摩托车之“心”（上）--蒸汽机和内燃机

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欢迎访问e展厅 展厅 5 摩托车/自行车展厅 沙滩摩托车, 电动自行车, 折叠自行车, ... 在精彩纷呈的摩托车世界，发动机无疑是极有魅力的话题。汽油发动机和柴油发动机哪个更有优势？选购二冲程发动机的摩托车好还是四冲程发动机的摩托车好？5气门发动机比4气门发动机先进吗？汽缸布局除了常见单缸、V形双缸、并列四缸之外还有哪些方式？杜卡迪Desmo气门机构的发动机和本田VTEC气门机构的发动机区别在哪里？摩托车发动机的排量能够大到多少？……一系列有趣的话题，掰着指头数也数不完。这次，我们就一起来聊聊发动机的故事吧！ 采用蒸汽机作动力的摩托车 人人皆知的瓦特在1768年研制出了第一台带有冷凝器、热效率更高的近代蒸汽机，因此被人们誉为“蒸气机的发明人”。这项技术被广泛应用到很多行业，在摩托车领域，也应用了这种动力，那是一百多年前的故事了。 1894年的罗帕赛车 车身：1894年哥伦比亚高车架自行车 发动机：燃煤锅炉蒸汽机 最高速度：超过64km/h 质量：68kg 这辆摩托车和很多早期的摩托车一样，就是自行车上搭载一个动力装置，车的主人73岁的西尔维斯特•罗帕（Sylvester Poper），为了证明车的实力，参加了波士顿本地的自行车赛。一进赛场，年轻自行车手都笑了：一位白发苍苍的可爱老头，驾驶这辆造型奇怪的车，来到这年轻小伙子们扬威逞强的舞台。要知道参加查尔斯河公园三分之一英里环形赛道的追逐是十分艰苦的。 在赛场上，罗帕的怪车有着出色的表现，所有赛手都意识到，这个老头可不是来凑热闹的。1896年6月1日，罗帕跑完3圈，耗时仅为2分钟多一点，平均速度达到48公里/时！然后他试图跑得更快，因为此前一周他做练习时，车的平均速度达到过64公里/时！ 令人感伤的是这个故事以悲剧结束。在比赛过程中，名次靠前的罗帕赛车（用主人的名字命名）前轮开始剧烈抖动。突然，偏转了方向，然后冲入赛道旁的沙堆，在众人的惊呼声中老头从车上摔了下来。所有的人都冲了上去要帮助这位可敬的老头，但是他躺在赛车下一动不动，人们发现他早停止了呼吸。当医生为其作了全面检查之后，发现罗帕先生竟然早在自行车偏离赛道之前就已经死亡。 如今，这辆搭载了蒸汽发动机的赛车被收藏于美国的摩托车名人堂博物馆，让人们悼念缅怀这位可敬可爱的老头和这辆前所未有的蒸汽摩托车。 产生于18世纪的英国蒸汽机，普遍存在着体积庞大、热效率不高的缺陷。因此，人们不断努力，试图发明更高效的动力装置，这就是后来的汽油发动机、柴油发动机，它们统称为内燃机。 集大成者━━内燃机 最常见的发动机都属于活塞往复式内燃机。常说的四冲程发动机和二冲程发动机都是这种发动机，在其内部都有柱状活塞上下运动。此外，还有另一类发动机，就是比较少见的转子发动机，又称汪克尔发动机。下面我们一一介绍。 四冲程发动机 1862年，法人德•罗沙提出了四冲程内燃机工作原理。这个工作原理提出了取得最高效率和最佳经济性能所需要的条件：点火前要高压；燃气要迅速膨胀，达到最大膨胀比等。也还提出了实现这些条件的具体步骤，这就是把活塞运动分作四个冲程：活塞下移，进燃气；活塞上移，压缩燃气；点火，气体迅速燃烧膨胀，活塞下移做功；活塞上移排出废气。这就是进气━压缩━做功━排气四个冲程。1876年，德国人奥托根据德•罗沙的四冲程内燃机工作原理，设计制造了第一台四冲程汽油内燃机，热效率达到14%，后来又提高到20%以上。这项技术被认为是“自瓦特以来在动力方面取得的最大成就”。 令人吃惊的是，1886年奥托作出声明：取消自己获得的四冲程内燃机的专利。奥托为什么做出这样的决定呢？原来，一个偶然的机会，他看到了法国工程师罗沙提出的较完整的四冲程内燃机原理，出于对别人的尊重，他毅然决定放弃已获10年之久的专利权。奥托的高尚品德赢得了人们的高度赞誉。同时，人们认为虽然是罗沙较早地阐述了四冲程内燃机的原理，但是第一个研制出这种内燃机的人却是奥托，因此仍然把四冲程循环称为“奥托循环原理”，把现代汽油发动机称为奥托发动机，奥托也被尊称为“四冲程内燃机发明人”。根据奥托提出了内燃机的四冲程理论，1886年，德国人戴姆勒和卡尔•本茨各自研制出装备具有现代意义的汽油发动机的汽车，从而为汽车、摩托车的发展铺平了道路。 车坛“常青树”：雅马哈单缸SR400 雅马哈的SR系列（含SR400和SR500）从1973年开始面市，截至2002年总共销售了107000辆，由此可见其受欢迎的程度，且至今畅销不衰，可谓是“车坛长青树”。这台机器到底有什么魅力能够在日新月异的车坛中立足呢？在2003年SR400的新闻发布会上，雅马哈新闻发言人这样叙述她的魅力：“长期热销，源于它简单的风冷单缸发动机及其富于激情的表现”。是的，这款机器最鲜明的特征就在于朴素简单且忠实可靠，那台风冷、SOHC 2气门的单缸发动机，采用脚踏反冲启动，最大功率只有区区20千瓦，最大扭矩还不到30牛米，但却凭借简单、可靠的特点，始终能够在大浪淘沙的车坛站稳阵脚！ 二冲程发动机 二冲程发动机的概念产生于19世纪中期。1900年8月20日，法国人科尔梅里率先发明了世界上第一辆二冲程摩托车，并在巴黎申请了发明专利。1901年，法国另一名发动机制造商莱昂•科多尼埃为他的伊克西翁牌发动机注册登记，申请了专利证。这种发动机的问世，标志着二冲程摩托车生产的开始。同时，英国人阿尔弗德•A•斯科特正致力于世界上第一台双缸二冲程发动机的研制工作。20世纪30年代，德国DKW公司的研究工作取得了重大的进展，施努勒于1932年获得废气扫除技术的专利，这标志着二冲程摩托车真正达到了成熟阶段。 与四冲程发动机相比，二冲程发动机的优势是：不需要复杂气门机构，因此发动机体积小、结构简单、重量轻，制造维修方便；曲柄旋转360°即完成一个工作循环，而四冲程发动机曲柄旋转720°才完成一个工作循环，因此理论上在相同的曲轴转速和相同排气量的情况下，二冲程发动机功率比四冲程发动机高一倍，扣除扫气等因素造成的功率损失后，实际输出功率仍比四冲程发动机高50%~70%。因此，曾经在摩托车最高级别的大奖赛GP500中，风头最劲的都是二冲程赛车，比如本田NSR500、雅马哈YZR500等。 但是二冲程发动机的不足也很明显；由于二冲程发动机的润滑油参与燃烧，无论混合润滑方式还是分离润滑方式，润滑效果都不如四冲程到家，因此工作环境恶劣、零部件磨损量较大，一般来说二冲程发动机的寿命只有四种程发动机寿命的1/3~1/2。此外，由于二冲程发动机低转速时排气不充分、扫气不完全，以及参与燃烧的润滑油很难充分燃烧，这些均导致废气中碳氢化合物含量剧增，远远高于四种程摩托车。这在目前环保呼声至上的环境中是致命的缺陷，正因为如此，2002年国际摩联修改了GP大奖赛的比赛规则，以MotoGP取代GP500，曾经不可一世的二冲程赛车退出了这项最高级别的比赛，取而代之的是清一色的四冲程战车，如雅马哈YZR-M1、铃木GSR-V等。二冲程摩托车在市场上同样日趋势微，目前只有少部分厂家继续生产小排量的二冲程摩托车，如西班牙德比生产的“红子弹”GPR 125 Racing。 “红弹子”GPR 125 Racing 正如西班牙斗牛一样，德比摩托车流淌的汽油里，天生含斗牛士的血液因子，具有很强的好斗性，被业界和车迷们赠以“红色子弹”（Red Bullet）之美名。GPR 125 Racing秉承了德比纯正的赛道血统，虽然武装的水冷二冲程发动机排量只有124.76毫升，但是采用了高达12.5比1的压缩比，再融入发动机泄气阀等德比多年来征战GP的赛道技术，性能极为出色。由于市场版本的GPR 125 Racing对发动机转速做出限定，因此峰值动力受到了限制，尽管如此突破130公里/时的速度仍然轻而易举。 转子发动机 奥托发动机属于往复式活塞发动机。但是还有一种知名度很高、但应用很少的汽油发动机，即三角活塞旋转式发动机，又称为汪克尔转子发动机。它采用三角转子旋转运动来改变三个汽缸的体积，进而完成四个工作循环，与传统的活塞往复式发动机的直线运动不同，由德国人汪克尔于1957年发明。日本马自达公司对此很感兴趣，买下了转子发动机技术并装在汽车，可谓“生在德国，长在日本”。 转子发动机缸体内部空间被分成三个工作室，转子转动时这些工作室的空间也在变化，依次在特别形状的缸体内的不同位置完成进气、压缩、做功和排气四个过程。与往复式活塞发动机相比，转子发动机具有独特优势：无曲柄连杆和配气机构，取消了旋转直线运动，可将三角活塞的旋转运动直接传递出去，因此零件数比往复活塞式发动机少40%，质量轻、体积小；由于转子和轴之间的转速比被限定为1比3，因此当转子的速度只有1000转/分时，发动机转速为3000转/分，适合设计出高转速、大功率、长寿命的动力装置；消除了往复式发动机的活塞振动和气门机构的机械噪声，运行时震动小，噪声低。但是，由于从生产装配到维护修理，转子发动机都与传统的发动机大不一样，开发成本大，加上往复式活塞发动机在功率、质量、排放、能耗等方面都比过去有了显著提高，转子发动机并没有显出明显的优势，因此没能得到广泛的运用。 铃木配置转子发动机的RE5 Rotary 1973年铃木在东京摩托车展会上推出一辆令人吃惊的摩托车RE5 Rotary。正如命名所示，铃木为RE5 Rotary配置了一台转子发动机，排量为497毫升，在16500转每分时达到最大功率为46千瓦，在13500转每分时达到最大扭矩为74牛米。由于转子发动机取消了奥托发动机的往复式活塞，因此具有运转平滑、功率强大特点，而且噪声极低、几乎没有震动，就像一台电动机。上世纪70年代早期很多厂家都看好优势明显的转子发动机，尝试使用转子发动机作为动力装置，并且推出了一些原型，但是真正将转子发动机投入到量产型摩托车上的只有铃木一家。 RE5 Rotary是铃木当时技术含量最高的旗舰车型，铃木对此寄予厚望，投入了很多研发资金，甚至专门为转子发动机建造了全新的装配线。遗憾的是，尽管铃木挖空心思，但是骑手并不买账，购买RE5 Rotary的骑手并不多。也许骑手们对于转子发动机感到很陌生，也许是转子发动机较高的油耗吓跑了他们。到了1976年，RE5 Rotary的销售仍然没有起色，铃木不得不忍痛割爱，转子发动机项目于1977年无疾而终。 柴油发动机 大家知道，柴油机的英文单词是Diesel（狄塞尔），但你知道这是德国工程师的名字吗？1892年，狄塞尔根据定压热功循环原理，研制出压燃式柴油机，并取得了制造这种发动机的专利权。1897年，狄塞尔推出了完全领先压缩着火的柴油机，它的结构比汽油机简单，柴油比汽油更便宜，热效率达到26%。为了纪念狄塞尔，人们把柴油发动机命名为Diesel（狄塞尔）。 柴油机的最大特点是省油，热效率高，高扭矩，长寿命，但是也存在着笨重，工作不够稳定等缺陷。随着材料、技术、制造工艺的发展，柴油机的这些缺陷已经逐步得到克服，一些厂家甚至将柴油发动机作为摩托车的动力装置。比如荷兰双星公司（Star Twin）设计制造“雷星”柴油机摩托车“雷星”（Thunder Star 1200TDI）。“雷星”的动力装置是大众“路波”轿车的三缸柴油发动机，排量为1200毫升，采用了涡轮增压直接喷射技术（TDI）。由于采用了涡轮增压直喷技术，柴油颗粒可在汽缸内形成螺旋状的混合气，空气和燃油混合得更为充分，燃烧更加理想，因此在提高功率的同时还降低了油耗和排放污染。“雷星”的柴油发动机可在转速为4500转每分时输出60千瓦的功率和224牛米的扭矩，如果调整发动机管理系统，则可将功率提升到90千瓦，而扭矩更是达到令人咋舌的339牛米，相当于雅马哈YZF-R1的3倍！更令人吃惊的是，“雷星”的柴油发动机经济油耗令人难以置信，虽然排量达到1200毫升，但是跑完100公里的油耗不到2升。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (12/15/2007)