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从早期的堆叠缸数，到对燃烧室形状优化，再到对气流的控制，发动机的进化从未停止，但到最后都无法避开“燃烧”这一关键要素，今天我们就来聊聊如何从“燃烧”的角度压榨发动机动力。  首先，我们来看发动机的燃烧特性，由于汽油与柴油存在特性上的差异，同时国内市场以汽油机为主，因此柴油机先按下不表。 汽油机在燃烧过程中分为三个阶段，分别为着火延迟期、速燃期以及缓燃期。着火延迟期为，从火花塞跳火到混合气被引燃形成火焰中心的过程；速燃期是指，从形成火焰中心到气缸压力达到最高点所经历的过程；缓燃期则为，气缸压力最高点到燃烧结束的过程。  其中，速燃期是发动机做功的主要阶段，大部分燃料在这一过程中被引燃，使缸内压力与温度急速上升，推动活塞下行进行做功。速燃期发生越快，越集中于上止点，发动机动力性以及经济性越高。 因此，调高点火提前角有利于提高发动机动力，但在实际使用过程中，受制于混合气末端会在高温、高压下自燃，从而导致工作“粗暴”的现象，点火提前角一般被限制在小于60°的曲轴转角内。 同时，提高压缩比、优化气流通道形状、优化气缸形状及结构，则有助提高气缸内温度、压力以及混合气湍流的脉动速度，起到加快燃烧速度，缩短速燃期的效果。而为发动机加装涡轮增压、机械增压等强制进气装置的目的，也是在于加强缸内气流与压力。  随着科技的发展，喷油方式也为汽油机提高速燃期效率带来了新的技术路径，通过将燃料由浓到稀分布在火花塞与混合气末端之间，配合电控系统精准控制点火时间，实现了更高燃油经济性的稀薄燃烧。 近年来，效率更高的超稀薄燃烧技术也应运而生。刚刚我们提到，混合气末端在高温高压下会发生自燃，这将导致气缸内部除了来自火花塞火核的火焰外，还会新增一团火焰中心，两团火焰传播时的前锋面将产生对撞，撞击产生的冲击波最大速度甚至超过音速，容易致使缸体损坏。这虽是常规发动机工作时的不良现象，却也是超稀薄燃烧技术的突破口。  若使缸内混合气同时产生多个火点，就可以大幅提高气缸内的能量，那么降低燃油量，将爆燃时的能量控制在合理范围内，便可以起到提高热效率的目的，因此就需要通过增加压缩比、提高点火提前角的方式，极力促成混合气自燃现象的产生，但在稀薄的混合气中，仅是如此还不足以创造良好的自燃条件，这还需在活塞运行至上止点附近，当着火延迟期内的气缸压力达到峰值时，再喷入部分油雾使其自燃并传播，达到大幅提升热效率的目的。 在此基础上，研究人员还发展出了预燃烧室技术，通过在燃烧室之外开孔，创造一个狭小的预燃烧室，并将少量燃油喷入其中，形成较浓混合气，再喷入燃烧室中少量燃油，形成稀薄的混合气。 此时，使用火花塞点燃预燃烧室中的混合气，狭窄空间内急速上涨的压力，将使内部的混合气形成多股高温喷射流，喷向燃烧室中，在稀薄的混合气中形成多个火焰中心，并互相传播产生能量进行做功。目前这一技术已经应用于F1赛场以及部分超跑车型中。 写在最后： 尽管动力电池技术正极力取代内燃机的市场地位，但后者的彻底消亡仍然遥远，目前市场还无法脱离对内燃机的依赖，同时二氧化碳制油、碳捕集等技术的出现，再加上内燃机在碳排放控制、燃料经济性以及动力方面不断精进，也令其实际退场时间变得“扑朔迷离”。目前，内燃机技术还在优化发展中，其最终“寿命”或许还要看材料学、电动车储能技术以及相应配套设施等方面的发展速度来决定。 |
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