发动机的工作原理和低转速换挡的危害

让你的发动机咆哮起来！浅谈发动机的工作原理和低转速换挡的危害作者：某牛人每次看到新手开手动挡汽车的时候低转速换挡，内心就对车子的发动机有一种怜悯和惋惜之情。我也不知道中国人什么时候开始形成的这 种传统，也不知道最早是怎么形成的这种现在已经根深蒂固的错误观念：低转速换挡省油？！ 相信不少人在驾校里，师傅就是这样教的：起步用 1 档，车子动了用 2 档，20 公里换 3 档，30 公里换 4 档，40 公里换 5 档，很多人对驾校师傅教的这一“秘 籍”深信不已，认为这是省油又爱护发动机的宝典。 有时候想想，驾校师傅，也就开车熟练一点，经验丰富一点，对发动机的工作原理，未必熟悉，网路零零星星有些关于如何正确换挡的文章，但大多不全面，也 没有从原理上分析原因，所以觉得有必要写一篇关于正确换挡的文章，希望对所有新手甚至很多错误换挡的“老手”有帮助。首先声明一下：本人非汽车专业人士，但是从小对机械有兴趣，大学是机械设计专业，工作是计算机相关的，我的所有关于汽车的相关知识都是从互联网和一些业余 书籍上看来的，总的来说并不专业，文章中所涉及的一些术语、概念、描述可能并不十分准确，如果有错漏的地方，希望有专业人士不吝指出。文章可能比较长，网络 BBS 上很少有人能耐心看完一篇比较长的内容，因此先把结论写在前面，急性子的人，只要看结论就可以了：结论： 从长期综合来看，低转速换挡并不省油也不省钱，还会对发动机造成不可逆的损害，大大缩短发动机寿命，并且失去了驾驶的乐趣。简单的说，对于低速发动机，中速发动机，和高速发动机，对应的换挡转速和行车转速应该如下：1，对于最大扭矩 3000 转就出现的“低速”发动机，应该尽量 2200 转以上加速和换挡，换完档保持发动机 1800 转以上行车。代表车型： 普桑，老捷达2，对于最大扭矩 3600 转左右出现的 “中速”发动机，应该尽量 2500 转以上加速和换挡，换完档保持发动机转速 2200 转以上行车。代表车型：大众朗逸，宝来3，对于最大扭矩 4200 转以上才出现的“高速”发动机，应该尽量 2800转3000 转加速和换挡，换完档保持发动机转速 2500 转左右行车。代表车型：爱丽舍，307以上是结论,下面是分析一、低速发动机和高速发动机到底最高扭矩多少转才是低速发动机，多少转才是高速发动机？ 其实这个划分的界限并不十分明确，但按照一般的划分习惯，把最高扭矩转速 3000 转左右的发动机称为低速发动机，3600 转左右的称为中速发动机或者中高 速发动机，4000 转以上的一般就被划分成高速发动机了。还有一种划分方法是以缸径和冲程比来划分：缸径比冲程短的是低速发动机，缸径和冲程相等或者基本相等的为中速发动机，缸径大于冲程的为高速发动机。以上都是指汽油发动机，本文所要探讨的也是汽油发动机，柴油发动机不在讨论范围之列。为什么发动机还分低速和高速之分呢？什么因素决定了发动的最大扭矩是低转速出现还是高转速出现呢？我们知道发动机的基本工作原理是汽油和空气的混合气体在气缸里点火爆炸膨胀产生推力，这个推力由活塞传递给曲轴连杆，曲轴连杆再传递给曲轴，在曲轴和曲轴连杆的配合作用下把这种垂直上下的运动转化成发动机曲轴的转动，这个转动的“力”再通过变速箱传递给车轮，推动车子运行。 那么气缸是圆柱型的，气缸有两个非常重要的参数：缸径和冲程。以 2.0L 的直列 4 缸发动机为例，每个气缸的容积是 2.0L/4=0.5L，假设气缸的冲程是 10cm，那么气缸的截面积就是 50 平方厘米，根据圆形的面积公式，算出气缸的半径是 3.99 厘米，直径就是 7.98 厘米。我们就说这个发动机气缸的缸径 是 7.98 厘米，冲程是 10 厘米。那么这两个参数和发动机高转速和低转速的划分有什么关系呢？ 关系就是：冲程越长，缸径越短，发动机出现最大扭矩的转速就越低，反之冲程越短，缸径越长，发动机出现最大扭矩的转速就越高！ 为什么呢？ 很简单，活塞在气缸上下运动的过程，就好比一个人收回拳头再发力打出去的过程，收回的幅度越大，打出去的幅度越大，攻击的力度就越大。一个大直拳肯定比小碎拳有力。 低速发动机的冲程长，好比打大直拳，高速发动机的冲程短，好比小碎拳，在相同转速的情况下，大直拳比小碎拳有力，所以在低速阶段，低速发动机由于冲程长， 活塞加速的过程比较长，因此比较有力，高速发动机就不如低速发动机有力了。 还有一个例子也可以说明这个问题：同样的一颗子 弹，在枪管比较长的步枪中发射就比在枪管比较短的步枪中发射的远。发动机活塞也是类似的道理。还有，低速发动机曲轴力臂长，高速发动机力臂短，也是造成低速发动机在低速阶段扭矩大的原因。既然低速发动机低速阶段有力，为什么不都造低速发动机呢？ 这样汽车起步不就快了吗？ 问题来了：在低速阶段，由于发动机运转慢，低速发动机的气门大小足够发动机进气和排气了，但车子速度上来了，需要发动机转速提高的时候，低速发动机由于气门面积小，进气和排气效率就会降低，混合气体燃烧的效率也会降低，从而降低发动机性能。这个现象也很容易理解：你用一个针管和针头，先把针管推到底，然后慢速往下拉，让空气进入针管，慢速拉的时候很容易，并不费劲，但同样的动作，快速拉的时候，你会发现很费力，因为快速拉的时候，针头的直径已经不能让空气快速的进入针管了，发动机也是同样的状况，慢速阶段空气进入气缸很容易，高速的时候进不容易进去了，这个就叫做进排气效率降低！既然进排气效率降低，那么有什么方法提高进排气效率呢？ 你一定想到了！对针筒来说，换一个大直径的针头，对发动机来说，换一个大直径的气门不就解决了？ 非常正确！ 但是呢，气门在发动机气缸的顶部，气缸的直径决定了气门的安装数量和大小，气门都是圆形的，假设气门的直径是 3cm,那么直径7.98cm 的气缸，最多能 安装几个气门呢？如果是 2.5cm,又能安装几个？ 有兴趣的算一算吧。 要么装 2 个大一点的气门，一个进气一个出气，要么装 4个小一点的气门，2 个进气，2 个出气，或者装更多气门，但无论怎么安装气门，气门的总面积都不会超过 50 平方厘米, 怎么办呢？也许你说，简单啊，增大缸径啊！ 没错，增大缸径可以安装更多更大的气门，但是呢别忘了，排量是有限的，排量一定的情况下，缸径大了，发动机冲程就缩短了，发动机在一个做功周期内输出的动力就小了。 这个是发动机设计中的悖理问题。要么设计又细又长的气缸低速阶段进排气效率高、燃烧充分、扭矩大但高速动力下降，要么设计又短又粗的气缸，高速阶段进排气效率高、燃烧充分、扭矩大，但低速扭矩小。总结来说：低速发动机低速阶段扭矩大，是因为低速发动机冲程长，运动惯性大，且曲轴力臂长。高速发动机高速阶段扭矩大，是因为高速阶段进排气效率高，燃烧后爆炸的能量大低速发动机高速阶段扭矩小，是因为高速阶段低速发动机的进排气效率低。高速发动机低速阶段扭矩小，是因为高速发动机冲程短，运动惯量小，且曲轴力臂短从以上结论还可以看出：低速发动机加油门速度不容易上来，丢油门速度掉的也慢，高速发动机正好相反。二、气门重叠时间和气门重叠角我们先来回顾一下四冲程发动机的工作原理：四冲程发动机由进气、压缩、燃烧、排气四个工作冲程，其中只有第三个冲程燃烧是做功的，前两个冲程是做准备，后一个是排出燃烧后的废气。按理说，气缸排完气，活塞到达上止点的时候排气门关闭，同时进气门开启，这样排气和进气过程刚好可以“完美”的衔接上，这样的气门开闭合时机在发动机转速比较低的时候是对的，但是发动机转速高的时候，由于进排气效率降低（回顾上面针管抽气的例子） ，这样会严重阻碍进气和排气的，大大降低发动机的效率，因此，为了提高进气和排气的效率，在发动机需要开启和关闭进排气气门的时候有一个提前量，即：在进气冲程，排气门还没完全关闭的时候，进气门就打了一个提前量提前开启了；在排气冲程，进气门还没完全关闭的时候，进气门就打了一个提前量。因此，在某一个特定的时间段，发动机的进气门和排气门是同时开启的，这个同时开启的时间就叫做气门重叠时间，这个时候曲轴连杆和气缸之间的夹角叫做气门重叠角。 百度文库有更详细的解释：=以下是百度文库的文章 =为了保证发动机气缸的进气充分、排气彻底，要求气门具有尽可能大的通过能力，因此发动机的进、排气门实际开启和关闭并不恰好在活塞的上、下止点，而是适当的提前和迟后。进气门提前开启的目的是：为了保证新鲜气体或可燃混合气能顺利、充分地进入气缸进气门晚关的目的是：为了在压缩行程开始时，利用气缸内的压力暂低于大气或环境压力，靠进气气流的惯性使新鲜气体或可燃混合气仍可能继续进入气缸。这样，进气门开启持续时间内的曲轴转角实际上就大于了 180。排气门早开的目的是：当活塞作功行程接近下止点时，可燃混合气的燃烧膨胀已基本结束，但气缸内的气体压力仍然较高，利用此压力可使气缸内的废气迅速地排出；排气门迟关的目的是：由于活塞到达上止点时，气缸内的压力仍高于大气压，利用排气流的惯性可使废气继续排出。这样，排气门开启持续时间内的曲轴转角实际上也就大于了 180。由于进气门早开和排气门晚关，就会出现有一段时间进、排气门同时开启的现象。进气门和排气门同时开启的那一段时间或曲轴转角，我们就把它称之为气门重叠时间或气门重叠角，气门重叠角的大小等于进气门早开角与排气门晚关角之和。由于气门的重叠角较小，且新鲜气体和废气流的惯性要保持原来的流动方向，所以只要气门重叠角取得合适，就不会产生废气倒流进气管和新鲜气体随废气排出等问题。发动机的结构不同、转速不同，配气相位也就不同。=百度文库文章结束 =不考虑现在的可变气门技术，老的发动机的气门开闭的这个提前量是固定的，而气门的开闭的最佳提前时机是由发动机的转速决定的，不同的转速阶段有不同的最佳开闭提前时机，因此问题就摆在这里了：对于非可变气门发动机来说，只有在某一个特定转速下，发动机的进排气效率是最高的。 前面我们说过，缸径和冲程的比值决定了发动机的扭矩特性，这个是硬件特性，决定了大致的最高扭矩和功率输出范围，但是在缸径和冲程比值已经设计好的情况下，通过调整气门的开闭合时机，让气门开闭合时机和某一个特定转速完美匹配，那么在这个转速下发动机进排气效率最高，燃烧最充分，输出的动力也比较大。这种在缸径和冲程已经固定的前提下，通过改变进排气时机来对发动机的特性进行微调的手段就是我们通常说的发动机调校。当然发动机的调校很复杂，还包括调整发动机点火提前角等等多种参数。如今有些先进的发动机的气门开闭合提前量会根据发动机转速而动态调整，就是所谓的可变气门技术，这样可以保证在发动机在很大的转速范围内都有很高的燃烧效率，持续输出高扭矩和高功率。 当然，在气门提前角固定的发动机上，发动机运转的最佳转速就只有一个。三、点火提前角在低速阶段，正常来说，当混合气体被压缩到最大的时候，即第三个冲程活塞运行到上止点的时候火花塞点火，可以保证发动机输出最大的扭矩，为啥？很简单，压缩的最厉害的时候点火爆炸，爆炸后的气体膨胀也越厉害呗，推动活塞的力也越大呗。 但是呢，从火花塞点火到混合气体完全燃烧是需要一定时间的，虽然这个时间很短，可能只有几毫秒，甚至几微妙，但是对于高速运转的发动机来说，这个时间仍然太长，等到气体完全燃烧的时候，活塞都过了上止点了，过了上止点再燃烧，混合器燃烧后的推力就会减少。 为了解决这个问题，和进排气打一个提前量的道理一样，点火也要有一个提前量，即：在活塞还没有运行到上止点，在曲轴连杆和气缸中心线还有一定角度的时候就提前点火，算上从点火到燃烧的时间，让活塞正好运行到上止点的时候混合气正好燃烧，这个时候曲轴连杆和气缸中心线的这个角度就叫做点火提前角。但是！ 火花塞从点火到混合气燃烧的延迟时间是一定的，而活塞从下止点运行到上止点的时间是随着发动机转速的变化而变化的！ 所以，和气门的调校时机一样，对于固定点火角度的发动机来说，在点火提前角一定的情况下，只有一个特定的转速才能和点火角度完美匹配，这个完美匹配的点就是发动机运转最佳的点。 你可以调整点火时机，增大点火角，让点火提前，这样可以在高速阶段获得更大的动力，但是副作用就是在低速阶段由于点火时机太提前，发动机活塞还没有运行到上止点混合气就开始燃烧了，此时该气缸就做负功了，对发动机有严重损害，也会使油耗增加，这种现象叫做爆震。如果点火时间太滞后了呢？ 混合气燃烧的时候活塞早过了上止点了，混合气燃烧后产生的压力就小了，影响效率，同样会费油。所以一般调整发动机点火提前角时，以调整到怠速时有极轻微的爆震为佳。和可变气门技术一样，如今先进的发动机可以根据探测发动机的轻微爆振来动态的调整点火提前角。这样可以保证发动机在不同的转速范围内都有最佳的点火时机。四、发动机健康转速上面说了那么多都没有提到换挡的问题，可能有些读者都看的不耐烦了。别急，我之所以用这么大的篇幅来讲述发动机的基本工作原理和最佳工作状态，就是为了说明这样一个事实： 发动机的最佳工作转速只有一个转速点（没有先进技术的发动机） ，即便是采用了可变气门技术和动态调整点火角的先进发动机也只是扩大了发动机最佳转速区间的范围，而不能让发动机始终工作在最佳转速区间。既然发动机最佳工作转速只有一个点，是不是开车的时候就应该就保持在这个转速上呢？完全不需要！ 虽然发动机的最佳转速区间只有一个点，但和最佳转速区间的工作状态接近或者基本相同的转速范围却是比较广的。 这个发动机运行状态最佳和基本最佳的工作范围就是所谓的发动机的最佳转速区间也可以说是健康转速区间。 开车的时候应当尽量让发动机转速保持在健康转速区间内。这样发动机才燃烧充分，动力才充沛。根据发动机调校和特性的不同，不同发动机的最佳转速区间是不同的，但是可以用一个经验公式来粗略的算出发动机的最佳转速区间：健康转速区间= 最高扭矩转速 x 0.6 最高扭矩转速 x 1.2以普桑的发动机为例，普桑的发动机是很典型的低速发动机，最大扭矩转速 3000 转，那么这台发动机的最佳转速区间大致范围是： 3000*0.63000*1.2 为 18003600 转。在开车的时候应该尽量让发动机保持在这个区间内。 对应的换挡转速要 2000 转以上，换完档后保持发动机转速不低于 1800转。但像爱丽舍这样的高速发动机，应该尽量让发动机保持在 2500 转以上。当然，这只是大概的经验公式，只能算一下大概的范围，公式是死的，人是活的，换挡时机可以根据实际情况灵活掌握。比如一个人，下坡，可以适当提前升档，满员、上坡或者开空调，就要适当延迟升档。 总之就是发动机声音清晰流畅，不发闷，油门响应速度快。汽车生产厂家在设计一款汽车的时候，都是经过充分的计算的，绝对不会把一台动力不够的发动机装到一台车上，很多朋友所谓的某款车动力不足，开车肉，其实不是真正的动力不足，只能说动力储备不足。什么意思呢？ 一些超大大排量的车 2000 转，就能输出 200Nm 的扭矩，轻松带动 1.5 吨的车行驶，这种大排量的车如果发动机转速拉到 4000、5000 转，可以说用动力野蛮来形容，这种车就是动力储备很足的车。那么小排量的车，2000 转可能只有100Nm 不到的扭矩,要推动 1.2 吨或者 1.4 吨的车，当然会动力不足感觉 “肉”，你需要降低档位，将发动机转速拉上来，拉到最高扭矩转速区间，我相信没有一款车会动力不足！ 哪怕是面包车！ 一般来说，1 吨重的车身需要 100Nm左右的扭矩才能比较轻松的驱动，你可以去查看一下你的发动机的工况图曲线，再看看你的车子有多少重量，这样可以定出一个比较合理的行车发动机转速。 这样即可以省油，又不会导致发动机拖档。以新赛欧 1.2 为例，这款车发动机是 16v 的高速发动机，最高扭矩 4400转的时候才出现，最高扭矩 115 牛，而新赛欧的车重才 1020KG，115 牛的扭矩推动 1020KG 的车身虽然不够奔放，但也足够了，但是为什么有人说开新赛欧1.2 动力不够呢？ 查看新赛欧发动机的工况图，2000 转的时候，发动机输出扭矩只有大约 90Nm 多一点 ,推动 1020 的车重，加上车上的驾驶员和乘客，可以说比较勉强，最多刚好够吧。但是你如果像开桑塔纳一样 2000 转就换挡呢？2000 转驱动车子匀速行驶只是勉强够，2000 转换挡，换完档发动机转速降低到 15001800 的区间，这个时候发动机扭矩是多少？ 看工况图！只有80Nm 了，这个时候你还要干踩油门让汽车加速，不是赶着一头瘦骡子拉大车吗？动力能够吗？骡子会累趴下、累死，发动机不会累死，但是会加剧发动机的磨损，增加积碳，使得发动机工作状态越来越差，最后寿命缩短提前报废。 这款发动机转速 2500 转的时候扭矩输出才达到 100Nm 以上的扭矩，对于1020KG 的车身重量才刚刚到达能轻松推动的动力。所以这款发动机就应该3000 转左右换挡，换完档，让发动机转速落到 2500 转左右行车。这样才是正确的开法！开车时间长，不等于会开车，有些老司机，开惯了桑塔纳和老捷达，以为所有的发动机都 2000 转可以换挡，自己不懂得发动机的工作原理，按老经验来开车，车子没动力还怪车子动力不够，经验主义害死人。 类似的车还有爱丽舍，也是高转速发动机，很多司机也按开桑塔纳的方法开，不管发动机的最大扭矩是多少转，一路到底全是 2000 转换挡，甚至还有 1500 转就换挡的，白瞎了这款 16v 的发动机。五、低速换挡的危害和误区首先是环境危害，由于低速换挡的时候缸内压力大，混合气体过浓，混合气燃烧的时候没有经过充分燃烧就排了出来，排出来的废气中还有未燃烧干净的汽油和碳化物，会污染环境。有些司机可能会说，环境污染关我屁事，那好，接下来的危害就关你的事情了。低速换挡最大的危害是加剧发动机的磨损。什么？低速反而会加速磨损？高速反而不加剧磨损了？ 这和大部分人的印象是相反的，这不是瞎扯吗？ 绝对不是瞎扯！ 下面来谈谈低速换挡对加剧发动机磨损的原理：低速换挡时，由于发动机动力不足，缸内气压过高，活塞对曲轴连杆的压力也很高。力的作用是相互的，活塞对曲轴连杆的压力高，曲轴连杆对活塞的压力就高，因为曲轴连杆和活塞是成一定角度的，因此曲轴连杆对活塞的压力分解成一个竖直向上的力，和一个垂直于气缸壁的力，正是这个垂直于气缸壁的力，加剧了气缸的磨损！ 拿一张砂纸，轻轻的按在一块铁板上，快速在铁板上摩擦 1 分钟，再用另一种方法，将砂纸用力按在铁板上，慢速在铁板上摩擦1 分钟，这两种情况哪种对铁板的磨损大？ 高转速换挡就好比第一种情况，虽然磨得快，但由于气缸壁压力低，在发动机设计范围内，不会加剧发动机的磨损，后一种情况就好比低转速换挡，虽然转速慢，但是曲轴连杆会将活塞死死的压在气缸壁上，会加剧发动机的磨损！ 这个结论和很多人想想的不一样吧？确实，如果发动机转速特别高，比如高到红线区域，发动机确实会加剧磨损，但只要转速在健康转速范围内，绝对不会加剧磨损，相反发动机动力充沛，磨损减少，油路气路都很通畅，寿命可以延长。 现在知道为什么有些人发动机开30 万公里不用大修，有些人开 10 来万公里就要开缸大修了吧！ 错误的驾驶习惯是导致发动机寿命缩短的罪魁祸首。有一次我开朋友的 307，我知道 307 是高速发动机，在加速的时候把发动机拉到了 4000 转，发动机“咆哮”了起来，朋友“心疼”不已，说发动机要坏掉云云，还说自己平时很爱护发动机，都没舍得踩到 2500 转以上，一般都是 2000 转就换挡。哎 我也不好说他什么，明明是在害发动机，还以为是爱护发动机。还有一个人，他和我说他的 POLO，他很爱护，从来不舍得让发动机拉高转速，都是 1500 转就换挡了，我问他这样开开了多久了，他说开了 2 万公里，于是我就