提到发动机,你能想到什么?是排量?是气缸数?还是什么?
其实无论是1.0L排量还是6.0L排量、无论是涡轮增压还是机械增压、无论是直列4缸还是V型12缸,它们都有一个共同的特点,即都是四冲程发动机,甚至现在一些125摩托上也开始放弃传统的二冲程发动机而换装四冲程发动机了。
所以问题就来了,为什么发动机都是四冲程的?
所谓冲程,指的是活塞从一个极限位置另一个极限位置的距离,按照现在的发动机做功顺序来看,从进气到排气,活塞往返运动了2次,也就是4个冲程,这便是四冲程发动机的由来。上文也说到了,既然摩托车能够用二冲程发动机,为什么汽车不行?
原因其实很简单,二冲程发动机的压缩比往往比较低,且由于构造问题无法输出高转速,与汽车对动力的需求并不匹配;另外,二冲程发动机基本都是单缸的,对于汽车而言,即便按照1.0L的排量计算,试想一下1.0L的单缸发动机得是什么样子?因此二冲程发动机只能用在摩托车、低速车上。
对于四冲程发动机来说,其可以承受更高的压缩比,动力输出曲线也更符合汽车的工况要求,但它也并非没有缺点,除了需要对进排气门进行精准控制外,还要提升热效率,目前热效率能超过35%的发动机就可以被厂家吹嘘一波了。
事实上,发动机做功靠的是活塞驱动曲轴,而活塞驱动曲轴靠的又是气缸内的可燃气体燃烧产生热膨胀,因此热效率越高的发动机往往动力表现会更好且油耗也会相对较低。
但大家都知道,四冲程发动机四个行程中只有一个行程是做功的,另外三个行程都是消耗能量的,并且发动机也是需要散热的,燃油燃烧所产生的大量热能实际上是被浪费了,那么有没有什么好的解决方式呢?
答案便是六冲程发动机。
在2007年六冲程发动机便被美国工程师Bruce Crower研发了出来,只是目前并没有进行应用,我们先来看这个六冲程的发动机是如何工作的。原理图如上所示,前面4个冲程并没有变化,有趣的是后面2个冲程。
四冲程发动机的最后一个冲程是活塞向上运动将气缸内的废气排出,而此时发动机内部的温度依然可以轻松达到100℃,这恰好是水沸腾的温度,于是第五冲程便是向气缸内喷水,是的你没看错,水遇到高温后会迅速膨胀成水蒸气,是不是看着眼熟?貌似是回到了蒸汽机的时代,膨胀的水蒸气将活塞再压下去做功;第六个冲程则是将多余的水蒸气排出去,但并不是排到排气管中,而是排到一个冷凝器里,重新变为水。
根据Bruce Crower(如上图)的计算,这台六冲程发动机能比传统的四冲程发动机提升40%的效率,如果是柴油机的话,还可以再提高5%。值得一提的是,这项发明获得了美国《Popular Science》(中文版称《科技新时代》)杂志年度十大发明奖。
不过这种六冲程发动机也并非没有短板,客观的说短板还非常明显,除了要为发动机准备一个水壶之外,对水的要求更高,如果水中杂质较多,那么气缸内如何进行防腐处理?如何保证活塞环的密封性不受影响?毕竟活塞环上还有机油,且燃烧的废气中存在二氧化硫,与水蒸气接触会产生硫酸,这也是一个比较棘手的问题。
因此六冲程发动机难以普及,或者说目前技术层面只能允许它在实验台上嗨一把……由此可见,传统的内燃机经过数十年的技术发展,如今再想进行技术革新几乎已经很难了,向上突破的空间极其有限,而这或许也是汽车动力由内燃机转向电动机的原因这一吧。