汽油机低转速换挡的危害分析(汽车构造小论文).docVIP

汽油机低转速换挡的危害分析摘 要：基于日常生活中大众的开车习惯和发动机的基本原理，分析了几种发动机换挡的最佳转速，并从油耗，经济性，发动机损坏的角度出发，分析了低速换挡的危害。关键词：发动机 换挡 转速中图分类号： 文献标志码：A 文章编号：Abstract：Based on the publics driving habits in daily life and the basic principle of engine, analyzes several shift the best engine speed, fuel consumption, and from economy, the perspective of engine damage, analyses the harm of low speed shift.Key words：engine shift rotate speed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，所以凭着自己对汽车发动机的理解做一些分析。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。 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，低速发动机充气效率高，当发动机转速上升时，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。 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？增大缸径，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，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。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、发动机健康转速以上的分析为了说明：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，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。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。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。而且低速换挡最大的危害是加剧发动机的磨损。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！低速换挡的另外一个危害是发动机积碳，导致发动机性能降低。这个危害估计知道的人比较多，不多讲了，积碳可以拉高速消除一些，也可以通过清洗发动机来清除(打吊瓶)。但要记住，发动机的磨损是不可逆的，一旦因为错误的驾驶习惯使发动机严重磨损了，只能通过大修，换活塞环等方法解决，有时候甚至需要镗缸来解决，而镗过缸的发动机，就算维修技术再高寿命也没多少了，基本宣判了这个发动机即将退役。低速换挡还有一个危害：费油！费钱！ 这个也是和大部分人的认知相反的，因为我说的这个费油是长期来看费油，短期来看，也许低速换挡确实可以省那么一点点油。 长期的低速换挡导致气缸磨损，导致气缸密封性降低，从而使发动机燃油经济性降低。 我看到过一个人开1.3排量的发动机，第一年油耗不到7升，开了4年多以后，油耗到了百公里13L！ 因为他长期低速换挡拖档开车导致了发动机严重磨损。最后只好通过大修发动机，换活塞环解决。这发动机一大修就是几千块，再加上后2年多烧的油耗，前2年省下的油钱全搭进去还远远不够！以私家车一年开2万公里为例，一辆1.6排量的小排量车，根据经验，20