气缸

既然气缸数量越少越好,汽车为什么不使用单

发布时间:2024/1/20 19:17:40   
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前段时间我写了一篇关于三缸发动机的文章,里面说了三缸发动机的一些优势,并且说在满足使用功能的前提下,发动机气缸数量越少越好。结果有网友跟我抬杠,说既然发动机气缸数量越少越好,那汽车为什么不用单缸发动机?这个问题其实有点复杂,下面老侯就尽可能简单地给大家解释一下。

现在的家用车,绝大多数使用的是汽油发动机。大家知道,汽油机工作时是由火花塞点燃混合气的。火花塞位于燃烧室中间位置,跳火点燃可燃混合气形成一个火焰中心,然后火焰以一定的速度向四周匀速传播,最终点燃全部可燃混合气,在燃烧室内部实现稳定、可控的燃烧。可燃混合气的燃烧速度,与可燃混合气的浓度有关,浓度越高,燃烧速度越快。

如果燃烧室直径过大会怎么样呢?如果燃烧室直径过大,燃烧室边缘的可燃混合气,在火焰前锋没有到达之前,就由于高温高压自行发火燃烧了,形成了另一个火焰中心,这就是所谓的爆燃。爆燃是汽油机非正常燃烧的一种,对发动机是极为有害的。

所以,汽油机的气缸直径不会做得很大,一般都小于90mm,现在普遍使用的小排量涡轮增压发动机气缸直径一般在80mm左右。发动机历史上最大的汽油机气缸直径是mm,现存量产车汽油发动机气缸直径最大的是丰田2.7L自吸四缸发动机,气缸直径是95mm。

发动机的排量与气缸直径和活塞行程成正比。既然气缸直径不能做得过大,把活塞行程做大行不行呢?

这样也是不行的。活塞行程大小影响的是发动机转速,活塞行程越大,每一个冲程占用的时间越长,发动机转速就越低。如果过度延伸活塞行程,发动机最高转速上不去,发动机的最大功率就会受到限制。此外,汽油机是等容燃烧,可燃混合气燃烧产生的推力,随着活塞下行而逐渐减小,做功效率也越来越低,同时对发动机尾气排放也不利。所以活塞行程也不能无限放大,一般在80~mm之间。

发动机气缸直径与活塞行程的比值,称为“缸径行程比”,它是衡量发动机动力取向的一个参数。如果缸径行程比大于1,说明气缸直径大于活塞行程,发动机可以获得较高的转速,高速动力性更强,倾向于动力性,比如赛车发动机,但是这种发动机经济性较差,油耗较高;如果缸径行程比小于1,说明气缸直径小于活塞行程,发动机可以尽可能地利用活塞推力,更倾向于经济性,比如普通的家用车发动机;还有一种缸径行程比等于1的发动机,气缸直径等于活塞行程,理论上是兼顾动力性与经济性,实际上更倾向于动力性,比如丰田86的发动机,就是因为气缸直径与活塞行程都是86mm而得名。

所以,汽油发动机的气缸直径和活塞行程都受到了限制,每一个气缸的排量也就受到了限制。长期的实践经验总结和理论分析,普通家用车汽油机最佳的单缸排量是0.5L左右,这个排量以及缸径行程比,能够兼顾发动机的动力性和经济性,这就是现在普遍使用四缸2.0L汽油机最主要的原因。我说某些1.5L发动机应该使用三缸的原因也是基于此。在热效率和低速扭矩方面,三缸发动机比四缸发动机是有优势的。

如果我们把1.5L排量或者1.0L排量的发动机做成单缸会怎么样?这样的发动机气缸直径和活塞行程都比较大。前文说了,气缸直径过大,会导致发动机爆燃;活塞行程过大,会导致发动机转速较低。这样的发动机,当然是无法在汽车上使用的。在实际应用上,一般低于1.0L排量就会做成三缸甚至双缸,高于3.0L排量就会做成六缸。当然,我们也曾有过1.0L四缸发动机(比如早期的微型面包车),也有过2.0L六缸发动机(比如日产的V6发动机),最后的结局都是被淘汰了。

可能有人会问了,为什么柴油机气缸直径可以做得很大?卡车使用的大排量柴油机,气缸直径一般都超过了mm;大型矿山用车,气缸直径超过mm;而大型船舶使用的低速柴油机,气缸直径甚至可以超过1米,这是为什么呢?

这主要是因为,柴油机与汽油机的燃烧方式不同。柴油机是将柴油喷射到气缸高温高压的空气中,形成多个火焰中心同时燃烧。柴油燃烧速度较慢,燃烧过程中不断地有柴油喷射到燃烧室中,实现边喷边燃的等压燃烧。这就无所谓什么爆燃了,理论上来说柴油颗粒越细小,形成的火焰中心越多,燃烧越柔和,动力性和经济性越好,气缸直径当然就不用限制了。所以柴油机可以做成大缸径的单缸发动机,也可以做成超大缸径的多缸发动机,与汽油机是截然不同的。



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