2.4.1 废气的处理
关于发动机的结构,我们已经了解了它吸入并压缩混合气体、用火花塞引燃并使其燃烧膨胀,以及活塞会产生数吨的力等。
下面我将讲解最后的排气行程。我将解释如何处理混合气体燃烧后遗留在气缸中的气体残余这一问题。
物体燃烧会产生烟,汽油发动机也同样会在燃烧汽油后留下煤烟。如果不把这些煤烟排出气缸,就无法开始新一轮的燃烧。我们把煤烟称为废烟气(简称废气)*3,把从气缸中排出废气称为排气。
*3 我们经常听到的“废气气体”和“废烟气”是一个意思。但是废气的气是指气体,气体也是指气体,因此废气气体这个说法造成了词的重复,是不正确的。
因空气和汽油的混合气体燃烧膨胀,活塞降至下止点,随即开始上升,推动气缸中的煤烟排出缸外。这时,排气阀处于开启状态。
从排气阀中排出的废气途经整个排气通道(图2.13)。废气经过气缸盖上的排气道,沿着发动机外的排气管排放到大气中。排气管上安装了汽车尾气净化器和消音器。汽车尾气净化器是通过化学反应净化废气中的有害物质,消音器用于减小混合气体燃烧产生的噪声。这样一来,废气就能清洁、安静地从排气管的出口排出了。
图2.13 始于发动机的排气通道
※经由汽车尾气净化器和消音器排出废气
2.4.2 用贵金属净化废气
负责净化发动机排放出废气的是汽车尾气净化器,其内部被分隔为细小的格子,格子表面涂有白金、钯和铑等贵金属。这些贵金属充当了催化剂的作用(图2.14)。
图2.14 汽车尾气净化器的剖面图
※废气的通道上涂有催化剂
那么,什么是催化剂呢?其实不用想得那么复杂,只要理解成会对对方产生影响的东西就可以了。这就像在人际圈中,总有一些让人见了就高兴,能影响别人的人。遇见这样的人,我们会觉得自己也变开朗了。对废气而言,贵金属催化剂就具有这种改变气体性质的影响力。
排气量
排气量是表示发动机大小的指标,是指活塞上止点到下止点间的容积,也就等于气缸所能吸入的混合气体的量。
活塞升至上止点时,仅留有极狭小的空间,我们称其为燃烧室。燃烧室的容积和排气量的比,就是压缩比。排气量决定进气量,进气量表示被燃烧的混合气体的量,也就标示着发动机所能产生的动力。排气量不仅代表气缸的容积,还是显示发动机性能好坏的指标,即能够表示发动机能生成多大的动力。通过比较排气量和发动机所产生的马力*4,就能了解发动机性能的优劣。
*4 在第三章中我会详细介绍马力这一概念。
比如,一台排气量为1000cc的发动机能够产生100马力,我们就说它的性能相当好。但也有排气量为1000cc的发动机只能产生80或90马力。这样的性能差异是由混合气体的燃烧效率决定的,而混合气体的燃烧效率又因压缩比的大小、燃烧室内形状的好坏以及带动进排气阀开闭的凸轮的不同而不同。
1000cc是1升,因此“升-100马力”也就成为衡量发动机性能优劣的一个标准。
废气中的氮氧化合物、一氧化碳和烃等有害物质一接触到催化剂,就会促成下列化学反应。
2NOX(氮氧化合物)→O2(氧)+N2(氮):还原反应
2CO(一氧化碳)+O2(氧)→2CO2(二氧化碳):氧化反应
4HC(烃)+10O2(氧)→4CO2(二氧化碳)+2H2O(水):氧化反应
贵金属
白金即铂,与首饰中所用的铂是同一种。钯可以用于制作银牙,铑可用于白金等首饰的着色和保护。由于都是稀有金属,价格自然就很高。汽车废气的净化就使用了这些贵金属。
使用一种催化剂可以进行还原和氧化两种反应。通过还原反应,氮氧化合物分解为氧和氮,实现了无害化。一氧化碳和烃经过氧化反应生成二氧化碳和水,实现了无害化。实现氮氧化合物、一氧化碳和烃等有害气体的无害化,被称为三元催化。
如同人有好恶一样,用作催化剂的贵金属也有好用和不好用之分。白金对一氧化碳(CO)有效,钯对烃有效,而铑对氮氧化合物有效。这些催化剂用于汽车尾气净化器中,依次实现有害气体的无害化。
2.4.3 废气既不能过热也不能过冷
让我们再回到净化废气这一话题。为了使汽车尾气净化器更好地实现废气无害化,需要在一定程度上提高废气温度。由于进行化学反应需要高温,因此废气的温度要达到600℃~800℃。废气在进入汽车尾气净化器时要保持这个温度。
在本章讲引燃的部分,我提到:混合气体在发动机内燃烧时,气体温度会达到几千℃。因此需要先将其冷却至600℃~800℃后才能送入汽车尾气净化器。从几千℃降至600℃~800℃,是发动机将热量转化为曲轴的旋转运动的结果。
按理来讲,发动机的效率越高,废气的温度就会越低。最理想的发动机效率是可以将废气冷却至与发动机吸入的空气相同的温度。这时我们可以认为发动机将热量全部转化为了曲轴的旋转,即效率为100%。效率越高,油耗当然就越低。
但是,就像之前所说的那样,废气温度过低时,汽车尾气净化器就不能很好地净化废气中的有害物质。因此,常常要用检测氧的氧传感器测定废气中残留的氧浓度,从而推算出废气的温度。如果残留的氧浓度很高,就意味着混合气体中的汽油没有充分燃烧,也就说明废气的温度很低。因此,可以通过电脑减少或增加混合气体中汽油的含量。
请好好思考一下。油耗越低,废气温度也就越低,废气就无法得到充分净化。想要净化废气就要使废气保持高温,但这样一来发动机效率就会降低,油耗也会增加。也就是说,油耗越低,废气的净化程度越低。要实现两者的均衡是相当困难的。
2.4.4 降低油耗的稀薄燃烧
有一种技术不仅能够调节汽油浓度,还能在汽油含量低的情况下实现充分燃烧,并能保持废气温度,使汽车尾气净化器正常工作。它就是稀薄燃烧。
所谓稀薄燃烧,不同于之前所说的将汽油和空气均匀混合制成混合气体的方法。它只是在作为点火源的火花塞周围提高汽油浓度使燃烧易于进行,而在其余地方降低汽油浓度,是一种特殊的混合和燃烧方法。我们已经了解到理想的空燃比是14.7:1,但为了降低油耗,需要做到即使增加空气使空燃比达到40:1时,混合气体也能燃烧。
然而,空气和汽油均匀混合后混合气体的理想比率仍为14.7:1,这一点无法改变。那么如果按照40:1的空燃比均匀混合汽油和空气,通常会因汽油过于稀薄而无法燃烧。因此,稀薄燃烧就致力于只提高火花塞周围的混合气体浓度。
主要有两种方法可以实现这一目标。第一,增加混合气体的旋涡强度。这需要利用电脑模拟分析燃烧,将活塞头部设计成凹陷较为复杂的特殊形状。第二,聚集并引燃火花塞周围汽油浓度较高的混合气体。这就要利用传感器和电脑对混合气体进行仔细管理。此外,直喷中通过直接向气缸内进行燃料喷射也易于在火花塞附近聚集汽油。
在“阀门开启,混合气体进入气缸”小节中(p.58),我讲到将混合气体均匀混合时会更容易燃烧,因此可以形成旋涡充分混合混合气体。但这是针对空气和汽油混合的理想比率是14.7:1的情况。在这里,混合气体中汽油的含量变低,相反地就能利用旋涡生成一小部分浓度较高的混合气体,汽油和空气的比率在这部分混合气体中达到理想状态。即控制旋涡,将收集到的部分汽油集中到火花塞附近。
考虑到发动机对环境的影响,比起降低油耗,更应该优先净化废气以防止大气污染。因此,随着汽车数量的激增,全世界都在寻求既能降低油耗又能减少导致全球变暖的温室气体——二氧化碳(CO2)排放量的良策。这样一来,作为降低油耗的技术之一的稀薄燃烧也就应运而生了。
2.4.5 设置消音器迷宫,减小噪声
经过汽车尾气净化器后,废气会进入消音器,在这里,废气的噪声将被减小。
声音与空气密切相关。例如敲鼓时,鼓面的振动带动空气振动,从而发出声音。声音的本质就是空气振动的能量。刮风时风会发出“呼呼”的咆哮声,且风越大咆哮声越大。这是因为风迅速穿过时会强烈振动空气。
废气流速快,带动空气强烈振动,就会产生音量很大的噪声。这样看来,如果废气高速穿过排气管、引起强烈振动就会产生大音量噪声的话,降低速度就可以减小噪声。
消音器正是利用了这一原理(图2.15)。消音器的筒状外壳由金属制成,比从发动机导出废气的排气管粗很多。废气从狭窄的排气管突然进入宽大的消音器,速度就会降低。
上图是将废气通道设计成迷宫的方法,下图是使用具有消音效果的玻璃棉的方法。
我先解释一下为什么管道变粗速度就会下降。你可以联想一下吐气。比起缩拢嘴唇呼气,张大嘴吐气时气流的强度是不是就会减弱?相反,气流通过狭窄空间时速度就会加快。例如穿过楼群之间的风强度就很大,而经过宽阔的场所时速度就会减慢。
并且,消音器的内部结构如同迷宫一样。废气被迷宫阻拦,不得不突然改变前进方向,这样一来速度又会减慢。废气在消音器中多次被迫改变前进方向,速度不断下降,强度不断减弱,这样就减轻了振动,减小了噪音。
但是,由于迷宫过于复杂,不断袭来的强势废气就会逐渐堆积,形成阻塞,使得发动机排气不畅。因此,设计出既有适当的迷宫减小噪声,又能保证发动机顺利排出的消音器,就成为消音器设计者们竞争的焦点。
有一种方法是利用具有吸音效果的玻璃棉,既能使废气流动顺畅,又能增强消音效果(图2.15下)。顾名思义,玻璃棉就是由玻璃纤维制成的棉状的材料,具有耐热性。在废气途经的管道上留出小孔,管道周围填充进玻璃棉。就像风穿过树林时树叶会沙沙作响一样,废气经过玻璃棉纤维时速度就会减慢。
但是,很多废气不是从排气管管壁上的小孔渗透到填充有玻璃棉的排气管外的,而是径直穿过排气管,直接排入空气中。因此,比起所有废气都会经过消音器内迷宫的方法,这一方法的消音效果要差一些。但这也是不可避免的。
一方面,有人认为废气的声音很好听。但另一方面,也有人觉得废气排出不畅时发出的声音沉闷刺耳。如果能够消除这种沉闷声,就可以改善废气的音色,即使音量很大听起来也不会那么刺耳。但即便如此,如果不把音量控制在96 dB(分贝)以下,就无法通过车检。
调整废气噪音的音量有迷宫和玻璃棉两种方法。运动消音器使用价格昂贵的玻璃棉,应用于高价高配的跑车中。高级汽车的噪音能否更小,跑车的声音能否更加悦耳,都要倚仗消音器设计者的本领了。