这个发动机缺陷影响有多大
作者：李霄伟 在前文中提到气缸漏气贯穿了整个做功冲程，是导致气缸内压力损失和燃油热效率低的原因之一。
以下为文章全文：(本站微信公共账号:cartech8)
汽车零部件采购、销售通信录 填写你的培训需求，我们帮你找 招募汽车专业培训老师
在前文中提到气缸漏气贯穿了整个做功冲程，是导致气缸内压力损失和燃油热效率低的原因之一。换个角度看，大量燃烧不完全的高温气体进入了发动机内部（曲轴腔）对发动机性能有什么影响？ 1、发动机工作温度 发动机工作温度是发动机性能的重要指标，影响发动机性能的主要因素是发动机温度过高（超过90°，或更高）。哪些原因会引起发动机温度升高？ （1）热传导 气缸内部的热量通过热传递（金属导热和循环水输送）将热量扩散到整个发动机机体，不过这种传到热量的能力是相对有限的，所能传导的热量比目前发动机工作温度要低许多。 如果仅仅依靠热传递的方式加热发动机机体，按照目前的冷却水量设计，几乎不需要使用风扇降温就可以把发动机温度控制在理想范围内。还有什么原因造成发动机温度升高？ （2）热泄漏 热泄漏是指气缸做功冲程时通过活塞环缺口向下泄漏的高温气体进入曲轴腔后引起的发动机温度升高。这部分热量随着活塞环缺口的增大而增加。目前的发动机上有一个“废气回收管”是负责把进入曲轴腔里的废气导入进气系统加以重新利用，同时也把高温气体从曲轴箱内导出。但是，当废气经过曲轴腔时，快速地把大量的热量散发到发动机内部，所以，在废气回收管接头处的温度已经下降了很多。这个原因造成的发动机温度升高的比重约有20%，或者更高。
由此可见，这个发动机设计缺陷引起的热泄漏是造成发动机温度过高的主要原因。过高的工作温度会对发动机产生什么影响？从压缩比谈起。 2、发动机工作温度与压缩比 压缩比是发动机的重要参数。如果回看一下近30年的发动机发展历程，就会注意到发动机的压缩比从早期的7.5左右提高到10.5左右，最高的已经达到了13。提高发动机压缩比需要很高的技术支持，也就是如何提高发动机的“爆震阈值”。 （1）引起爆震的主要因素 什么是爆震（爆燃）？百度上是这样解释的：“所谓的发动机爆燃是由于气体的压力和温度过高，可燃混合气在没有点燃的情况下自行燃烧，且火焰以高于正常燃烧数倍的速度向外传播，造成尖锐的敲缸声。” 这里提到了两个引发爆震的重要因素：压力和温度。 压力：这里指的压力是压缩冲程结束时的气缸内压力。 压缩末期的气缸内压力是由压缩比决定的。压缩比每提高0.1，压缩末期的气缸压力就会上升一些、越接近混合气的自燃温度、也就是越接近发生爆震的触发点。考虑到发动机可能出现的各种极端工况，压缩比的具体比值应该满足极端工况下不发生爆震为基本条件。 比如，某一型号的发动机压缩比=10.5，表明这款发动机把吸入气缸的空气压缩10.5倍后不会产生爆震。如果在其他条件不变的情况下把压缩比提高到10.7或者更高时，有可能出现发动机爆震。 温度：这里指的温度是压缩冲程结束时的混合气温度。 压缩末期的混合气温度升高受到多方面因素影响，气体压缩产生的温度和气缸环境温度是两个影响最大的因素。 气体被压缩时温度会升高，升高的幅度和气体被压缩的程度成正比。柴油发动机就是利用压缩气体的方式获得了柴油自燃所需要的温度，所以，柴油发动机的压缩比通常都比汽油发动机高出许多。 另一个重要因素是气缸环境温度，也就是前面提到的发动机工作温度。气体在不同的环境温度条件下被压缩后的最终温度差别非常大。例如：在发动机冷启动时，气缸的环境温度与气温相同，混合气被压缩后的温度也比较低，所以需要通过增加汽油浓度才可以启动发动机；热启动时，气缸的环境温度接近或等于发动机工作温度（高于气温），混合气被压缩后的温度就可以被正常点燃，不需要增加汽油浓度。 气缸环境温度对压缩末期混合气温度的影响并不是简单的相加关系。假设混合气在环境温度=0°，压缩比=10.5时压缩末期温度=1000°，当环境温度上升到40°时，压缩比=10.5，压缩末期温度不是40°+1000°=1040°，而是远远大于这个温度值。理解这个物理现象对于提高发动机压缩比至关重要。 长期以来，研发工程师对发动机工作温度和爆震阈值的相互关系没有给予足够的重视，仅满足于把热泄漏气体含有的未燃烧汽油重新回收利用，忽视了热泄漏中的热量在引发爆震过程中的关键作用。 （2）其他因素： 汽油辛烷值、空燃比等因素也是影响压缩比的因素。 汽油辛烷值： 加油时看到的93#、95#和97#号汽油是指汽油的“辛烷值”。网友“半渡”在搜狗问问中是这样解释辛烷值的：通常把异辛烷的辛烷值规定为100，正庚烷的辛烷值定位0；生产汽油时，按一定比例把不同辛烷值的碳水化合物混合起来，将每一种溶剂的辛烷值相乘，就是这种汽油的辛烷值。 气缸内火焰的正常传播速度在20m/s左右，如果发生爆震，燃烧速度可以达到1500-2000m/s。辛烷值越高的汽油，燃烧速度越接近正常数值；而辛烷值越低的汽油，燃烧速度越快，越容易引起爆燃。这就是很多高端发动机规定使用97#汽油的原因所在。 空燃比： 空燃比是指混合气中空气和汽油的重量比（质量比）。根据当量计算，1kg汽油完全燃烧需要的氧分子=14.8kg空气中含有的氧分子，所以把这个比例称为“理论空燃比”。 在相同条件下（压缩比、发动机温度、汽油辛烷值等），空燃比越低（小于14.8）混合气燃烧速度越快，越容易引发爆震；空燃比越高（大于14.8）混合气燃烧速度越慢、燃烧越稳定、不易引发爆震。所以，理论上应该尽量把空燃比定的高一点，目前的实际情况是规定把空燃比统一定为理论空燃比，深层原因我会在下一篇说课（这个发动机缺陷影响有多大-2）中继续分析。 3、压缩比与燃烧室效率 任何发动机技术都是为了提高扭矩生产效率服务的，换言之，一切研究都是围绕“用尽量少的油产生尽量多的驱动力”这个中心开展的。通过分析压缩比的实际含义和燃烧室工作效率可以更好的指导发动机技术研发。 （1）压缩比 压缩比可以分为结构压缩比和实际压缩比，前者是不变的，后者是随时变化的。 结构压缩比： 是指标注在发动机栏目里的参数。这是一个结构设计参数，代表活塞行程所覆盖的气缸容积和气功总容积的比例关系。计算方法是： 压缩比=气缸总容积（活塞覆盖容积+燃烧室容积）/燃烧室容积 由于每一次气缸充气都受到下列因素影响：发动机转速/充气时间、节气门开度/进气歧管负压、涡轮增压+节气门开度/进气歧管负压、气温和发动机温度/空气质量…，所以说，结构压缩比并无法代表气功在实际工作时的混合气被压缩情况。 实际压缩比： 实际压缩比=充气效率×结构压缩比 在发动机实际工作中，气缸充气效率在最大值和最小值之间连续变换着。当充气效率=最大值时，结构压缩比和实际压缩比基本相等。 多数工程人员认为提高压缩比是解决降低耗油量和提高输出扭矩的有效手段，遇到的最大瓶颈就是发动机爆震。前面提到的发动机工作温度和爆震的密切关系，还列举了部分传统研究中引起爆震的原因和解决方案，好像仍然没有触及到问题的核心。让我们再换一个角度进行分析。 （2）燃烧室效率 我在以前的说客里曾经用过“扭矩贡献率”这个词，现在改成“燃烧室效率”。我们看看是否可以从燃烧室工作效率的角度找到降低耗油量的同时提高输出扭矩的研究方向。 例子1： 先来比较两台排气量相同，压缩比为13的自然吸气发动机。 A发动机：排气量=1993ml，压缩比=13，最大扭矩=175（4000rpm） B发动机：排气量=1998ml，压缩比=13，最大扭矩=200（4000rpm） 如果以燃烧室单位容积计算，A发动机的燃烧室扭矩生产效率=1.05牛米/ml，B发动机为1.2牛米/ml。这个参数是否可以称为“燃烧室效率”？用这个参数很容易比较出两台发动机的性能差别。 为什么两台压缩比相同的发动机燃烧室效率会不同？我们通过扭矩生产的具体过程来寻求答案：混合气被压缩到燃烧室里、点燃混合气、急剧升高的温度致使气体膨胀产生更大的压力（推动力），将活塞推向下方…。 从热泄漏的角度看：A发动机有部分高温气体被泄漏，没有参与推动活塞运动转化成机械能。进一步推论：热泄漏会导致A发动机的工作温度高于B发动机，为了不发生爆震，A发动机适度降低了进气量，充气效率低导致实际压缩比低于B发动机，造成了输出扭矩下降。如果真是这样，说明B发动机的密封性能优于A发动机。 例子2： 用燃烧室效率作为参数还可以用来比较排气量不同（或相同）、压缩比不同、甚至进气方式不同发动机的性能。
这个图表显示了提高燃烧室效率的重要性。1号、2号和7号发动机燃烧室容积都是166ml，7号发动机使用涡轮增压技术提高了气缸充气效率、即实际压缩比，最大输出扭矩达到了240牛米，本质上是提高了燃烧室效率。 5号和7号发动机都采用了涡轮增压技术，排气量相同，5号的燃烧室容积=180ml，比7号（166ml）大14ml，输出扭矩还低40牛米！如果继续细分，5号发动机的最大扭矩输出转速=2200rpm（37rps），7号=1750rpm（29rps），说明7号发动机每次做功输出的扭矩明显大于5号发动机。 由此可见，提高发动机性能的本质是提高燃烧室效率，不是简单的改进某项单一技术就可以实现的。 把一个小小的活塞环缺陷渲染的如此重要似乎有点夸大其词，其实不然，情况比目前谈到的还要严重。如果你现在出门会被浓浓的雾霾呛的咳嗽几声，那么你最好接着看我在下一篇（这个发动机缺陷影响有多大-续2）。我准备从稀薄燃烧的角度进行分析。 活塞环缺陷是如何影响降低耗油量的？继续顺着活塞环缺口→混合气泄漏+热泄漏→对燃烧模式影响的线索继续分析下去，就会发现这个沿用至今的活塞环缺陷危害有多广泛。 1、阻碍降低耗油量的“大山” 在《这个发动机缺陷影响有多大-续1》中提到的“空燃比”，是指混合气中空气和燃油的比例。用当量计算1公斤汽油所含有的碳分子需要14.7公斤空气中的氧分子才能完全燃烧掉，这个比例被称为“理论空燃比”。目前我们国内的所有汽油发动机的混合气配置都是以“理论空燃比”为标准的。 从热效率的角度计算，设计人员知道有70%的燃油没有发挥作用，为什么还要在混合气中加入那么多汽油？少加一点进去不就可以省点油吗？虽然这个道理非常浅显，问题是有一个被称为“空燃比α特性”的技术大山迈不过去。
（“空燃比α特性图”来自鲁植雄主编的《缸内直喷发动机结构原理与维修》） 图中显示：被认为汽车尾气中主要污染物“氮氧化物（NOx）”在理论空燃比（14.7）附近升高、16左右达到峰值、大于20后基本消失。只有当混合气采用理论空燃比（14.7）配制时，三元催化器才可以将混合气燃烧后所产生的氮氧化物转化成二氧化碳和水。这个特性被称为“空燃比α特性”。 空燃比α特性图给出的了两个技术信息：（1）混合气的燃油浓度在理论空燃比附近很容易产生大量氮氧化物；（2）“三元催化器”对于氮氧化物的处理范围仅限于理论空燃比以内，无法消除空燃比大于14.7以上混合气产生的氮氧化物。由此可见，“空燃比α特性”是一个阻碍研发的技术“大山”。 情况真的是这样吗？如果查阅一下有关氮氧化物生成条件的理化常识就会发现，氮氧化物的合成条件属于“高温依赖型”。也就是说，无论使用什么燃料（汽油、柴油、煤炭…），只要燃烧温度超过1500℃就可以生成氮氧化物。可怕的是，当温度超过1500℃后，每升高100℃生成速率就会增加6-7倍。
（图片来自《道客巴巴》网站的相关PPT） 由此推测，选用“理论空燃比”作为混合气浓度，在做工冲程燃烧时的气缸内温度达到1500℃以上，触发了氮氧化物合成的临界温度。然而，目前的设计并没有从如何控制燃烧温度的方向来解决减少或者杜绝产生氮氧化物，而是采用三元催化器来转化已经生成的氮氧化物。 2、热泄漏和“空燃比α特性”有关系吗？ 上一篇说客中写道发动机工作温度是阻碍继续提高压缩比的主要原因，在这里要分析它和氮氧化物生成的关系了。先来看一张发动机尾气检测视频的截图：
（这里的空燃比是用“空气过量系数λ”来表示的，用系数乘上14.7就是空燃比） [文章纠错] 文章网友提供，仅供学习参考，版权为原作者所有，如侵犯到 你的权益请联系542334618@126.com，我们会及时处理。
GMT+8, 23-5-2025 17:55 , Processed in 0.394491 second(s), 25 queries . Powered by Discuz! X3.5 © 2001-2013 Comsenz Inc. |
会员评价：
共0条 发表评论