现代美国海军超级航母（如尼米兹号航空母舰）上的小型坡道有何用途

问：现代美国海军超级航母（如尼米兹号航空母舰）上的小型坡道有何用途？

答：我不太确定您指的是什么，但我怀疑您可能指的是这些：

它们被称为“缰绳捕捉器”，用于早期的航母。航母发射过去需要“缰绳”将发射装置连接到飞机上。从西奥多·罗斯福号航空母舰开始，弹射器和飞机现在使用更现代的发射装置，不再使用需要捕捉器的旧缰绳。TR 和后来的航母不再有缰绳捕捉器。

问：增加活塞的行程长度对发动机有什么影响？

答：在其他条件相同的情况下，冲程越长，气缸的容量就越大。这是简短的答案。现在准备好阅读长答案吧。

假设有一台单缸摩托车发动机，其缸径和冲程均为 54 毫米。设计师们称其为“方形”发动机，这意味着缸径和冲程相等，就像正方形的相邻边一样。该发动机的容量为 123.7 立方厘米。它将以 125 cc 的规格销售，这是全球轻型摩托车发动机中非常常见的规格。

现在想象一下，如果同一台发动机装上不同的曲轴，使其冲程为 65 毫米。其排量将增加到 148.9 cc。这款发动机将以 150 cc 的排量销售，这也是全球流行的排量。

与 125 cc 相比，它的功率略高，最高速度略高，而且在某些国家，这种排量的摩托车可以行驶在禁止低排量摩托车通行的高速公路上。

那么，增加活塞的冲程长度对发动机有什么影响？与增加缸径相比，会有什么不同？它们的性能会一样吗？它们能达到相同的最高转速吗？在增加冲程长度的效果方面，4 冲程和 2 冲程之间会有什么不同吗？让我们以 125–150 cc 摩托车单缸发动机作为实际示例来回答这些问题。

首先，显而易见的结果是容量增加。这可能（只是可能，而不是一定会）导致最大功率成比例增加，因为发动机可以吸入的空气和燃料量增加了。对于我们的 125–150 cc 发动机，理论上这种增加将达到 20%，即从 12 马力增加到 14.4 马力。

理论上，装有此发动机的自行车的最高速度将从 115 公里/小时增加到 125 公里/小时（最高速度与最高功率的立方根成正比）。这不是什么值得夸耀的事情，但考虑到容量的适度增加，这还算公平。

但事实真的如此吗？行程的增加也会增加活塞每次行程必须移动的距离。这会限制发动机可以达到的最大转速。假设平均活塞速度为 20 米/秒（这是现代材料和技术的安全值），原发动机行程为 54 毫米时的最大转速约为 11000 转/分，但 65 毫米行程发动机的最大转速将降至 9200 转/分。

此外，如果阀门和化油器是为 125 cc 发动机设计的，它们可能不会让增冲程发动机在高转速时像原发动机一样“呼吸”，因此长冲程发动机气缸内的平均有效压力 (MEP) 在高转速下不会像原“方形”发动机那样保持那么高，此时可用于填充容量的时间很少，扭矩会下降，导致转速上升时无法增加功率。

这意味着，实际上，如果不做其他改变，长冲程发动机将无法达到相应更高的功率，其峰值功率可能在 13 到 13.5 马力左右，最高时速不超过 120 公里/小时。这真是微不足道的进步。

增加缸径是否能获得与容量增加成比例的最大功率？毕竟，如果活塞的冲程保持不变，其最大平均速度也将在任何给定的 RPM 值下保持不变，并且发动机应该能够完全安全地达到与之前相同的最大 RPM。

为了获得与原发动机相同的 149 cc 容量，但保持相同的 54 mm 冲程，缸径必须从原来的 54 mm 增加到 59.2 mm。缸径大于冲程的发动机称为“超方”。此时，我不需要解释原因。

在其他条件相同的情况下，方形发动机会遇到与长冲程发动机相同的呼吸问题：高转速下容量较大的发动机会通过气门和容量较小的化油器“呼吸”，从而“缺油”。除非利用较宽的内孔安装较大的气门，但这是完全不同的问题。

更宽的活塞也意味着火焰从火花塞离开到达缸孔末端的距离更长，这又意味着在高转速下，燃烧可能不完全（虽然这对于接近或超过 100 毫米的大缸径发动机来说确实是一个问题，而对于我用作示例的这种小发动机则不是）。

此外，更宽的活塞将导致更宽、更平的燃烧室，并且可能需要更高的活塞头圆顶来保持与原始活塞相同的压缩比。这将导致燃烧室形状不太理想，并且再次产生更少的 MEP，导致所有 RPM 值下的扭矩略有减少。

因此，最终增加缸径而不是增加冲程将使发动机能够像原发动机一样旋转，但燃烧室的形状会略差，从而导致功率增加比预期的要少一些。我们可以假设功率为 13.5–14 马力，比长冲程发动机略高一些。

现在，有必要提一下长冲程发动机相对于宽口径发动机的一个非常重要的优势：在其他所有条件相同的情况下，长冲程发动机的低转速扭矩将比宽口径发动机好得多。为什么？

因为考虑到扭矩是作用在活塞上的力乘以曲柄臂长度的乘积。如果曲柄臂较长，瞬时扭矩将更大。这在所有转速下都有效，是发动机的几何特性，但在低转速时会更明显。

长冲程发动机比大缸径发动机“扭矩”更大的另一个原因是，小活塞相对容易达到所需的压缩比。压力是力与表面的比率，因此，缸径较小的活塞需要较小的力来“挤压”空气和燃料达到所需的压缩比，甚至达到比大缸径更高的值。

由于所有这些原因，长冲程发动机比短冲程发动机效率更高，扭矩更大，油耗更低。

因此，两台容量相同但一台缸径较大而另一台冲程较长的发动机将有所不同，因为宽缸径发动机的转速高于长冲程发动机，并且（理论上）可产生更大功率，但长冲程发动机可产生更大扭矩，尤其是在低转速时，并且通常效率更高。

现在，有必要提一下通过增加冲程改进的发动机和通过增加缸径改进的发动机之间的一些机械差异。

为了增加现有发动机的冲程，您需要将曲轴更换为具有更长曲柄臂的曲轴。曲轴箱中可能有或可能没有空间容纳这个更大的曲轴，这取决于发动机的设计方式。发动机设计师通常会计划未来的容量增加和冲程增加，以便发动机能够容纳更大的曲轴而无需进行太多更改。其他时候他们不会这样做。

但这还不够。如果行程增加，活塞将进一步向上移动，并可能撞到缸盖。为了避免这种情况，必须安装较短的连杆，或使用活塞顶与小端连杆销之间的距离较小的活塞。

活塞还将进一步向下移动，这可能需要缩短活塞裙部，这反过来意味着活塞对气缸壁的支撑面更小，磨损更多，工作温度更高。所有这些因素都不会使操作无法进行，但需要考虑在内。

另一个解决方案是安装更长的气缸，这样额外的冲程就内置在气缸长度中。但如果发动机是四冲程，这也意味着更长的分配链、皮带或控制顶置气门正时的推杆。这不是一项简单的机械任务。除了曲轴之外，还必须更换许多零件才能增加冲程。

相反，为了增大缸径，需要更大缸径的气缸和与之匹配的更大直径的活塞，仅此而已。唯一无法实现这一点的情况是，新的更宽的缸径无法安装在固定气缸和缸盖的双头螺栓之间。

许多可用的“大缸径套件”充分利用了双头螺栓之间的所有空间，以安装特定发动机中最大的活塞，并在不重新设计整个发动机的情况下实现最大容量的增加。

到目前为止，我都隐晦地提到了四冲程发动机。但我保证过我会解释它与二冲程发动机的区别。在四冲程发动机中，气缸只是一个“孔”，活塞在其中上下移动以改变燃烧室的体积，而在二冲程发动机中，气缸是发动机中复杂而重要的部分，除了允许活塞移动外，它还调节进气和排气的时间（在二冲程发动机中，更适合说是进气、输送和扫气）。

这些功能是通过气缸壁上的开口实现的：进气口（在某些二冲程发动机中，进气口位于曲轴箱中，而不是气缸中）、输送管道和端口以及排气口。更宽的内孔允许安装更大或更多的端口，使发动机在高转速下“呼吸”更自由。