透视汽车会“跑”的奥秘
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01 汽车动力的来源

发动机是汽车重要的部件,在节油等条件下,发动机需满足小型、轻量化等要求。铝合金制气缸、可变/多气门等设计,都旨在提高燃料燃烧效率,以便达到节油、环保的目的。

可靠性、耐用性、安全性,以及舒适性也作为发动机设计需要考量的要素,低振动、低噪声也是发动机开发中需要关注的重要问题。另外,近年来空气质量问题备受重视,这也对发动机的设计提出了新的要求。

▲丰田D-4T发动机

车轮转动让汽车跑起来,而让车轮转动的动力来源于发动机。

在发动机内部的内燃机中,空气和燃料组成的混合气体从进气门进入气缸,并在气缸内燃烧、膨胀,推动活塞上下运动,燃烧后的气体从排气门排出,接着新的混合气体进入气缸,燃烧、膨胀、排出,进行新一轮运动。这样反复进行,推动活塞进行上下往复运动。

常见的汽车发动机有汽油发动机、柴油发动机。随着科技的进步,也出现了采用车载大容量电池作为动力源的汽车、混合动力汽车及燃料电池汽车。

汽油动力汽车

▲活塞发动机

汽油发动机可分为两种类型:一种是常见的活塞式发动机,它利用燃烧热能使活塞做往复运动,带动驱动轴转动车轮;另一种是转子发动机,不使用活塞结构,直接利用热能转动驱动轴。以上两种发动机均为内燃机。

▲转子发动机

内燃机的原理

活塞发动机是最典型的内燃机。燃料和空气组成的混合气体在气缸内燃烧、膨胀,推动活塞做功。

柴油动力汽车

柴油发动机也是内燃机的一种,它的结构与汽油发动机相似。柴油发动机通过压缩产生的高压及高温,点燃气化燃料,因此柴油发动机没有火花塞点火的过程。

▲柴油发动机

柴油发动机具备扭矩大、省油等优点。相比汽油而言,柴油燃点低,不易气化。由于压燃点火的方式会产生较大爆发力,因此柴油发动机的结构必须坚固,这也导致了柴油发动机的成本比汽油发动机高。虽然柴油发动机的燃烧率较高,但柴油燃烧会产生较多悬浮微粒、PM2.5物质、氮氧化合物等,污染较严重。

近年来,随着废气再循环、微粒滤清器等技术的应用,大大降低了柴油发动机的废气污染,但也增加了制造成本。目前,我国柴油发动机常配置在货车、客车上,家用汽车很少使用。

外燃机

汽车通常采用内燃机,相对内燃机的燃烧方式而言,我们把在气缸外燃烧加热的动力装置叫作外燃机。外燃机的燃料是在气缸外燃烧,并对气缸内的水进行加热,产生蒸汽,最后将水汽化后产生的膨胀力转化为动力。

由于外燃机只是单纯地将水加热,因此煤炭、石油等任何可燃物都能作为燃料使用。蒸汽火车是采用外燃机为动力的典型代表。但外燃机存在污染大、热效率低、结构厚重等缺点,现在基本不存在采用外燃机为动力的交通工具了。

▲蒸汽火车

外燃机的原理

外燃机与内燃机的原理相同,都是将热能转化为动能。不同的是:外燃机的热源来自气缸外部。

电动汽车

进入21世纪,电动汽车逐渐发展起来。电动汽车通过车载大容量电池为电动机提供动力来源。由于不存在燃烧过程,因此电动汽车具备无废气排出、电动机噪声极小、环保等优点。

▲特斯拉电动汽车

▲特斯拉电动汽车后轮轴上的电动机

电动机的能量转换

电动机不仅能将电池的电能转化为动能,而且能利用产生的动能来发电。

混合动力汽车

混合动力汽车是指采用发动机和电动机等多个驱动系统的汽车。混合动力汽车可根据不同的行驶状况,选择是每个驱动系统单独工作还是共同提供动力。混合动力系统具备内燃发动机工作时间长、动力好的优点,也具备电动机环保、低噪声等优点。

▲丰田“普锐斯”混合动力汽车

燃料电池汽车

燃料电池汽车采用燃料电池作为动力来源。燃料电池是将燃料的化学能直接转变为电能的发电装置,具体是利用氧与氢发生化学反应,生成水、热能,以及电能,并利用其中的电能带动电动机运转。

▲丰田“未来”燃料电池汽车

多种多样的车型

多样的车型能满足不同群体的需求。常见的两厢车、三厢车满足了大多数人的需求。而近年来,迎合年轻人喜好的SUV也十分常见。MPV则是提供给家庭用户和商务用户使用。丰富的车型反映了人们对汽车需求的多样性。

▲两厢车

▲三厢车

▲SUV(Sport Utility Vehicle:运动型多用途汽车)

▲MPV(Multi Purpose Vehicle:多用途汽车)