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學習發動機四行程有什麼用?


So what"s up buddy.

我想你對四衝程的認知一定還停留在吸氣壓縮膨脹排氣這樣的水平上,所以我不打算告訴你燃燒學傳熱學流體力學材料力學理論力學等等等等等都是一些初學者看了直想F**k的天書;我想你也一定不是汽車行業里的人否則作為你吃飯的基礎課你不會問出這樣的問題來;我想你也一定不是學霸,因為接下來我要告訴你的是對於一個簡單的問題要如何進行深入的思考,至於我想說的,暫且放在最後。

我舉的會是比較簡單的例子,絕對不要求你有什麼知識背景(別逗我了求導是中學的課程),簡單存在的事物有太多值得思考的地方,當我們在說四衝程的時候,實際上我們討論的是這個。

四衝程指的是活塞的運動,但實際上它只是表徵這個運動的一個事物,當然這個表徵也是我們設計這個機構想要得到的結果,真正構成這個運動的部件是連桿與曲軸。

是,曲軸的旋轉通過連桿轉換成活塞的往複運動,以一個周期曲軸轉兩圈為計,活塞在每一個時刻的位置是和曲軸轉角phi 相關的一個函數。L為連桿長度,R為曲柄半徑。以吸氣上止點作為0°開始,活塞處於上止點,這個極限位置與曲軸中心的距離S_{0} 為:

S_{0} =L+R

曲軸轉過任意角度phi 以後,連桿與氣缸中心線的夾角eta phi 是存在如下關係的:

sineta =Rcdot sinphi /L

由於eta subset(-90°,90°),coseta =sqrt{ 1-sineta ^{2} } 全部為正。

活塞與曲軸中心的距離S為:

S=Lcdot coseta +Rcdot cosphi

兩者之差就是活塞相對上止點的位移,以上止點為位移零點,就可以得到每個時刻活塞相對上止點的位置P為:

P=S_{0} -S

即:

P=(L+R)-Rcdot cosphi -Lcdot sqrt{frac{1-(Rcdot sinphi )^{2} }{L}}

簡單吧。基本中小學數學。

直觀一點,這裡選一個樣例,連桿長為 140.2mm,曲柄半徑為39.25mm,壓縮比10.2 (一會用)。

做成圖,就是這個樣子,活塞就是這樣運動的,衝程長度等於兩倍曲柄半徑,是不是。

你是否想過活塞在氣缸里的速度大概是怎麼樣的一個數量級?求個導就能滿足你。假設轉速6000rpm就會得到這張圖。

速度繼續對時間求導就能得到加速度。你看,畫成這樣的波形,你很快就能明白它實際上就是一個簡諧運動。是不是覺得波形有點傾斜,你猜對了。

我在另一個答案里描述過這個現象。

各個氣缸里活塞處於不同衝程,受到氣體壓力不同,但是都受到曲軸旋轉的約束,在這個約束的作用下每對活塞的往複慣性力是相同的,運動速度也相同。可是一對活塞向下運動時,另一對活塞是向上的,而活塞的加速度與速度在一個衝程內的上半行程、下半行程時並不對稱。如下面兩張圖,分別是某1.6L汽油機在3000rpm,2bar時的活塞運動速度、加速度。

可以看到,四個缸形成兩組,每組的加速度、速度是重合的,但上半行程的加速度更大、速度也更大,也就是說,其中一對活塞從上止點往下走到1/2處時,另一對活塞往上走還沒走到1/2,但之後兩者運動關係反過來。所以同一個時刻,兩組活塞的位置並非上下對稱,加速度也不同,這種因為向上向下運動差異造成的振動,就是二階慣性力的效果。

引用的部分已經貼出來加速度,就不重複了。

如果你考慮上活塞的質量,你就能得到往複慣性力,如果你繼續往下想,你就能得到各種力與力矩的關係,假如你開始計劃描述兩缸機、或者四缸機里,好幾個活塞同時運動的狀態,這個問題會變得更加複雜,你可能會明白為什麼點火順序必須是這樣,為什麼會有平衡重,軸系的扭轉振動是什麼,等等等等。

我想你起碼需要一疊草稿紙。

我們來試試看別的。

活塞銷(連桿與活塞的連接點)在氣缸內運動的軸線,很多時候是不與氣缸軸線重疊在一起的,會偏置一個距離,這樣活塞的運動會變成什麼樣?

推導一樣很簡單,就當是課後小作業吧,當然我覺得你不會去做。

圖裡偏差很小體現不出來區別,我就直接說了。

在以上參數的基礎上偏置8mm,行程會延長1.4mm左右,上止點會比沒偏置的機構晚2.5°,當然這裡是以曲軸零轉角來對比的,我們要的其實是活塞的運動,以活塞上止點作零點的話,對整個系統的正時並沒有別的影響,而行程與壓縮比則是可以設計的。

為什麼要這樣做?

活塞在越過上止點的時候,連桿會由氣缸軸線的一側越到另一側,對活塞側向力的方向會發生改變,活塞和氣缸之間存在間隙,比如原來是將活塞緊貼在氣缸左側,上止點後會變成緊壓在氣缸右側,如此就可能會有不該有的聲響。

偏置會改善這個效果,為什麼?你可以自己畫圖思考一下。

還有什麼更有意思的呢。

有一種機構是這樣的,連桿大頭與曲軸中間的軸瓦,變成了一個偏心套,偏心量是固定的,但可以通過一套齒輪進行驅動改變其偏心角,效果是使連桿大頭的圓心與曲軸軸心發生了偏置。

這意味著前面的推導需要多考慮一個偏心量e,不上過程了哈,只是給大家看看而已。

偏心量為3mm的時候,會有下面的效果,當時做這張圖是考慮GT-Power里的習慣,選擇了燃燒上止點為零點。連桿大頭與曲軸之間的偏心改變了衝程長度,而且實現的是四個衝程不等長,這意味著四個衝程內的壓縮比都可以調節,而且可以不一樣。

阿特金森和米勒循環膨脹比大於壓縮比的效果在這裡都可以實現,也一樣可以把10.2的壓縮比調到12、13以上,你可能覺得不現實這麼大的壓縮比不早爆震了嘛。

低轉速大負荷時它使用的是小壓縮比,在不容易爆震的區間,壓縮比可以適當調大。

所以熱效率提高了,節油就有了唄,當然這種機構問題也很多,不多談了。

到這裡我覺得說的很遠,應該說回來了。

親愛的胖友,不知道你是否是一個還沒見過世界有多大尚未有機會出去走走不明白學以致用意義的中學生。

在我還小的時候,我聽過很多人說過學習英語幹什麼反之又不出國,學習數學幹什麼反之我買菜又不要用二元一次方程求解,學習語文幹什麼我本身就是一個中國人。

甚至到今天,類似的言論不絕於耳。

但當時覺得自己不可能出國的人我不知道有多少已經繞了大半個地球,當時覺得xyz兩三個未知數就折磨得死去活來的人我想基本上都見證了這十多年來科技對生活的影響儘管仍然不明白微積分ODE線代等等對這些科技的意義,當時覺得語文政治是最沒有意義的學科的人,在各種門戶論壇平台乃至於生活里你都可以看到聽到他們對這個世界幼稚的認知。

我也不知道你是否是一個已經見過高山但沒曾想過往上爬學了那麼多好像都有用可是覺得電動車好酷好炫發動機是個什麼玩意學了還能幹啥的大學生。

也許你多翻翻一些科普書籍,對此會了解的更深刻,哦胖友我指的絕對不是一些小學生科普,時間簡史果殼中的宇宙即便暢銷了這麼多年但我知道大多讀過的人對個中問題仍然一知半解,我指的是這種正兒八經想要把高深學問普及給智商平均線上下我們這樣的眾人不求世人能夠理解這個世界起碼能夠自覺遠離巫婆農藥跳大神的科普書籍。

你會發現它們喜歡以時間的發展順序來告訴你一切,偶爾還會八卦一下幾個科學家。
當然我明白真正的教科書會把所有的內容整合成幾大塊這樣更容易達到深入淺出的效果不過,人類的發展史上,都是依賴著先有的認知在前行。你會明白先達到Level1你才看到Level2的緣故。

我當然相信終有一日人類對能源的態度會有極大的改觀,生活方式會發生極大的變化,發動機會完全成為被翻過的一頁歷史,但沒有人可以逾越它卻能對相關方面進行更多的推動。何況這些今天看起來極其科幻的世界,並不發生在此時此刻。

如果你不信,讓我們回顧一下Engineer的詞根。

好了,現在讓我告訴你,截止2015年4月26日為止(哦不我絕對不會把這時間往後推了說不定明天我們就知道新世紀的牛頓愛迪生是誰了呢)作為人類史上應用最經典的機械,它是你兒時的一道應用題,它是你課程里的一道案例,也許也是你未來一窺門中秘密的途徑,你不一定用的上,但它可以幫助你理清很多問題、很多學科的頭緒。你應該也看到了,如果你願意去深入,你可以借四衝程去了解最基礎的機械運動原理,進而可以明白數學、物理的實用意義,我希望你不會再提一個學習數學、物理有什麼意義的問題。

親愛的胖友,你是否明白我要表達的舉一反三。

如果你對任何事物都能保持足夠的好奇心,你很快就會成為最好的那一部分人之一。


世界上99%的內燃機都是4衝程發動機,你說重要不重要?


畢竟單缸機不常見,當缸數增加了之後,你再想想吧~


高票的答案講的很好,但是太多公式了,不是很好理解。我用比較簡單的語言來解答吧。

題主的問題非常大,四衝程是無數汽車工程師努力的結晶,其背後的理論知識我照著書本念都要很長時間。所以,我盡量簡單的介紹下,保證題主能懂。

首先,發動機是一種熱機,熱機的核心是將熱能轉換為機械能,發動機正是通過四衝程的工作循環實現了熱能和機械能的轉變。對於熱機而言,有一個非常重要的指標叫做熱效率,熱效率越高意味著更高的動力性和更低的油耗。具體工作循環的理論分析和如何提高熱效率,請參考熱工學。。。。

還有,發動機是要生產製造出來的,比如說氣缸,這是發動機四衝程的工作地點,直接承受混合氣的爆炸,工作條件惡劣,性能要求、加工要求非常高,那麼如何選擇材料?如何選擇加工工藝?具體請參考工程材料,金屬工藝學,發動機製造工藝等等。

另外,四衝程需要非常多的控制系統才能實現,比如,何時點火?何時噴油?噴多少油?等等。發展到現在,這些控制系統基本都是電控,那麼電控是如何實現的?具體請參考電子電工,數電模電,電路學,汽車電控原理與應用等等。

很高興題主能提出汽車相關的問題,想必有很多對汽車感興趣的人都想了解下汽車的原理,但苦於沒有系統的知識儲備,所以對汽車基本沒有深入的理解,所以才會問這樣的問題。

其實這很正常,畢竟術業有專攻,汽車是一門很深的學問,哪怕汽車專業的本科、研究生、博士甚至是教授都很難拍胸脯說,他能掌握有關汽車的全部知識,因為汽車隨便一方面領域的研究都是非常複雜的,正是這些不斷的理論研究才使得汽車性能不斷提升。

所以,對於題主和廣大汽車愛好者們,我建議你們看看汽車理論和汽車構造,這是汽車專業的核心課程,難度相比於一些專業基礎課程小,而且網上有非常多的資料可以參考,不需要太多的專業背景知識也能看懂。話又說回來,幹嘛要看這些書?如果你感興趣,又肯下功夫,弄懂肯定沒問題,更重要的是,掌握了這些理論知識你就可以將這些知識作用到駕駛、保養、維修、選購車型等等方面,可以說你比一般的人更懂車,更了解車,但是更深入的知識恐怕沒有系統性的高等專業教育是很難掌握的,不過這也已經綽綽有餘了。怎麼樣?有沒有很心動?心動不如行動!

其實,我說的這麼多東西,我也不是全懂,畢竟學海無涯。所以對於題主和廣大汽車愛好者而言,看看那兩本專業書,能弄懂其中的理論知識就絕對足夠了,很多的汽車問題都能得到解答的。

歡迎討論!!!


如果大家都不學,現在馬路上還是馬車和牛車。


衝程都寫不對的確定不是初三學熱機的小朋友么…


至少你得知道活塞運動是怎麼回事吧。


怎麼說呢?其實學習漢語拼音也沒什麼用


其實學文言文也不重要,你又不和死人說話對吧?其實學數學也不重要,你買菜又不用到函數對吧?其實學英語也不重要,你又不打算出國對吧?其實學物理也不重要,你又不當物理學家對吧?其實學化學也不重要,你又不當化學家對吧?其實學歷史也不重要,你又不在乎古代人幹了啥對吧?其實學地理也不重要,你又不打算知道地球是啥樣的對吧?其實學政治也不重要,你又不打算從政對吧?其實學生物也不重要,我知道人類啥樣動物啥樣幹嘛對吧。其實一切都不重要。中國學的東西都不重要,還不如放你回家打LOL,CF或者去打球對吧?

那麼我問你一個問題,什麼都不學,你以後能幹什麼,乞丐嗎?


汽車構造那麼厚一本書,嗯,接近400頁了,第20頁就講,你說他基本不基本?汽車的心臟是發動機,而發動機的核心是氣缸。圍繞著這個四衝程工作過程,可以延伸出燃料燃燒,氣門配合,潤滑,冷卻,以及發動機自身構造等等一系列問題。


哈哈,至少在我們航模界,四衝程發動機才是高玩的象徵,兩沖那是新手玩的。


大型船用柴油機是二衝程的


發動機的核心功能是把化學能轉換為動能

動能需要傳導到車輪上,所以直線運動需要轉換為圓周運動,參考書(什麼叫曲軸?)

為了讓曲軸運動,至少需要兩個不同時間輸出的動能,參考書(一拉一拽就轉圈)所以兩缸出現了

為了轉的均勻,需要無數個缸,工程師憤怒了

最後四缸出現了,因為它是最經濟的可以使曲軸轉的最均勻的方案

有錢用六缸的自動忽略最後一句


貌似內燃機幾個衝程分別是幹什麼的,別說學內燃機專業了,連高中物理都是必修了吧。。。


題主初中生吧


主要目的是不掛科 要畢業啊朋友


看了樓上的回答。還真是,題主難道不知道你所謂的行程叫做衝程嗎? 我記得發動機這玩意兒是在初中物理里學的。(要不就是高中,記不清了。)也許題主沒好好學,或者是還沒學到。 那麼問題來了。題主到底是再問學習發動機的四個衝程有什麼用呢?還是學習四衝程發動機有什麼用呢?

學習發動機的四個衝程有什麼用?

這是發動機的原理好不好。至於有什麼用,當然是會讓你了解發動機的工作原理等等等等。還有摩托車上的雙缸發動機,好像還有六缸的。咳咳,最基本的原理我知道,類似於高中水平的知識。畢竟我是學化工的!!

學習四衝程發動機有什麼用?

這玩意兒是汽車的核心啊。沒發動機就跟自行車賽的了。我估計你不是汽車行業的,不然不會問這種問題。至於有什麼用,買車的時候看發動機各種參數做個參考啊等等。當然,你要是學生,應付考試。(為我的機智點贊吧,哈哈)


氣缸越多,轉速越接近勻速。


不掛科嗎?


了解發動機工作的基本原理


知乎怎麼這麼多「學這個有什麼用,學那個有什麼用的問題?」

在此統一回答。

可以保證考試拿到這麼幾分

對於以後不學相關專業的人,就這個用了。

然而,對於生在中國的你,這還不夠嗎?????????????


樓上說有用的。你們造發動機嗎。


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