汽车发动机的运行平稳性


有网友问,汽车发动机气缸的数目如何选择?为什么同样缸数的发动机,有的品牌很安静,而有的品牌振动明显。

一般来讲,气缸数目越多,运行越平稳,发动机的价格也越贵。以往复活塞式内燃机为例,燃料在气缸中燃烧,推动活塞做功,使汽车克服阻力运动。发动机要连续运行,就必须有循环周期,按照吸气、压缩、做功、排气的动作周而复始地运行。其中吸气、压缩、排气都是耗功的。一般的四冲程发动机每个气缸的活塞来回四次,也就是曲柄要旋转两周才做功一次。因此单靠一个气缸工作是比较困难的。就象我们踩自行车,单脚踩很费劲。

踩过自行车的人都知道,踏板从上到下运动时脚能用上力,踏板从下往上运动时脚就用不上劲了,要靠惯性使车连续运动。实际上,蹬自行车最有效的位置大约只有90度左右,如图所示。即使两只脚一起蹬,中间一些位置仍然是空的,要靠惯性维持运动。发动机也一样,如果气缸的数目比较少,就会产生动力不连续现象,影响运行的平稳性。

如果两个人踩一部自行车,情况就不同了。可以把四只脚用力的时间均匀分布在90度间隔,四个90度刚好是一周,动力就不会出现断续现象了。

四冲程汽车发动机的一个气缸做功一次对应曲柄转两周,即720度。所以,一般4缸发动机曲轴的相位角为180度,6缸发动机的曲轴相位角为120度,而8缸则是90度。缸数越多,前后依次做功的间隔角度就越小,就越不会发生动力断续的情况,运行的平稳性就越好。

但是,为什么同样缸数的发动机,运行状况有很大不同?多缸是发动机运行平稳的一个重要条件,但不是唯一的条件,其实影响发动机振动的原因是很多的,其中惯性力就是一个重要的因素。

发动机内高速运动的零部件会产生很大的惯性力,造成发动机的剧烈振动。虽然对于定轴转动的构件如曲柄可以通过动平衡方法减少由于惯性力对轴承产生的动压力,但对于缸数多曲轴长的情况,会因旋转惯性力而产生内力矩,使曲轴产生弯曲,影响运行平稳性。因此现在6缸以上高速发动机气缸大都采用V型排列,缩短曲轴长度。

而对于非定轴转动的构件,如曲柄连杆机构中活塞和连杆的运动所产生的惯性力是无法在构件内部得到平衡的,这些惯性力的存在会使发动机发生摇晃。对于这种类型惯性力的平衡称为“机构在机座上的平衡”,涉及更加复杂的技术。此外,对于多缸发动机而言,由于结构的差异、各零件制造尺寸加工误差及材料密度的均匀性,都会影响到整机的平稳性。

惯性力的平衡是发动机设计和制造中的一个关键问题,只有通过精心的设计和精确的测试手段,才能够把惯性力的影响减至最小,品牌的差异在此亦可以略见一斑了。

车汇通
2002年9月6日

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