毫無用處的汽車知識篇7:汽車吃喝的特殊技巧
2020年05月23日08:27

汽車發動機作為一個內燃機,需要燃料和氧化劑,相當於吃空氣喝汽油。下面這期就講一下發動機的吃喝的一些早期技術。

吃:無鉛汽油篇

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無鉛汽油,對於現在新生代的年輕人來說,可能有點陌生了。事實上我國在2000年才開始全面禁止生產含鉛汽油。在全球來說,雖然從50年代開始就有科學家意識到了含鉛汽油的危害,但是迫於整個汽車工業轉型的難度,直到80,90,00年各國才開始紛紛停止含鉛汽油的使用。

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這個故事要從19世紀初開始。1889年一位叫做托馬斯米基利的天才誕生了,當然他可能是混亂邪惡那波的。這哥們一路天才的上了康奈爾大學的機械專業,畢業之後去了通用汽車研究所工作,也就是非常著名的戴頓實驗室。

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米基利到了之後的一個重要任務,就是解決汽油機爆震的問題。關於爆震,辛烷值,等等概念這裏就不詳細解釋了,你可以理解為汽油裡面並不是單一的成分,有的成分容易燒有的成分不容易燒,於是有些易燃成分就會在不該燃的時候燃燒,或者燃燒非常劇烈,超越汽車的衝程,導致死火,敲缸,爆缸等等危險現象的發生。(早燃如早泄啊,太慘了)

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於是天降大任的米基利開始挨個元素先試一下,畢竟他是一個不懂化學的機械生,經過幾年的嚐試還真讓他試出來了,他發現重元素在抗爆震方面有顯著的優勢,這其中又以鉛最為廉價。最終他找到了一個絕妙的成分,四乙基鉛,添加量只要0.1%就可以達到非常非常顯著的抗爆震性能(大約相當於現在的110號了),同時鉛還可以潤滑氣缸壁和增加閥座密封性能,簡直一舉兩得,至於汙染嘛,死道友不死貧道,不管了。

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於是杜邦,通用,美孚三家就聯合起來開始生產含鉛汽油,其抗爆震性,和隨之而來的發動機性能增益,再加上只說乙基不說鉛的迷惑性宣傳,讓米基利走上了人生巔峰,汽車行業的巨星,乙基公司的副總。

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當然,因為對鉛汙染的無知,四乙基鉛的工廠相繼發生了工人中毒死亡事故。此時已經被捆綁在駛向毒害全人類的列車上的米基利毅然決然的召開了發佈會安撫群眾,並當眾在手上倒了一點四乙基鉛深吸1分鍾證明其安全性。當然故事的結果可想而知,腦筋很直吸真貨的米基利為此付出了搶救一年才康複的代價。

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在含鉛汽油和汽車製造廠以及石油製造廠捆綁在一起以後,再也沒有勢力可以反對米基利了,於是他又轉行進行了另一項化學發明:氟利昂。四乙基鉛導致了現代人身體鉛含量比古代高近2000倍,導致了五六十年代美國大量鉛中毒兒童的出現,氟利昂導致了臭氧層空洞等一系列環境問題,所以這樣來看托馬斯米基利可能是現代以來地球最大的敵人了。

最終,這位混亂邪惡的反派發明家思域1944年,身患脊髓灰質炎的他為了讓自己在床上依然有行動力,發明了一套複雜的滑輪系統,最終他死於被自己的發明鋼索繞頸。

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雖然米基利死了,同時50年代已經有科學家發現鉛汙染的問題,但是含鉛汽油在美國直到1975年才開始全面退出市場。汽油爆震問題其實早已可以通過對汽油深加工進行解決,也有了更加安全的抗爆震劑(只是貴),但是鉛帶來的潤滑效果反而成為阻止其退出市場的絆腳石,直到現在一些五六十年代的老車修復,還需要進行unleaded fuel conversion,主要為增加硬化閥座,視情況增加缸套等。當然,在我國不存在這樣的問題,畢竟你也找不到一輛需要燒有鉛汽油的老爺車了。

吃:化油器

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對於現在的年輕人來說,化油器同樣是一個很陌生的詞。現代汽車,電噴,多點電噴,缸內直噴,各種噴,都是很標準的配置,然而在汽車發展的早期年代,甚至還沒有電子管,純機械的噴油結構成為了唯一的選擇。

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化油器的目的,主要是為了匹配發動機不同工況的空氣量和噴油量,早期(1900年)的汽車發動機甚至怠速都要到將近2000轉,就是因為沒有合理的怠速加濃系統,這些在化油器出現之後都得到瞭解決。

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化油器原理其實很簡單,一個伯努利方程,一個文丘里管就可以解釋清楚。然而,作為統治了汽車供油系統近百年的產品,他也發展出了複雜的結構和分類,比如按吸氣方式分有上吸下吸側吸,節氣門有旋轉式升降式CV式,系統又分主油系,怠速系,加速系,啟動系等等,所有和油相關的功能都被以粗暴的機械方式集成在這麼一個小小的元件上。

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通過純粹機械的方式對發動機各個不同工況下燃油消耗的不同需求進行補償,同時又要均勻的混合燃油和空氣,這感覺看起來比電噴那種給電就噴舒服多了。同樣機械系統的反應速度比早期的電噴系統也要來的更快更直接。

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化油器的巔峰應該屬於霍利化油器,這一高性能化油器伴隨著50年代美國汽車文化崛起,hot rod風靡而出現,另一方面也相當於汽車後市場形成的一個開端,如果你能遇到一個生於40年代以後的美國男人,可以跟他聊聊holley carburetor,哪個男孩不想給自己的車裝一個?

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以今天的眼光來看化油器的設計也可以說得上精妙,巧妙的用空氣作為載體,氣缸的真空作為動力,穩定,高效,重量低,可調整,滿足發動機各種工況,而這還是在那個尺規作圖的年代實現的,也沒有電腦模擬,真是令人敬佩,

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看過速度與激情應該都看過這樣的機艙,三個空濾下面黃色的就是化油器,這個型號是一化油器供2缸的。

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現在一些非常極限或者非常復古的汽車比賽還會看到很炫酷的化油器改裝件,頗有一種多鉚蒸鋼的感覺。

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當然,化油器也是有缺點的,這也是為什麼化油器最終被電噴取代的原因,不餓能滿足燃油經濟性是一方面,還有一個問題是實在不好調。大大小小的調整螺絲好幾個,牽一髮而動全身,多缸機器還要同步調整,加速和怠速也要均衡,一個調不好就打不著火,浮筒室油多了要往外抽油少了還要往里加,如合調整和維護化油器如果放大學里開一門48課時的課估計都講不完。不過那種調好了的成就感,怕是現代人再也感受不到了。

喝:渦輪增壓&機械增壓

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說起來,其實機械增壓比渦輪增壓的應用要早很多。

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早在1921年奔馳的車型就配備了這一技術。奔馳車後面常見到的kompssor字樣就是機械增壓的意思。

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常見的機械增壓分為魯特式,羅茨螺杆式,渦輪式三種。

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目前常會用的是這種roots式,這種最初是用於礦用通風的,後來戴姆勒(就是戴姆勒奔馳的那個創始人)首次將他用在了汽車商。魯特式採用對轉的兩個凸緣轉子向發動機內強製通氣。

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因為魯特式吸氣並不是連續的(間隔極短)但是重量大,噪音大,曲軸功率損耗大,一般用於大型車輛,肌肉車,美式傻快上面。

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羅茨增壓器原理和魯特式其實差不多,只不過羅茨增壓有連需要所的特性,所以增壓效果更好,但是雙螺杆加工難度很大,可以說是非常高端的增壓方式。當然,呼呼作響的增壓聲也是跑不了的。

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最後是這種比較安靜的離心式增壓器,看起來很像一個渦輪增壓,只不過渦輪增壓是由廢棄驅動的,這種是皮帶輪帶動一組增速齒輪驅動葉輪增壓的。

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然後我們再來看渦輪增壓,渦輪增壓晚4年應用於內燃機上,是在1925年,不過因為渦輪遲滯,體機,爆震,發熱等各種各樣問題,直到50年代末才首次搭載在汽車上。

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雪佛蘭的Corvair Monza 和Oldsmobile 的Jetfire應該是最早搭載渦輪增壓的量產汽車,但是在大排量自吸,和巨大型魯特式機械增壓統治的美國一直不溫不火。直到73年石油危機和77年的潔淨空氣法案才讓可以提高燃油效率減少排放的渦輪流行起來。

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渦輪和機增的主要區別在於,渦輪使用的能量是尾氣廢熱,而器械增壓的動力直接來源於曲軸,這導致兩種系統產生兩個極端,即渦輪有“渦輪延遲"效應,在高轉速特別給力,低轉速提不起幹勁,而機械增壓在高轉速增壓效率反而變低。

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所以對於全速域方式的探索,導致了一些奇葩發動機的出現,比如大眾EA211 1.4 r4 16v tsi,這台發動機將渦輪和機增結合到了一起。(好吧大眾發動機編號太亂了,總之就是高爾夫5代gt上那一台)

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這台發動機非常神奇的結合了渦輪增壓和機械增壓,高轉渦輪低轉機增,1.4的機器能有125kw的功率,在當時看來(2005年)也是很驕傲的成績了。

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在如此緊湊的一台機器上,繼承了渦輪,機增,雙冷卻回路,vvt+vvl,可變機增比等等先進技術,在當時來看真是很炫技的行為。可惜現在已經沒人這樣玩了。

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為什麼呢?因為無論從慳錢方面還是花錢方面來說,都有了新的技術。比如很花錢的這種vgt,可變幾何渦輪,目前在保時捷,柯尼塞格上面都有用,主要是博格華納,Garrett。三菱和皮爾博格貌似現在也做了但是好像沒有裝車欸。

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便宜一點的方法,現在主要有電子渦輪:廢氣供給不穩定,老子用電不就得了?以前因為沒有這麼大功率高轉速的電機,而且耐久也不行,一直沒推廣起來,現在已經開始用了。雙渦輪:一大一小,小的低轉速起壓,大的高轉速打雞血。單渦輪雙渦管:降低低轉速進氣阻力,間少排氣干涉。

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當然還有更雞血的辦法,比如增加偏時點火,在收油或者過彎時ecu指令噴過量的油導致排氣系統中有不充分燃燒的油,於是燃燒在排氣系統中產生,推動渦輪保持高轉速,這樣低速增壓的問題就解決了。

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當然,排放什麼的咱就不管了(僅賽用)。

喝:N2O

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NOS如同打雞血,如同嗑藥,可以讓腳男重振雄風,猛男金槍不倒。那麼它是怎麼做到的呢。

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首先NOS系統打進去的不是氮氣,是一氧化二氮。一氧化二氮打進發動機中會帶來兩個好處,一個是氧氣濃度提高了(從空氣21%變成N2O的33%),可以燃燒更多的燃料,變相相當於提高了發動機的排量。同時N2O分解會吸熱,提高發動機冷卻。

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所以正確的叫法應該是氮氧加速,而不是氮氣加速。這種加速方法最初是holley(就是前面那個做化油器的)為直線加速賽發明的,無論原理,效果,還是耐久度,都和嗑藥一樣。一般最多工作個實際二十秒,多了輕則爆缸重則起火汽車報廢。順便一提,據我所知大部分國家都是不允許NOS改裝車上路的,無論是禁止改裝,還是禁止NOS改裝,還是禁止銷售使用N2O,但是英國反而是允許使用的。只要你和保險公司商量好。。。

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以上就是本期介紹的技術了,為了讓發動機的性能更強一點,熱效率更高一點,百年來汽車人進行了無數努利,有成功的路線,也有放棄的技術,還有自尋死路的邪惡天才,正式這一點點的積累,甚至0.01%的積累,讓汽油發動機的熱效率突破了40%,一步步向50%邁進,他們在熱效率,性能,經濟性,耐久性之間進行著艱難的平衡,而反觀國內主機廠,依然停留在抄作業的階段,至今沒有任何一項原創性技術路線被提出來,反而還要嘲諷“現在還有人研究汽油機?我要電動彎道超車了”。看這個gif,你們知道我要說什麼對吧?

既然如此,那我們來一起研究一個熱效率極高的汽油充電寶吧

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