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為什么氣缸是圓的不是方的?

瀏覽次數:2937 發布日期:2020-01-16

前兩天,有一位不知名網友問我,為什么發動機的氣缸是圓的不是方的?

Eva:哈哈哈哈

網友:明明發動機外觀是個矩形啊。

我一聽就笑了,發自內心的嘲笑,這個網友莫不是在跟我開玩笑呢?

Eva:發動機氣缸當然是圓的啦!

網友:是吼?所以為什么呢?





當時我突然發現,原來我從來沒有去思考過一個看起來這么理所當然的問題,于是當下靈機一動,想到了一個非常機智的答案化解了這場尷尬的危機。





從某些角度來看,氣缸就是方的呀?縱向截面難道不是方的嗎?而且活塞是圓的,匹配不了方形氣缸


雖然逃過了這次危機

但是在這件事過了以后,我還是一直被這個問題困擾著,吃飯、上廁所、洗碗、睡覺、刷微博、刷b站都不自然地在思考一個問題:為什么會有這么無聊的人問這種無聊問題……畢竟這個回答并不完美,甚至還有點蠢。


這事兒這就像跟別人吵架,事后才想起來應該怎么懟回去。



后來在我翻閱了材料學、發動機原理、工業制造學、初中物理、初中數學、熱力學以及幾篇論文以后,我結合自己的理解,總結了四個答案,這四個答案也可以充足地證明氣缸完全沒有使用方形的理由。


制造


首先是在制造方面的工藝和成本限制,眾所周知,缸體、缸蓋等發動機的很多零部件其實很多都是發動機廠家在外面買的,但是在進入到工廠的時候,它們都只是一塊粗糙的、但是已經有形狀的鐵塊,就跟我們買的毛坯房一樣的意思,房子建好了,就差裝修了。





這時候工廠就需要通過各種手段和方式將這個氣缸裝修好,甚至在打磨時還要強調一下氣缸內部的那些不易發現的技術細節,試想,這個時候如果是個方形的氣缸的話,會需要一個面一個面地去打磨,而且還有四個直角需要打磨,所以很難將方形缸體加工達到適合的精度。


當然也不是不行,但是這個成本是非常昂貴的,我相信你不會愿意為這個原因多花一筆錢的。


減少摩擦損失


然后是方形的活塞會有更大的摩擦損失。

摩擦損失是什么?

氣缸內的摩擦損失就是活塞與缸壁之間摩擦產生的阻力,這個阻力會對混合氣燃燒產生的能量造成浪費。

熱能的損失就會導致做工階段用于推動活塞的能量少了,從而降低發動機效率。


那為什么是方形比圓形的摩擦損失大呢?

眾所周知(初中學過的),圓形是同等面積中周長最短的形狀,而柱狀體的體積等于底面積乘以高度。也就是說,同樣的排量的發動機,同樣體積的氣缸,方形的氣缸的周長會比圓柱形的氣缸周長要長,也就是說長方體的側面積比圓柱的側面積更大,這就帶來一個問題了,方形的氣缸配上方形的活塞,會比同樣排量的圓形的氣缸和圓形的活塞有更大的摩擦面。





由于摩擦損失是活塞環與發動機缸體之間的接觸而產生的,所以說如果氣缸側面積越大,需要克服的摩擦力就越大,那么輸出到曲柄上的動力會越少,從而使發動機效率降低,所以為了降低摩擦損失,氣缸不會用方形的。


簡單點來說就是,摩擦的表面積越小,摩擦損失最少,所以圓形氣缸和活塞的所帶來的摩擦損失是小于方形大于圓形的,所以選擇圓柱形活塞可最大程度地減少活塞環和缸壁之間的表面接觸。


密封性與膨脹


活塞與氣缸之間其實并不是兩個面之間直接接觸的,它們之間還有一個非常重要的部件——活塞環,活塞環是氣缸里的重要的密封性零件,他可以防止活塞上下兩腔相互竄氣。





因為圓形的活塞沒有角,壓力會在整個氣缸上均勻分布,在高壓的情況能確?;钊h以相等的壓力壓向氣缸,保證氣缸與活塞的密封性。


活塞環會在發動機工作的時候膨脹,因為是圓形,膨脹的時候依然會保持圓形,但如果是方形的活塞環在受熱膨脹時,你可以想象一下,一個方形膨脹以后會是什么樣子,方形的四個邊會受到壓力膨脹,然后四邊可能會彎曲變形,導致活塞環與氣缸壁之間抱死。



最后是應力集中


好,就算你說制造成本可以解決、摩擦損失可以通過材料和工藝減少、密封性可以通過特殊設計的活塞環或者除了活塞環以外的方案解決,但是方形截面氣缸的應力集中問題就是這個問題的終結了,應力集中可以說是方形橫截面氣缸最大的硬傷,因為它會很快地損壞發動機。





方形截面的氣缸中,因為方形存在尖角的原因,會存在非常大的應力集中,而圓形截面的氣缸每個位置的受力是均勻的,所以應力也是相等的,也就不存在應力集中。


在同樣的材料條件下,方形的氣缸疲勞極限比圓形截面的氣缸強度更低,也就是更容易裂開什么的。

所以發動機的氣缸通過使用無折角的形狀來避免這種應力集中,例如圓柱形。






其實最后的答案可以非常簡單,人類研究圓形氣缸的發動機研究了上百年,當然也沒必要因為誰的突發奇想把氣缸改成方形,雖然很早之前發動機汽缸也出現過橢圓形的,例如本田的一臺賽用摩托—— NR500,當然還有轉子發動機這種異類,但是到了今天,因為對成本和可靠性等的追求,人們最終選擇了圓形氣缸。


發動機經過了上百年發展至今,人類通過自己的努力和智慧將量產民用發動機最高熱效率從很低很低提升到了今天的41%,甚至實驗室里和賽道上還有更高的數字,是的,發動機會在未來變得更加高效,這種機械的神秘和美麗是無可取代的。


愿圓形橫截面氣缸的發動機不老,也愿我們青春不逝。


標簽:  氣缸 新能源汽車
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