發動機的缸徑與行程是什么意思?它對發動機的性能有哪些影響?
大家在看汽車配置表時,會發現上面有一項“缸徑行程”這一參數,很多人都不知道它表示什么意思。今天我們就來說一說這兩個參數的含義,以及它們對發動機的重要意義。
首先來看看什么是“缸徑”。所謂的“缸”是指發動機氣缸,它是發動機最核心的部位,它與活塞、氣缸蓋共同組成了燃燒室,可燃混合氣在其中燃燒、爆炸產生巨大的下壓力,推動活塞向下運動產生扭矩,并通過曲軸向外輸出。它的工作環境是極其惡劣的,溫度和壓力都劇烈變化,所以它需要承受很大的熱負荷和機械負荷,并具有一定的抗腐蝕能力。因此氣缸套一般都用優質鑄鐵鑄造而成。需要注意的是,即使是所謂的“全鋁發動機”氣缸套也是鑄鐵的,而非鋁合金的。所謂的“徑”是指氣缸截面圓的直徑。“缸徑”就是指氣缸直徑的大小,也就是我們俗稱的氣缸大小。
那么這個“缸徑”的大小有什么說道呢?很多人可能不知道,我國汽車發動機的編號規則就是“氣缸數量+缸徑”。比如很早以前的解放發動機,編號為CA6102,就是指發動機有六個氣缸,缸徑是102mm;還有東風EQ6100發動機,指發動機有六個氣缸,缸徑是100mm;其它的比如6135、6120、492、495、376、185,等等,都是第一位數字表示氣缸數量,第二位數字表示缸徑,知道了這個規則,就可以讀懂很多國產發動機的型號了。當然,現在有些發動機型號不是這樣標注了,比如CA6DL-2,WD615.67,14N4S1,CA4GB1,等等;而國外的發動機編號又是另一種規則,各國都是不一樣的,比如著名的三菱4G15系列發動機、豐田的3UZ-FE、1RZ發動機、寶馬的B58發動機,大眾的EA211、EA888發動機,等等。
大家仔細觀察,還會發現一個問題,那就是柴油發動機的缸徑都可以做得很大,一般都在100mm以上,有些船用發動機缸徑甚至可以做到一米多;但是汽油發動機的缸徑普遍較小,普遍在70~90mm之間,很少有超過100mm的,這究竟是為什么呢?
這一點主要與汽油和柴油的燃燒特性有關。大家知道汽油發動機是使用火花塞點火的方式點燃混合氣的,如果氣缸的直徑過大,氣缸中的末端混合氣就會在火焰前鋒到達前發生燃燒,即爆燃,并且缸徑越大,發動機的壓縮比就不能做得很大,比如普拉多2.7四缸發動機,氣缸直徑是95mm,壓縮比只有10.2:1,而很多小排量發動機壓縮比都在11:1左右了;柴油發動機是使用壓燃式的方式來點燃混合氣的,在燃燒時會產生多個火焰中心同時燃燒,所以不存在爆燃這種說法,即使缸徑做的很大也無所謂。
再來看看發動機的“行程”。所謂的“行程”又叫做“沖程”,它是指活塞從上止點運動到下止點所走過的距離,它等于曲軸曲柄半徑的二倍。一般來說,活塞的行程越大,發動機的扭矩就越大,同時發動機的轉速也越低。比如柴油發動機,由于柴油燃燒速度慢,所以柴油機一般都趨向于長行程、低轉速;而汽油燃燒速度快,所以汽油發動機趨向于短行程、高轉速。這也是柴油發動機比汽油發動機扭矩更大的原因之一。
下面就來說說缸徑與行程對發動機意為著什么,能決定發動機的哪些參數和性能。
1、缸徑與行程直接決定了發動機的排量。所謂的發動機排量是指活塞從上止點移動到下止點所通過的工作容積,如果發動機有若干個氣缸,所有氣缸工作容積之和稱為發動機排量。發動機排量=π*氣缸半徑的平方*行程*氣缸數,很顯然,缸徑與行程越大,氣缸數越多,發動機的排量就越大。比如說某款四缸發動機缸徑是80mm,行程是90mm,那么它的排量為:402x3.14x90x4=1808640mm3≈1.8L。
排氣量是發動機最重要的結構參數之一。發動機的功率、扭矩等都與它有直接的關系。一般說來,排量越大,功率和扭矩也越大。當然,這是在同類型發動機對比,我們不能用自然吸氣發動機和渦輪增壓發動機對比。此外,在我國還根據發動機排量來收取汽車消費稅和車船稅,排量越大稅費越高,這也是我國大排量汽車價格高企的一個重要原因。
此外,發動機活塞行程與缸徑以不同的方式組合,可以很容易的改變壓縮比、排量等參數,進而改變發動機的功率、扭矩以及大量輸出特性等。比如把曲軸半徑加大,相應的活塞行程就長了,這樣發動機的排量和壓縮比都增大了。典型的例子是豐田的銳志,2.5L和3.0L車型發動機機體是相同的,只是更換了內部的曲軸、活塞、連桿等配件,從而改變了排量、壓縮比以及輸出功率。
2、缸徑與行程直接決定了發動機的動力輸出特性。在發動機中,氣缸直徑與活塞行程之比稱為缸徑行程比,它有三種模式:缸徑大于行程的發動機叫短行程發動機,缸徑行程比大于1;缸徑等于行程的叫等行程發動機,缸徑行程比等于1;缸徑小于行程的叫長行程發動機,缸徑行程比小于1。這三種發動機動力輸出特性是不一樣的。
(1)缸徑大于行程的短行程發動機:這種發動機的特點是只有在很高的轉速時發動機才能發出較大的功率和扭矩,也稱為高速發動機,它的極限轉速甚至可以達到15000轉/分鐘,常用轉速也在6000~10000轉/分鐘之間。這些發動機一般應用在賽車發動機和摩托車發動機上,比如F1賽車發動機、法拉利、蘭博基尼等,但是由于低速扭矩比較差,所以在民用車上應用相對較少。這種發動機的技術含量和制造成本都是最高的,因為發動機轉速高,發動機內部的摩擦損失也大,對材料和技術要求都非常高。一般說來短行程發動機的缸徑行程比不會大于1.3:1,超過這個數值就是追求極致高速性能的加強型高速發動機了。
(2)缸徑等于行程的等行程發動機:這種發動機的特點是動力輸出相對比較均衡,低速扭矩和高速動力性都不錯,相對來說更兼顧高速動力性。它一般應用在一些跑車上,比如著名的豐田86,就是發動機的缸徑與行程都是86mm,因此而得名。還有一些大排量的自然吸氣發動機,為了減少氣缸數,通常會把缸徑做的較大,在保證低速扭矩的前提下,縮短活塞行程,比如豐田普拉多2.7發動機,缸徑與行程都是95mm。
(3)缸徑小于行程的長行程發動機:這種發動機的特點是可以在較低的轉速下就發出比較大的扭矩,比較適合民用,所以市面上絕大多數的發動機都是這種長行程發動機,很多越野車和柴油發動機都是這樣設計的。相對來說,汽油發動機轉速相對較高,所以它的缸徑行程比也比較大,一般都是小于1而大于1:1.3;而柴油發動機轉速相對較低,并且對低速扭矩要求較高,所以它的缸徑行程比比汽油機小,有些甚至會小于1:1.3。
3、缸徑與行程直接決定了發動機的外形尺寸。很顯然,發動機的缸徑越大、活塞行程越大、氣缸數越多,發動機的外形尺寸也就越大。其中氣缸直徑越大,發動機的長度越大,這對于發動機橫置、前置前驅的車型來說,布置就比較困難,所以這種車型發動機缸徑不可能很大,而縱置發動機相對就容易一些;活塞行程越大,發動機就會越高,汽車重心也越高,操控性會受到影響。你看有很多發動機橫置、前置前驅的車型發動機都是傾斜布置的,很大一部分原因就是為了降低發動機的高度。
總體來說,發動機的缸徑與行程是發動機重要的結構參數,它直接決定了發動機的排量、壓縮比、動力輸出特性以及發動機外形尺寸等。缸徑行程比越大,發動機越趨向于高轉速,發動機轉速爬升的也越快,一般適用于汽油發動機;缸徑行程比越小,發動機越趨向于低轉速,一般適用于追求低速高扭矩的柴油發動機。
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