最早的发动机

汽车整体技术日新月异,作为汽车心脏的发动机技术进步更受关注。如今,在引进一款汽车发动机时,可变气门正时技术、双顶置凸轮轴技术、缸内直喷技术、VCM气缸管理技术、涡轮增压技术等已经被广泛应用;使用的材料也在向轻量化方向发展:全铝发动机目前已经广泛使用;汽车污染是不可避免的,所以包括柴油机高压轨、燃料电池、混合动力、纯电力、生物燃料技术在内的新能源技术也开始普及,但回顾一下发动机的历史,或许能更好地理解这一百年来汽车技术发生的巨大变化。汽车技术的飞速发展,从我国的汽车教材中也可以看出:新技术的发展已经让汽车教材很难跟上步伐了!现在大部分汽车教材还是以东风的发动机为例,东风发动机还是化油器的老式发动机,和今天的全电子发动机几乎隔了几个世纪。汽油机之前的摸索阶段,回到了汽车的初级阶段。当时的车被马车嘲笑,污染严重,但启动的意义非同一般。18世纪中叶,瓦特发明了蒸汽机,人们开始想象把蒸汽机放在汽车上载人。法国的N.J.Cugnot是第一个在汽车上安装蒸汽机的人。1770年,牯牛造了三轮蒸汽机车。该车全长7.23米,时速3.5公里,是世界上第一辆蒸汽机车。1771年,古诺改良蒸汽车,时速9.5公里,拉4-5吨货物。1858年,居住在法国巴黎的雷诺发明了燃气发动机,并于1860年申请了专利。发动机是用煤气和空气的混合气代替往复式蒸汽机的蒸汽,用电池和感应线圈产生电火花,用电火花点燃混合气爆炸。这种发动机有气缸、活塞、连杆和飞轮。燃气发动机是内燃机的初级产品,因为燃气发动机的压缩比为零。1867年,德国人尼古拉·奥古斯特·奥托(Nicolaus August Otto)受里诺发展燃气发动机的启发,对燃气发动机进行了大量研究,制成了卧式气动燃气发动机,经过改进,在1878年法国举办的国际展览会上展出了他的样品。由于工作效率高,这台发动机引起了参观者的极大兴趣。在长期的研究过程中,奥托提出了内燃机四冲程理论,为内燃机的发明奠定了理论基础。德国人奥姆雷和卡尔·本茨根据奥托发动机的原理,分别研制出现代汽油发动机,为汽车的发展铺平了道路。奔驰1搭载单缸二冲程汽油发动机。

1886算是汽车的诞生日,那个奔驰一直被人津津乐道。但它的动力装置真的很“寒酸”:第一辆“三轮奔驰”配备的是卧式单缸二冲程汽油发动机,最高时速16km/h,这是第一辆车的发动机。当时,卡尔·奔驰勇敢的妻子需要儿子的推车才能驾驶这辆奔驰1上坡。当然,一路上发动机一直熄火,方向盘也不管用。100公里回娘家用了一整天。四冲程发动机的应用四冲程发动机其实是德国人奥托发明的。但在应用车中不得不提戴姆勒。他成为第一个把四冲程发动机装在汽车上的人,因为他帮助奥托开发了四冲程发动机。显然,从四冲程到二冲程是一个很大的进步。四冲程发动机具有更好的平衡和燃烧效率。现在的汽车发动机技术已经基本采用了四冲程技术。然而,在发动机的基本运行模式确定后,有人再次挑战传统。转子发动机

马自达特种转子发动机

1957年,德国人汪克尔发明了旋转活塞发动机,这是汽油机发展的一个重要分支。转子发动机的特点是利用内转子外摆线和外转子外摆线相结合的机构,将三角活塞运动直接转化为旋转运动,不需要曲轴连杆和配气机构。与往复活塞式汽油相比,零件少40%,重量轻,体积小,转速高,功率大。1958年,汪克尔将外转子改为行星运动的固定转子,制成了功率22.79 kW,转速5500 rpm的新型旋转活塞发动机。该机具有重要的开发价值,因此受到了各国的关注。日本东洋公司(马自达公司)购买了转子发动机的原型,并将其安装在汽车上。可以说,转子发动机诞生于德国,成长于日本。今天,转子发动机仍然只有马自达在使用。我不知道马自达独特的技术何时会全面开花。发动机的工作形式确定后,发动机技术就完善了。随着时间的推移,很多经典的发动机设计已经不能满足人们的需求。化油器发动机的化油器最早诞生于1892,是美国人德利亚发明的。随着技术的发展,化油器变得越来越完善。直到上世纪中后期,化油器一直分为五个部分:主供油系统、起动系统、怠速系统、重载增浓系统(节能器)和加速系统。五个部分的作用是:根据发动机在不同情况下的需要,将汽油气化,与空气按一定比例混合,形成可燃混合气,及时进入气缸。

“老”化油器化油器的优点是:能把内燃机的油气比控制在理想的水平,无论天气、气温如何,它都会一直工作不变。此外,该化油器成本低,可靠性高,易于维护。当然,化油器也有很多弱点:比如在冷启动、怠速运转、急加速或低气压环境下,这样的固定供油方式并不能完全满足发动机的工作需要,甚至可能产生冒黑烟、燃烧不完全、马力不足等问题。因此,从2002年开始,中国禁止销售化油器汽车,此后所有车型都改用电喷发动机。当然,目前路上跑的都是化油器发动机。随着时间的推移,化油器发动机将彻底退出历史舞台。电喷发动机电喷最早出现在1967,德国保时捷公司开发的D型电喷装置后来在大众等德系车上使用。这种装置以进气管内的压力为参数,但与化油器相比,仍然存在结构复杂、成本高、不稳定等缺点。针对这些缺点,博世公司开发了L型电控汽油喷射装置,该装置以进气管中的空气流量为参数,可以根据进气流量与发动机转速的关系直接确定进气量,并据此喷射相应的汽油。由于设计合理,运行可靠,这种装置被欧洲和日本的汽车制造公司广泛采用,奠定了今天电控燃油喷射装置的雏形。

电喷发动机已经全面普及。到目前为止,电喷系统的行车电脑可以随时检测发动机的温度、进气流量、转速变化和振动情况,并根据实际需求调整供油和点火时间,所以在动力输出、燃油经济性和排污性能上都能达到相当好的平衡。同时,为了增加发动机的进气量,提高燃油效率,发动机由早期的单点喷射进化为多点喷射,气门由两个增加到五个。目前,最先进的电喷发动机配备了VVT可变气门技术。总的来说,电喷供油系统最大的优点是供油控制精确,使发动机在任何状态下都能有正确的空燃比,既保持发动机运转平稳,又符合环保法规的规范。但是电喷供油系统并不是最科学的。由于内燃机结构的固有限制,电喷喷嘴安装在气门旁,只有在气门开启时才能完成油气喷射,因此喷射会受到开闭周期的影响,产生延迟,从而影响计算机对喷射时间的控制。好在缸内直喷技术已经解决了这个问题。缸内直喷发动机近两年,当欧美厂商意识到电喷技术的研发已经进入瓶颈期,缸内直喷技术成为各大厂商的主攻方向。目前市场上备受关注的缸内直喷发动机有奥迪FSI缸内直喷发动机和凯迪拉克SIDI双模直喷发动机。与电喷发动机相比,缸内直喷发动机的喷嘴移到了缸内,所以缸内油气的多少不会受到气门开闭的影响,而是由电脑直接自动决定喷油的时机和喷油量。至于气门,只负责进气时间,两者只有进缸时才混合。由于油气混合的空间和时间都相当短,缸内直喷系统必须依靠高压将燃油从喷嘴压入缸内,以达到较高的雾化效果,从而更好地混合油气。其中,混合油气压缩比越高,其动力性能越强,相应的节能效果也越明显。奥迪3.2升FSI缸内直喷发动机压缩比达到10.3:1;凯迪拉克的3.6升SIDI双模缸内直喷发动机压缩比达到11.3: 1。此外,缸内直喷系统的燃烧室和活塞大多还设有专门的导向槽,用于油气进入燃烧室后产生气旋涡流,以提高油气混合气的雾化效果和燃烧效率。一般来说,采用缸内直喷技术的发动机比同排量的多点喷射发动机峰值功率提高10%至15%,峰值扭矩可提高5%至10%。这种改善可谓是质的变化,单靠增加阀门数量很难达到这种效果。新的发动机技术不断涌现。发动机的工作模式和喷油模式确定后,发动机的进化并没有停止。在发动机技术的提升上,一代又一代的汽车人都在不懈努力。有些很完美,甚至无法记录。很明显,现在发动机运转更加平稳,抖动也没有那么剧烈了。燃油经济性也更好,马力更足。这些都有赖于新技术的应用。为了改善进气,有:本田的ECVT,丰田的VVT-I,现代的CVVT,通用的DVVT等可变气门正时技术;为了获得更好的空燃比,目前流行的有TFSI分层喷射技术、VIS可变进气技术、涡轮增压中冷技术等等。为了最大限度地减少环境污染,在排气管中加入了氧传感器、三元催化转化器和废物回收技术。目前,由于环境污染的恶劣影响,对汽车尾气排放的要求越来越高,淘汰老旧的发动机技术已经成为必然,更多充分利用能源的技术也在不断被开发。同时,由于全球能源危机的巨大影响,更多节能的新能源技术必将为发动机技术的发展做出巨大贡献。汽车发动机终有一死,再看中国汽车政策的鼓励方向。纯电动汽车成为国际政策支持的重点,配套设施开始在试点城市运营。没有引擎的汽车正在改变我们百年的汽车历史。在中国之外,其他重要的汽车制造商也在开发自己的新能源技术,氢动力和纯电动汽车的研发也取得了许多突破。21世纪汽车发展的趋势是让发动机的轰鸣声退出历史舞台。