高。有两种发动机的膨胀比是大于压缩比的，一种是米勒循环发动机，一种是阿特金森循环循环发动机，而阿特金森循环发动机需要配置复杂了连杆结构所以多用于轮船。米勒循环现在马自达创驰蓝天，还是雷克萨斯HYBRID在用，原理相同，只不过马自达的创驰蓝天可以在奥托循环跟米勒循环之间切换，此项技术的要点就是电动机控制的进气可变正时调节阀，保证了调节的速度与准确性。工作原理是，在加速或者高速行驶等高负荷时采用奥拓循环，保证动力的响应，而在中低速巡航等低负荷通过正时调节阀，使得已经吸入气缸的混合气倒吐一部分，而在做工冲程，仍然达到下止点，充分利用了混合气燃烧的余压。关于米勒循环的缺点，其实米勒循环并不能满足车辆整个工况的动力需求，在起步阶段，由于混合气被反吐出一部分，必定造成混合气稀薄，做功冲程末端无力，我想不会有哪个厂家愿意自己的车起步比别人慢，而在高转速高速度下也会使本来就稀薄的混合气更加稀薄，后程的提速无力。而马自达的创驰蓝天米勒循环只是作为奥托循环的一个补充，也可理解为一种发动机的节能工况，而雷克萨斯则辅以电动机辅助，来弥补米勒循环的动力不足。一辆车怎么才能加速最快？有两个因素，第一，掌握合理转速起步，第二掌握好换挡时机。关于合理起步转速的确定的依据就是让车轮挣扎于打滑的边缘，也就是说即将打滑。而换挡时机就是红线处换挡，一般车辆红线转速的标定都是最大功率出现转速略靠后，过早或过晚都不行。过晚换挡就可能造成换完挡后依然处于功率的下行区间，此时扭矩的减少量大于转速的增加量，也就是说，发动机此时是处于乏力状态，速度的增加会很慢，所以说不如早换挡让车辆处于功率的上行区间，让其转速的增加了大于扭矩的减少量，此时扭矩较为充裕。而过早换挡的话，虽然换完档后能让其出在一个最大扭矩的输出区间内，但也不要忘了换完档后齿比变小，阻力变大，还不如说把上一个档位的有用价值的转速用尽。也就是说何时换挡要看发动机的功率曲线而不是扭矩曲线。红线换挡最快！变速箱什么是变速箱？变速箱的原理无非就是杠杆原理，什么是好的变速箱，有这么几个衡量标准：传动效率、换挡的速度、换挡的平顺性、对驾驶员意图的理解能力。首先说传动效率，一款车动力的大小不能只看发动机的账面数据，还要看变速箱的传动效率，举个例子，通用凯迪拉克ATSL上用的2.0T发动机272P400N/mBMW328iN20B20A245马力350N/m，但是实测0到1还有400m加速都是328i比ATSL快，这就说明328i上这台ZF8速变速箱比ATSL上的6速传动效率要高。我猜测了一下原因，第一个原因应该出在液力变矩器上，大家知道，液力变矩器的结构分为泵轮、导轮、蜗轮。动力由泵轮到导轮再到涡轮，工作原理就像一个插电的电风扇去吹一个不插电的电风扇，泵轮相当于插了电的电风扇，涡轮相当于不插电的电风扇，而导轮相当于在两个电风扇之间一根圆形的管道，让其产生的空气流动在管道内进行，空气就是充满在液力变矩器里的油液，变矩器顾名思义就是可以改变扭矩，具体就是油液的涡流大环流小，油液通过叶轮，经过叶轮的导向，然后再次冲击到泵轮的背面，此时相当于给泵轮加速，而当环流大于涡流的时候就变成冲击泵轮的正面，相当于给泵轮减速，而为了避免，通常此时导轮就会发生旋转，而不让油液冲击泵轮的正面，但是毕竟是通过流动介质进行传动，所以传动效率不能为100%，而为了让其传动效率达到100%就必须锁止泵轮跟涡轮，而通常只有在车辆在平稳的行驶状态并且液力变矩器增扭过程结束后才会锁止。这里就有一个何时锁，锁止率的大小，还有锁止范围的宽窄问题，当然每个变速箱的何时锁都是不一样的，因为泵轮轮，导轮，涡轮的