活塞往复的长短冲程对功率与扭力的作用分别在哪里?

呵呵，我很迷茫。因为给您回答上次的题我就是很迷茫，对于这方面的问题，我也不太懂啦，恕我愚昧，只是想给您一些意见，供您参考。

先从最基本的观念开始。一般我们所习称的扭力并非力的单位，而是指做功的能力，这就有点像理解功率的概念一样，从字面上笼统地来看，Kgm正是指将1公斤重的物体举高1公尺的能力，由于这是力矩的一种，所以称其为扭力其实是有些不妥的。

功率是单位时间做功的能力-可以近似地想象成“维持速度的能力”；扭力是“加速”的能力。需要维持高速，就需要大马力，需要快加速，就需要大扭力。

活塞，它由一个活塞杆和曲轴相联，过程如下：
1．活塞在顶部开始，进气阀打开，活塞往下运动，吸入油气混合气。
2．活塞往顶部运动来压缩油气混合气，使得爆炸更有威力。
3．当活塞到达顶部时，火花塞放出火花来点燃油气混合气，爆炸使得活塞再次向下运动。
4．活塞到达底部，排气阀打开，活塞往上运动，尾气从汽缸由排气管排出。
注意：内燃机最终产生的运动是转动的，活塞的直线往复运动最终由曲轴转化为转动，这样才能驱动汽车轮胎。

我个人觉得，其实扭力和功率在某些程度上讲它们的含义还是有相似性的，所以具体到您问得问题，我也不知道是否准确。F1赛车的特点就是缸数多，所以相对排气量大。但您应该知道，现在虽然国际汽联规定使用V8引擎替换V10引擎（因为V8引擎体积小，重量轻，功率小）所以理论上说会限制F1的速度，提高F1的安全性，这也是国际汽联坚持换引擎的主要原因。但实际上呢？实际感觉换了V8以后车速并没有比V10慢,而且还有比V10快的趋势,这是怎么回事? 我觉得V8比V10重量轻，体积小，马力重量比有所减小，就是说推动赛车每公斤的重量所需的马力减少了，就好比您说的“扭力”不大，但因为赛车下压力并没有减小，所以过弯还是能很快，做功的能力并没有减小。而且要知道今年的空力套件比去年更加先进，这点和普通的货车是没法比的。载重货车如果是多气门发动机，高压缩比，又或者加装涡轮增压器及机械增压器等，都可以令排气量小的发动机，拥有大扭力。

我们知道一级方程式赛车要求引擎排气量在为3000cc以内，所以每缸的排气量约300cc。计算一下，一级方程式赛车引擎的每缸排气量比一般汽车中2000cc六缸引擎的每缸排气量要小，而重量和一般汽车中1600cc四缸引擎差不多都在120kg左右。

看来一级方程式赛车的引擎也没什么了不起。但注意：在一般汽车中最高级的跑车的引擎转速为8000转而一级方程式赛车引擎的转速在16000转。吃惊了吧！为什么，一级方程式赛车的引擎转速能达到如此高的做功能力呢？最大的理由在于采用了被称为“气动阀门（pneumatic valve）”的阀门系统技术。该系统用在压缩机内被加压的空气代替金属的阀门弹簧，由此而实现高转速下不会发生阀门松动 （valve surging）。这就是为什么大部分普通轿车的发动机，每分钟最大转速约为6000转左右。但F1赛车的转速，可达每分钟18000转，其活塞加速比子弹还快。 http://img212.photo.163.com/lavighe/27778354/710752904.jpg

还有就是为了最大限度提高发动机性能,所有的f1车队都建造了设备完善的发动机试验室。大多数F1赛季的发动机都是铝合金缸体,但也有的采用镁合金.缸盖无一例外地都采用铝合金,曲轴是锻钢制成的.所有这些看上去似乎和普通轿车没有多大差别,但真正的差别还在一些细节方面.比如发动机的连杆采用了非常昂贵的钛合金,这是一种制造火箭和飞船的材料.为了进一步减少热量损失,发动机的活塞顶,气门底部和燃烧室的内表面都是"镀"了一层陶瓷材料。顺便说说F1赛车的油耗.这种最高车速超过340km/h的赛车,百公里平均油耗是60-70升,而这些汽油的辛烷值都在100以上,每升价格高达10美元.国产90#无铅汽油是约2.7元人民币.

不知道您有没有听过这句话：就是两部车在性能上的高低可以直接从原厂数据看出个所以然，关键判断方法就在于“加速拼扭力、极速看马力”。如果这个说法成立的话，那各个试车报告的测试不是多余的吗？

我们提到，扭矩（力）是做功的能力，而马力是单位时间内所能做的功的大小。我们现在以这句话为基础来作一个讨论，假设在任何条件相同的理想状况下，如果A车的扭矩比B车的扭矩大，那很明显的就是A车的加速会比B车快。同理假设两台车在全力奔驰的时候所需要保持的驱动力F都是一样的，然后A车的功率也远比B车来的大，我们最后得到的结果一定是在相同时间内A车所跑的距离一定会比B车来的远，也就是说A车的最高速一定比B车来的高。这样说来，马力高低已经决定了A、B两车极速高低。事实上不然，因为前述的实验里，除了A、B两车的引擎输出不同之外，其他的变因是完全相同的，但是在真实世界里面，这是不可能存在的事情，变速系统变速比的影响、动力损耗、车重、风阻，其中变速系统的影响什至于不会低于引擎输出的差异，齿轮比的高低设定、挡位与挡位之间的衔接落差，绝对可以决定一部车子的速度表现，没有两部车会完全一样，所以，存在于两部车性能上的差异绝对不是只看表面数据就可以判定的。

f1引擎的设计：
引擎设计者的目的在于，当引擎运作中排气阀门开启的期间产生排气回压，并从进气阀门强制导入，并让这种作用重覆运作；这种设计概念是为了让排气系统的共振在特定转速域产生，并利用排气回压的循环节奏更改排气阀门作动的周期效率，由于每一个汽缸产生的波动之间相互作用，结合两个或更多的汽缸排出的气体，便能通过压力的推挤加强转速的发挥。
而且，排气方向从多来源至末端结合成单一束管，这可以促使这种作用更紧密的结合并在排气管尾端发挥强大的共振效益。
同时，设计者亦考虑衡量到选择导入长度以形成另一次共振，它也能与排气系统相互作用。
当两个以上的汽缸排气进入排气管时，燃烧的顺序就变得很重要，V10引擎的顺序在排气系统调节上，排气共振与扭力之间必须在曲轴上寻求妥协与平衡
排气管的长度决定排气频率，较短的排气管排气效率更快更频繁。由于引擎转速每年不断的上升，排气管为了配合引擎的性能表现，近年来其长度也有骤减的趋势，为了达到"尽可能"的理想排气效率，必须比较和计算一些很不同的元素。
像是排气及进气的比率几何因素、阀门时间、废气温度与速度、转速等所有的影响与曲线数据，经由这些特性最佳的掌握才能够对每一次的排气过程发挥最佳效益，因而诞生最好的转速强化作用。
另外一方面，排气管的长短左右引擎的最大动力输出值，而排气管形状〈弧度〉则会对引擎扭力有绝对的影响，但两者最大效益不可兼得。
因此，排气管的设计必须与引擎的最大动力及转速的高低寻求良好的平衡点
近年排气系统除了被研究于节省燃油、增进局部输出强化、加强引擎工作效率之外，更被拿来应用于空气力学方面。
一般而言，F1赛车通过空气快速通过分流器获得大部分的下压力；
经过研究发现，排气管排出的废气，经过良好导流至分流器也可以获得额外的下压力。
但问题是，高温扩散的的废气通常是不规则产生的，简单的说，车手踩下油门的多寡会影响排出的废气体积，不仅如此还会影响气流的运动方式，一方面也会跟FIA制定的赛例有所抵触。
尽管如此，排出的气流已经被证明会影响空力的表现，所以利用排气对分流器造成空力效应的科技被全面禁止。
这也可能是Ferrari放弃传统下置式排气系统，而发展出潜望式排气管的原因之一。
而排气管排出的废气通过尾翼之前，已有大量的气流经过该处，因为引擎排出的废气高温异常，如果没有妥善的防高温处理或措施，尾翼及其周围套件将会变得易碎
然而，两种排气口设计走向带领Ferrari考虑在传统与革命两条路上二择一。
一方面因为新赛制规定的车宽度较过去狭窄，致使车重心从后轮偏向前轮，而沟纹胎的实施也让当时轮胎的领导者Bridgestone于1998年引进较宽的前胎。
相对的适应新赛例的准则，以后轮车轴中心线为基准引擎配置也从后方移到更前方：同时引擎转速最高峰值也逐年上升，现在每分钟引擎转速已经达到一万八千转以上之谱。
这样一来，尽管为了配合引擎每分钟的高转速，理论上排气管必须缩短长度，但排气管则必须因为以传统配置方式置下则会跟缩短长度的概念相抵触。
因此，Ferrari率先突破传统，以车身上方为排气口找到出路，最大的好处当然是距离引擎近、排气管长度有效减短，这样的创新设计将比以往的排气方式更具效率与优势。

相关内容（非我个人看法）：
经常有人讨论功率和扭矩，可是完全说得清楚的人并不多，我自己也思考过这个问题，下面从物理学的原理上说说自己的看法： 功率，即单位时间内做功的能力 P=W/t=F*S/t=F*(S/t)=F*v（v是速度） 就是等于牵引力乘以速度。假设汽车在高速运动的时候为匀速直线运动，则牵引力等于阻力，阻力就是摩擦力（包括地面，发动机内部，机械，轴承等）和风的阻力（这和你的受风面积有关）。 假设两辆车的重量一样，截面积相同，风阻系数也相同，润滑系统都很理想，而轮胎与地面接触面积也一样，只是使用了不同功率的发动机，由上面的公式可以看出，在同一个速度下，F相同，v相同，即功率一样，此时更大功率的发动机还有多余的功率继续提高速度，而小功率的v已经到了自己的极限了。当然还要考虑到速度继续提高的时候，风的阻力也增加（空气阻力和速度的关系上升很快，是平方甚至立方的关系），但是有一点可以肯定的是，车的极速增加了，只是没有增加到和功率成比例的关系。 扭矩，转动某物体的能力，等于F*L，（L是力臂） 扭矩改变了物理的角加速度（使转速变化，也就是车速，因为车速是车轮转速的转换），M*t=I*A(I是物体的转动惯量，同样的圆盘，虽然质量一样，但围绕中心转和围绕边上转的容易程度不一样，也就是转动惯量不一样，A为角加速度），根据这个公式，大的扭矩可以在同样的时间内更大地改变物体（质量、尺寸差不多）的转速，这是个比例关系，我们知道，假设在在转速1000的情况下，改变为2000，加速度为2，这是低速时的加速，需要的扭矩很大，使车子的速度从20加到了40，或者从40加到了80（当然档位可以不一样，但对发动机来说是一样的），可是4000转的发动机我们一般只会把它加到4500、5000，大概最多加到6000吧，这时的角加速度只是1.1, 1.23,最多1.5，需要的扭矩也是这个比例，很小，不需要很大，如果用刚才同样的扭矩，可以加到8000转，大概不会有人加到这个转速吧，因此我们得知，低速时候的扭矩是多么的重要啊。 综上所述，最大功率对应于极速，最大扭矩对应于加速能力（低速扭矩更重要）的通俗说法是有科学道理的。 上述已经假设了车重，造型都相仿的情况下。

引擎。
目前绝大多数明用车辆都使用内燃机作为动力，通常我们讲的汽车发动机都是活塞往复式的，按照使用燃料不同，分为柴油机和汽油机，而汽油机经过简单的改装就可以使用液化天然气，石油气，乃至氢作为燃料。但这不是内燃机的全部，这里必须要提一下马自达公司的重要发明，------汪克尔转子发动机，马自达公司在1967年推出第一部使用转子发动机的跑车，奔驰也在70年代初使用过，但是昙花一现。这种法动机是将一个三角型的转子装入一个椭园型的缸体中央，转子自转一周即完成进气压缩做功排气的全部过程，转子发动机的特点是效率高，可以获得很高的转速，震动极小，体积小巧，但和其优点同样明显的是他的缺点，耗油量大，低转速下不稳定，扭距相对较小，耐用性差，特别是排放使其难以通过愈加苛刻的各国环保法规，运转中产生的热量过大等，而排放法规的限制是致命的。所以现在仍然在继续使用转子发动机的只有马自达公司（RX8，使用改进工作的双转子引擎，各640毫升，240PS/8200RPM，220NM/5000RPM）。 柴油机的热效率比汽油机高，但受困于其重量，排放，运转中的震动和噪音，使其在很长一段时间里只能运用在船泊卡车及重型机械上，但现在的情况完全不同了，新材料的使用降低了重量，新技术特别是共轨技术（后面会详细介绍）和多气门技术使得柴油机已经占到欧洲家用车市场的40% 至于汽油机，实际上已经被发展到了极限，直喷技术，多气门技术，可变气门技术，双火花塞点火，事实上现在的汽油机除了对现有技术的改良。已经没有什么更大的改进余地。
有人问气缸的排列方式，这里就一并作答
首先要说明气缸的数目。发动机的气缸数应该随发动机容积大小而定，容积小的发动机不需要很多气缸，比如125CC的摩托很明显最好的选择就是单气缸，而两升以下的发动机通常不会超过四个气缸，相同的条件下如果气缸数太多，气缸体积和气门面积相对就小，太小的气缸并不利于气体液动和燃料混合。如果柴油机则可能更坏。而如果气刚体积过大，则活动部件的重量增加，使得机械惰性提高，不利于提高输出功率。以目前主流的汽车发动机为例，单缸容积绝大部分在250-500CC左右。而气缸的排列方式则取决于气缸数目，通常气缸是直列的，但列式不适合过多的气缸数目，比如8缸，因为那样的话，体积过大，发动机舱难以容纳，曲轴太长，高速运转时会造成扭动，所以对于多气缸发动机发展出V型排列法，举V8为例，就是将八个气缸分为两组，两边各四个V字型交错排列，这样发动机的体积大大缩小，曲轴也相应缩短，发动机强度好于列式，而两列气缸间的夹角就很关键，这关系到发动机的平衡，通常V6夹角在60度，V8在90度时可以取得最好的平衡性，另一个很大的优点是，V型排列的运转细腻，震动很小。但是由于V型发动机需要两套缸体和缸盖及气门系统，其成本自然是远大于列式发动机。所以排气量小，气缸数少的机器就完全没有必要使用V型了。如果我们把一台V型发动机的夹角扩展到180度，让气缸并列在曲轴两侧，这样我们就得到了一太水平对置发动机，这是宝时捷和SUBARU的招牌，对置式发动机的好处是重心低，总体积小，适合后置，并且左右两边的机械震动完全抵消，所以机械平衡性极佳，问题在于制造难度高，成本高，最致命的是维修十分困难，所以要求极高的制造品质来保障其使用稳定性。 接下来讲VR型排列和W式，待续！
发动机：
所谓发动机，就是车辆的动力来源，现代汽车上面应用的发动机主要是奥托发动机和汪科尔发动机两大类，当然，奥托发动机的应用是最为广泛的，汪科尔发动机又叫做转子发动机，也叫作旋转活塞式发动机，这里我先不讲了，这里就说说常见的奥托发动机。
奥托发动机又叫做“四冲程往复活塞式发动机”，至于你提到的“气缸”，是发动机的最重要的组成部分。
往复活塞式内燃机的组成部分主要有曲柄连杆机构、机体和气缸盖、配气机构、供油系统、润滑系统、冷却系统、起动装置等。
气缸是一个圆筒形金属机件。密封的气缸是实现工作循环、产生动力的源地。各个装有气缸套的气缸安装在机体里，它的顶端用气缸盖封闭着。活塞可在气缸套内往复运动，并从气缸下部封闭气缸，从而形成容积作规律变化的密封空间。燃料在此空间内燃烧，产生的燃气动力推动活塞运动。活塞的往复运动经过连杆推动曲轴作旋转运动，曲轴再从飞轮端将动力输出。由活塞组、连杆组、曲轴和飞轮组成的曲柄连杆机构是内燃机传递动力的主要部分。
活塞组由活塞、活塞环、活塞销等组成。活塞呈圆柱形，上面装有活塞环，借以在活塞往复运动时密闭气缸。上面的几道活塞环称为气环，用来封闭气缸，防止气缸内的气体漏泄，下面的环称为油环，用来将气缸壁上的多余的润滑油刮下，防止润滑油窜入气缸。活塞销呈圆筒形，它穿入活塞上的销孔和连杆小头中，将活塞和连杆联接起来。连杆大头端分成两半，由连杆螺钉联接起来，它与曲轴的曲柄销相连。连杆工作时，连杆小头端随活塞作往复运动，连杆大头端随曲柄销绕曲轴轴线作旋转运动，连杆大小头间的杆身作复杂的摇摆运动。
曲轴的作用是将活塞的往复运动转换为旋转运动，并将膨胀行程所作的功，通过安装在曲轴后端上的飞轮传递出去。飞轮能储存能量，使活塞的其他行程能正常工作，并使曲轴旋转均匀。为了平衡惯性力和减轻内燃机的振动，在曲轴的曲柄上还适当装置平衡质量。
气缸盖中有进气道和排气道，内装进、排气门。新鲜充量(即空气或空气与燃料的可燃混合气)经空气滤清器、进气管、进气道和进气门充入气缸。膨胀后的燃气经排气门、排气道和排气管，最后经排气消声器排入大气。进、排气门的开启和关闭是由凸轮轴上的进、排气凸轮，通过挺柱、推杆、摇臂和气门弹簧等传动件分别加以控制的，这一套机件称为内燃机配气机构。通常由空气滤清器、进气管、排气管和排气消声器组成进排气系统。
为了向气缸内供入燃料，内燃机均设有供油系统。汽油机通过安装在进气管入口端的化油器将空气与汽油按一定比例(空燃比)混合，然后经进气管供入气缸，由汽油机点火系统控制的电火花定时点燃。柴油机的燃油则通过柴油机喷油系统喷入燃烧室，在高温高压下自行着火燃烧。
内燃机气缸内的燃料燃烧使活塞、气缸套、气缸盖和气门等零件受热，温度升高。为了保证内燃机正常运转，上述零件必须在许可的温度下工作，不致因过热而损坏，所以必须备有冷却系统。
内燃机不能从停车状态自行转入运转状态，必须由外力转动曲轴，使之起动。这种产生外力的装置称为起动装置。常用的有电起动、压缩空气起动、汽油机起动和人力起动等方式。
内燃机的工作循环由进气、压缩、燃烧和膨胀、排气等过程组成。这些过程中只有膨胀过程是对外作功的过程，其他过程都是为更好地实现作功过程而需要的过程。按实现一个工作循环的行程数，工作循环可分为四冲程和二冲程两类。
四冲程是指在进气、压缩、膨胀和排气四个行程内完成一个工作循环，此间曲轴旋转两圈。进气行程时，此时进气门开启，排气门关闭。流过空气滤清器的空气，或经化油器与汽油混合形成的可燃混合气，经进气管道、进气门进入气缸；压缩行程时，气缸内气体受到压缩，压力增高，温度上升；膨胀行程是在压缩上止点前喷油或点火，使混合气燃烧，产生高温、高压，推动活塞下行并作功；排气行程时，活塞推挤气缸内废气经排气门排出。此后再由进气行程开始，进行下一个工作循环。
此外还有二冲程发动机
二冲程是指在两个行程内完成一个工作循环，此期间曲轴旋转一圈。首先，当活塞在下止点时，进、排气口都开启，新鲜充量由进气口充入气缸，并扫除气缸内的废气，使之从排气口排出；随后活塞上行，将进、排气口均关闭，气缸内充量开始受到压缩，直至活塞接近上止点时点火或喷油，使气缸内可燃混合气燃烧；然后气缸内燃气膨胀，推动活塞下行作功；当活塞下行使排气口开启时，废气即由此排出活塞继续下行至下止点，即完成一个工作循环。
内燃机的排气过程和进气过程统称为换气过程。换气的主要作用是尽可能把上一循环的废气排除干净，使本循环供入尽可能多的新鲜充量，以使尽可能多的燃料在气缸内完全燃烧，从而发出更大的功率。换气过程的好坏直接影响内燃机的性能。为此除了降低进、排气系统的流动阻力外，主要是使进、排气门在最适当的时刻开启和关闭。
实际上，进气门是在上止点前即开启，以保证活塞下行时进气门有较大的开度，这样可在进气过程开始时减小流动阻力，减少吸气所消耗的功，同时也可充入较多的新鲜充量。当活塞在进气行程中运行到下止点时，由于气流惯性，新鲜充量仍可继续充入气缸，故使进气门在下止点后延迟关闭。
排气门也在下止点前提前开启，即在膨胀行程后部分即开始排气，这是为了利用气缸内较高的燃气压力，使废气自动流出气缸，从而使活塞从下止点向上止点运动时气缸内气体压力低些，以减少活塞将废气排挤出气缸所消耗的功。排气门在上止点后关闭的目的是利用排气流动的惯性，使气缸内的残余废气排除得更为干净。
内燃机性能主要包括动力性能和经济性能。动力性能是指内燃机发出的功率(扭矩)，表示内燃机在能量转换中量的大小，标志动力性能的参数有扭矩和功率等。经济性能是指发出一定功率时燃料消耗的多少，表示能量转换中质的优劣，标志经济性能的参数有热效率和燃料消耗率。
动态的发动机原理说明
http://www.dsproshop.com/reports/MotorBikeEngineIllustrationBook/4-StrokeEngineWorkingTheory.htm
原理说明

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