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    這個發動機缺陷影響有多大

    文章出處:汽車之家    發布時間:2016年11月29日

    發動機技術是代表汽車性能的重要指標,多數選擇進口與合資車型的消費者看重的正是國外先進的發動機技術。其實,奔馳寶馬這些世界頂級汽車的發動機也存在一個致命缺陷,我們通過具體分析來看看它的影響有多大。

    發動機

    發動機生產動力的過程是在氣缸里進行的。首先,氣缸通過負壓吸入混合氣(含有燃油的空氣)或空氣,把氣體壓縮到燃燒室內、點燃混合氣使其受熱膨脹、膨脹產生的高壓推動活塞向下運動為汽車提供動力。如果氣缸里有個缺口,在混合氣壓縮和燃燒過程中,部分被壓縮和燃燒膨脹的氣體可以從缺口擠出、使氣缸壓力加速下降,降低了推動活塞的力量。

    1、汽缸里真的有個缺口?

    氣缸是一個圓柱體,頂部和周圍的圓柱都是密封的,底部的活塞結構依靠活塞環“密封”。活塞環是一個開口圓環,為了安裝方便和防止受熱膨脹,活塞環必須留一個可以延伸的缺口,作用是在熱膨脹時活塞環不會因為外徑增大而卡死,缺口大約有0.1-0.2毫米。為了減輕活塞環缺口引起的“漏氣”,設計者使用了相應的防漏氣設計。

    發動機

    (1)盲腔設計

    既然活塞環有缺口就一定會漏氣,設計者采用了雙環(柴油機是三環)設計來減少氣體泄漏。具體做法是在活塞上安裝二個活塞環,把兩個活塞環的開口錯開180°,兩個活塞環之間的間隙被稱為盲腔。雖然氣體仍然可以通過上活塞環缺口——盲腔——下活塞環缺口的通道泄漏,泄漏量已經明顯減低,所以現在的發動機基本都采用這個設計。發動機工作時,活塞環可以隨著上下運動而轉動,兩個活塞環的開口可以小于180°,如果離的太近,盲腔的作用就受到影響,氣體泄漏會隨之增加。

    發動機

    (2)機油封閉設計

    通常認為發動機加注的機油只是為了潤滑零件,教科書和廠家都這樣說,即使換機油的修理工也在推銷高檔機油時強調機油的潤滑功效。其實,機油的作用并不僅僅于此。活塞環的缺口和與活塞環槽之間的間隙都可以造成氣體泄漏,設計師正是利機油的粘稠特性來封閉這些缺口和間隙。這里要引入一個流體力學概念:非牛頓流體。流體的粘稠度和流體的應力(剪切力)呈現相關性。網上有個經典視頻說明非牛頓流體現象:將一個水池里加滿玉米淀粉糊,如果一個人很快的跑過糊面,并不會沉下去;如果這個人站在糊面上,就會沉入糊里。設計者利用機油的粘稠性封閉活塞的缺口和間隙就是利用了非牛頓流體的原理來阻止氣體泄漏。

    曾經有一些公司利用非牛頓流體原理設計出發動機添加劑(記得多年前有一種美國進口的“力馳多”)是將機油里加入非常細小的金屬顆粒來增加縫隙的密封性能,進而達到節約燃油和提高動力的目的。消費者也可以利用這個原理選擇粘度較高的機油(比如W30),在保證潤滑功能的前提下還可以適度提高發動機的動力輸出。

    2、缺口影響那些行程?

    目前廣泛使用的是四缸(四沖程)發動機,就以它為例子分析活塞環缺口如何影響發動機做功的。

    發動機

    以1-3-4-2點火順序來分析。氣缸的工作順序是“進氣-壓縮-做功-排氣”,每個沖程推動曲軸旋轉180°,四個氣缸每循環一次(也就是每個氣缸完成四個沖程)推動曲軸旋轉720°(二圈)。從氣缸內壓力的角度看,缺口主要影響壓縮和做功行程:圧縮行程時,當氣缸內壓力大于缺口外壓力時,可以發生缸內氣體外泄;做工行程時,氣缸內壓力始終高于缺口外壓力,所以在整個行程中都有氣體外泄。

    (1)缺口漏氣的程度和時間

    圧縮行程時氣缸內壓力是逐步上升的,只有在壓力大于氣缸外壓力并克服了機油的應力時混合氣才會外漏。做功行程時氣缸內壓力始終高于氣缸外壓力,所以整個行程中都有氣體泄漏。

    發動機

    可以通過三個層面來分析和漏氣相關的沖程和時間之間的關系。

    A、漏氣行程長度

    第一行顯示的是每個氣缸從壓縮開始到結束的連續性,也就是說氣體泄漏是從圧縮行程開始一直延續到做功行程結束,所以氣缸內氣體向外泄漏的時間是兩個行程的時間總和。

    B、漏氣沖程的重疊

    第二行顯示的是伴隨第一行氣缸行程的其他氣缸行程狀態,比如,一缸壓縮時二缸在做功,一缸做功時三缸在壓縮…,由此可見同一時間段內有兩個氣缸同時在通過缺口漏氣。

    C、漏氣的連續性

    第一行和第二行的氣缸行程是在持續循環過程中的,其間并沒有任何中斷,而是連續貫穿整個發動機工作時間。只要啟動了發動機,就有兩個氣缸從始至終在漏氣。  

    通過上述分析可以判斷,活塞環缺口引起的缸內氣體外泄真的很嚴重。

    但是,僅僅依靠上述分析就下結論為時過早,必須要通過科學方法實際進行測試后得到的結論才會更加靠譜。

    (2)測定氣缸漏氣方法

    2009年機械工業出版社出版的《汽車檢測技術與設備》中在第二章第二節中介紹了氣缸密封性檢測。檢測含有三項內容:氣缸壓縮壓力檢測、氣缸漏氣率檢測和曲軸箱竄氣率檢測。

    前兩項檢測的基本條件是以氣缸的圧縮行程為條件進行,沒有包含做功行程的壓力變化和缸內氣體泄漏。在前面的分析中我們已經注意到做功行程的整個時間段缸內氣體壓力都遠遠高于氣缸外壓力,也就是說這個時段引起的氣體泄漏才是影響發動機耗油量和輸出扭矩的關鍵所在。

    現在多數發動機的氣缸壓縮末期壓力大約在8-12公斤/cm?,按照壓力單位換算,1公斤/cm?=98kpa,10公斤/cm?約合1000kpa(1Mpa左右);當進入做功行程時,被點燃的混合氣急劇膨脹可使氣缸內壓力上升到100公斤以上/cm?(約合10Mpa)。書中記錄的檢測參數是在0.4Mpa的壓力條件下檢測氣缸泄漏率,設定的壓力參數比氣缸在壓縮行程的實際壓力低一半左右,更無法體現做功行程時的超大壓力。如果缺口面積不變,單位時間內壓力越大泄漏的氣體越多,所以說上述檢測方法不能體現氣缸的實際泄漏情況。

    看來這樣的檢測技術并不能真實全面地體現活塞環缺口泄漏的嚴重性,還會給設計人員造成一種“泄漏很有限”的假象。

    3、閉合式活塞環

    這里介紹幾種閉合式活塞環。

    (1)搭接式活塞環

    目前有一種搭接式活塞環可以阻斷氣體向下泄漏的垂直通道。

    發動機

    這種類型的活塞環多用于柴油發動機,優點是阻斷了氣體泄漏的垂直通道。然而,活塞環的水平缺口仍然可以使高壓氣體經過活塞環內側的間隙,再通過下方的水平缺口泄漏。搭接型活塞環通過延長泄漏通道在一定程度上降低了氣體泄漏率,但是缺口并沒有被完全封閉。

    (2)全閉合式活塞環

    中國專利網上有很多關于全閉合式活塞環的專利,這里以專利號為200720120873.1(申請人陳郁傳)為例進行分析。

    發動機

    專利附圖中顯示發明人把活塞環的接口設計的更加完善,可以阻止上方的氣體向下方和內測泄漏。這種設計比搭接式活塞環更為先進,完全封閉了活塞環接口處的“缺口”。來看一下這種活塞環末端結合后的情況。

    發動機

    當活塞環被安裝在工作位置時,兩末端完全閉合,預留的膨脹間隙向下和向內側的通道被完全封閉,僅僅留下一條非常小(可以完全貼合)的結合間隙。使用這樣的全閉合時活塞環可以最大限度的阻止發動機圧縮行程和做功行程的氣缸內氣體泄漏,而且基本不會受到活塞上兩個活塞環缺口位置變化的影響,非常有利于提升發動機的燃油經濟性和動力性。

    4、缺口造成的長期影響

    活塞環缺口導致的氣缸內氣體大量泄漏只是問題的開始,因為前面所寫的一切都是以新發動機為前提。隨著汽車里程數的增加,氣缸壁和活塞環外側面會不斷地被磨損,活塞環缺口也隨之在增大,泄漏的氣體數量也在不斷地上升。《汽車檢測技術與設備》中記載的“氣缸漏氣率參考性診斷參數標準值”是這樣規定的:

    發動機

    新車出廠時,發動機的氣缸泄漏率基本處于“良好”水平;行駛了一定公里數后,氣缸泄漏率可能維持在“一般”水平;隨著公里數繼續延長(15-20萬公里以上),氣缸漏氣率就會變成“較差”或“差”的水平了。通常修理工會在活塞環缺口長度達到0.5mm以上時為你更換活塞環。因為氣缸壁也受到磨損,即使換上新活塞環,缺口間隙也比較大,很難達到新車水平。記得有幾位開寶馬車的朋友在汽車行駛到20萬公里左右感到動力嚴重下降,去4S店檢修時被要求更換發動機,原因就在這里。汽車行駛過20萬公里后,基本都要進行發動機大修,主要工作就是更換活塞環。

    現在大家對活塞環缺口對發動機性能的影響認識比較全面了吧。其實,事情可以不是這樣。大家可以滑上去再仔細看看全閉合型活塞環的示意圖。

    全閉合型活塞環除了可以基本封閉氣體經過活塞環結合部的缺口泄漏外,還有一個更重要的優點是在活塞外緣被磨損時依然保持密封狀態。上圖中的活塞環的膨脹間隙A隨著外緣磨損漸漸增大,結合間隙可以保持不變,所以,活塞環的密封性保持不變;只有磨損到膨脹間隙A和膨脹間隙C重合以后,才會產生缺口導致氣體向下泄漏。如果結合部位有足夠的延伸余量,一輛汽車的發動機可以在行駛50-100萬公里時仍然保持新車的動力水平和燃油消耗量水平。

    很多國外或者合資汽車把發動機開蓋(大修)里程長作為發動機性能好的重要標志,迎合了中國消費者“經久耐用”的心理需求。看完這篇說客后,希望中國汽車企業也能夠設計出行駛50萬公里、甚至100萬公里不大修的發動機,而且還具備耗油量不增加和動力不下降的雙重優勢。



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