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为什么气缸是圆的不是方的?

浏览次数:2518 发布日期:2020-01-16

前两天,有一位不知名网友问我,为什么发动机的气缸是圆的不是方的?

Eva:哈哈哈哈

网友:明明发动机外观是个矩形啊。

我一听就笑了,发自内心的嘲笑,这个网友莫不是在跟我开玩笑呢?

Eva:发动机气缸当然是圆的啦!

网友:是吼?所以为什么呢?





当时我突然发现,原来我从来没有去思考过一个看起来这么理所当然的问题,于是当下灵机一动,想到了一个非常机智的答案化解了这场尴尬的危机。





从某些角度来看,气缸就是方的呀?纵向截面难道不是方的吗?而且活塞是圆的,匹配不了方形气缸


虽然逃过了这次危机

但是在这件事过了以后,我还是一直被这个问题困扰着,吃饭、上厕所、洗碗、睡觉、刷微博、刷b站都不自然地在思考一个问题:为什么会有这么无聊的人问这种无聊问题……毕竟这个回答并不完美,甚至还有点蠢。


这事儿这就像跟别人吵架,事后才想起来应该怎么怼回去。



后来在我翻阅了材料学、发动机原理、工业制造学、初中物理、初中数学、热力学以及几篇论文以后,我结合自己的理解,总结了四个答案,这四个答案也可以充足地证明气缸完全没有使用方形的理由。


制造


首先是在制造方面的工艺和成本限制,众所周知,缸体、缸盖等发动机的很多零部件其实很多都是发动机厂家在外面买的,但是在进入到工厂的时候,它们都只是一块粗糙的、但是已经有形状的铁块,就跟我们买的毛坯房一样的意思,房子建好了,就差装修了。





这时候工厂就需要通过各种手段和方式将这个气缸装修好,甚至在打磨时还要强调一下气缸内部的那些不易发现的技术细节,试想,这个时候如果是个方形的气缸的话,会需要一个面一个面地去打磨,而且还有四个直角需要打磨,所以很难将方形缸体加工达到适合的精度。


当然也不是不行,但是这个成本是非常昂贵的,我相信你不会愿意为这个原因多花一笔钱的。


减少摩擦损失


然后是方形的活塞会有更大的摩擦损失。

摩擦损失是什么?

气缸内的摩擦损失就是活塞与缸壁之间摩擦产生的阻力,这个阻力会对混合气燃烧产生的能量造成浪费。

热能的损失就会导致做工阶段用于推动活塞的能量少了,从而降低发动机效率。


那为什么是方形比圆形的摩擦损失大呢?

众所周知(初中学过的),圆形是同等面积中周长最短的形状,而柱状体的体积等于底面积乘以高度。也就是说,同样的排量的发动机,同样体积的气缸,方形的气缸的周长会比圆柱形的气缸周长要长,也就是说长方体的侧面积比圆柱的侧面积更大,这就带来一个问题了,方形的气缸配上方形的活塞,会比同样排量的圆形的气缸和圆形的活塞有更大的摩擦面。





由于摩擦损失是活塞环与发动机缸体之间的接触而产生的,所以说如果气缸侧面积越大,需要克服的摩擦力就越大,那么输出到曲柄上的动力会越少,从而使发动机效率降低,所以为了降低摩擦损失,气缸不会用方形的。


简单点来说就是,摩擦的表面积越小,摩擦损失最少,所以圆形气缸和活塞的所带来的摩擦损失是小于方形大于圆形的,所以选择圆柱形活塞可最大程度地减少活塞环和缸壁之间的表面接触。


密封性与膨胀


活塞与气缸之间其实并不是两个面之间直接接触的,它们之间还有一个非常重要的部件——活塞环,活塞环是气缸里的重要的密封性零件,他可以防止活塞上下两腔相互窜气。





因为圆形的活塞没有角,压力会在整个气缸上均匀分布,在高压的情况能确保活塞环以相等的压力压向气缸,保证气缸与活塞的密封性。


活塞环会在发动机工作的时候膨胀,因为是圆形,膨胀的时候依然会保持圆形,但如果是方形的活塞环在受热膨胀时,你可以想象一下,一个方形膨胀以后会是什么样子,方形的四个边会受到压力膨胀,然后四边可能会弯曲变形,导致活塞环与气缸壁之间抱死。



最后是应力集中


好,就算你说制造成本可以解决、摩擦损失可以通过材料和工艺减少、密封性可以通过特殊设计的活塞环或者除了活塞环以外的方案解决,但是方形截面气缸的应力集中问题就是这个问题的终结了,应力集中可以说是方形横截面气缸最大的硬伤,因为它会很快地损坏发动机。





方形截面的气缸中,因为方形存在尖角的原因,会存在非常大的应力集中,而圆形截面的气缸每个位置的受力是均匀的,所以应力也是相等的,也就不存在应力集中。


在同样的材料条件下,方形的气缸疲劳极限比圆形截面的气缸强度更低,也就是更容易裂开什么的。

所以发动机的气缸通过使用无折角的形状来避免这种应力集中,例如圆柱形。






其实最后的答案可以非常简单,人类研究圆形气缸的发动机研究了上百年,当然也没必要因为谁的突发奇想把气缸改成方形,虽然很早之前发动机汽缸也出现过椭圆形的,例如本田的一台赛用摩托—— NR500,当然还有转子发动机这种异类,但是到了今天,因为对成本和可靠性等的追求,人们最终选择了圆形气缸。


发动机经过了上百年发展至今,人类通过自己的努力和智慧将量产民用发动机最高热效率从很低很低提升到了今天的41%,甚至实验室里和赛道上还有更高的数字,是的,发动机会在未来变得更加高效,这种机械的神秘和美丽是无可取代的。


愿圆形横截面气缸的发动机不老,也愿我们青春不逝。


标签:  气缸 新能源汽车
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