汽车发动机知识

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提到发动机,人们总会以为其太过专业复杂,望而却步。其实无论对于购车者还是车主们而言,掌握一些关于发动机的常识都是十分必要的,不了解一台车的发动机,便谈不上是真正了解这款车。
  本篇将介绍目前发动机的一些主要种类及不同特点。

  按结构分类
  一台汽车发动机往往具有3个以上的汽缸,对于汽车发动机主要的分类方式是根据汽缸的布局及排列方式来划分。一般有直列、V型、W型以及水平对置等几种。
  直列发动机(LineEngine),它的所有汽缸均按同一角度肩并肩排成一个平面,它的优点是缸体和曲轴结构十分简单,而且使用一个汽缸盖,制造成本较低,尺寸紧凑。直列发动机稳定性高,低速扭矩特性好并且燃料消耗也较少,但缺点是功率较低,并且不适合6缸以上的发动机采用。
  直列发动机在国产车中应用十分广泛,几乎所有中档以下国产车及采用四缸发动机的车型都是直列发动机。
  经典实例:宝马公司一直是直列发动机的坚决拥护者,宝马的L6(直列六缸)发动机无论在技术含量、缸数上还是在性能表现上都可算是直列发动机的极致。宝马的顶级车型新7系轿车仍然有采用L6发动机的版本。

  V型发动机,将所有汽缸分成两组,把相邻汽缸以一定夹角布置一起,使两组汽缸形成有一个夹角的平面,从侧面看汽缸呈V字形,故称V型发动机。
  V型发动机的高度和长度尺寸小,在汽车上布置起来较为方便。尤其是现代汽车比较重视空气动力学,要求汽车迎风面越小越好,也就要求发动机盖越低越好。另外,如果将发动机长度缩短,便能为驾乘舱留出更大的空间。由于汽缸之间已相互错开布置,这便于通过┐笃?字本独刺岣吲帕亢凸β什⑶沂屎嫌诮细叩钠?资?4送猓琕型发动机汽缸对向布置,还可抵消一部分振动,使发动机运转更平顺。
  V型发动机的缺点则是必须使用两个汽缸盖,结构较为复杂、成本较高。另外其宽度加大后,发动机两侧空间较小,不易再安排其它装置。
  目前国产的中高档车型中,不少采用V型6缸发动机,比如君威,帕萨特及奥迪A6等等。
  经典实例:欧洲的豪华轿车往往采用8缸以上的V型发动机设计,比如劳斯莱斯的、奔驰顶级的S600轿车等都是V12发动机,而目前V型发动机最高可达到16缸,排量在10升以上。

  W型发动机,W型发动机是德国大众专属发动机技术。将V型发动机的每侧汽缸再进行小角度的错开(如帕萨特W8的小角度为15度),就成了W型发动机。或者说W型发动机的汽缸排列形式是由两个小V形组成一个大V形。严格说来W型发动机还应属V型发动机的变种。
  W型与V型发动机相比可将发动机做得更短一些,曲轴也可短些,这样就能节省发动机所占的空间,同时重量也可轻些,但它的宽度更大,使得发动机室更满。
  W型发动机最大的问题是发动机由一个整体被分割为两个部分,在运作时必然会引起很大的振动。针对这一问题,大众在W型发动机上设计了两个反向转动的平衡轴,让两个部分的振动在内部相互抵消.
  经典实例:大众的旗舰车型辉腾以前由于没2缸发动机,而与同级别奔驰S600相比底气不足,而大众全新W12发动机则彻底改变了这一劣势,大众旗下的另两款豪华车:本特利新车GT和奥迪旗舰A8L6.0都将采用W12发动机。

  水平对置发动机,如果将直列发动机看成夹角为0度的V型发动机,当两排汽缸的夹角扩大为180度,汽缸水平对置排列,就是水平对置发动机了。
  水平对置发动机的最大优点是重心低。由于它的汽缸为“平放”,因此降低了汽车的重心,同时又能让车头设计得又扁又低。这些因素都能增强汽车的行驶稳定性。此外,水平对置的汽缸布局是一种对称稳定结构,这使得发动机的运转平顺性比V型发动机更好,运行时的功率损耗也是最小。
  经典实例:水平对置发动机是日本富士汽车的招牌技术之一,采用水平对置发动机的富士WRX-STi车型是世界拉力赛场上的传奇车型,也是全球飚车族们梦寐以求的至爱。

  转子发动机,传统发动机都是通过汽缸内活塞的往复运动最终驱动车子前进,发动机及气缸本身都是相对不动的,而转子发动机则是一种三角活塞旋转式发动机,它采用三角转子旋转运动来控制压缩和排放。转子发动机的优点十分明显,它尺寸较小,重量较轻,功率很大,并且振动和噪声极低。但是由于转子技术的复杂,使其制造成本极其高昂,耐用性也低于传统发动机。
  经典实例:至今为止,将转子发动机技术成熟运用于市场产品的仅有马自达一家厂家。目前马自达赫赫有名RX-8跑车正是转子发动机技术的最新继承者。

  按发动机布局划分

  按照发动机在车身上的布局,还可以分成前置发动机、中置发动机以及后置发动机三种。
  目前在国内车市所能看到的绝大部分车型都是采用的前置发动机,即发动机位车前轮轴之前。前置发动机的优点是简化了车子变速器与驱动桥的结构,特别是对于目前占绝对主流的前轮驱动车型而言,发动机将动力直接输送到前轮上,省略了长长的传动轴,不但减少了功率传递损耗,也大大降低了动力传动机构的复杂性和故障率。因外,将发动机置驾驶员的前方,在正面撞车时,发动机可以保护驾驶员免受冲击,从而提高了车的安全性。
  与前置发动机相对应的是后置发动机,后置发动机往往对应于一些后轮驱动的大马力车型,典型车型为保时捷的911系列跑车。此外,还有一种布局便是中置发动机,即发动机位于汽车的前后轮轴之间,对于一些极端追求性能的车型而言,将发动机中置是一种最理想的方式,因为发动机的位置正好位于车子重心附近,而不是重量过于集中在车头或车尾,达到最佳的配重比,这将大大提高车子的操控性和行驶稳定性。包括法拉利、兰博基尼在内的不少经典跑车都采用的是中置发动机布局。

  按燃料分类
  汽车发动机按所使用的燃料进行分类,可以分为汽油机和柴油机。
  汽油与柴油相比较,汽油的沸点低、容易汽化,汽油发动机通过气缸压缩,将吸入的汽油气化,并与缸内空气相混合,形成可燃混合气体,最后由火花塞放电点燃气体推动汽缸活塞作功;柴油的特点是自燃温度低,所以柴油发动机无需要火花塞之类的点火装置,它采用压缩空气的办法提高空气温度,使空气温度超过柴油的自燃测试,这时再喷入柴油、柴油喷雾和空气混合的同时自己点火燃烧。两种发动机相比较而言,一般来说,因为汽油发动机需要对汽油的喷入量、喷入时间以及点火时间控制得十分准确,因此结构往往比柴油机更复杂精密一些,而柴油机由于汽缸的压力大于汽油机,因而对材料的结构强度和刚度则要求更高一些。
  从性能上说,汽油发动机的长处是最大功率及转速高,运转安静平顺,排放低,而柴油发动机的优点则是燃烧效率高、油耗低,并且低转速扭矩及最大扭矩远远超过汽油机。体现在驾驶感受上,人们会发现柴油驱动的轿车起步十分迅速,在山路及坡道上后劲十足,然后在中后段的加速性以及最高车速方面又会逊于同档次的汽油机版本。国内传统柴油机一直给人以体积笨重、振动噪声大以及排放污染严重的印象,因此国产轿车基本都采用汽油发动机,然而近年来,国外知名车商开始将一些最新的柴油机技术引入到中国,大大改善了国人对柴油机的偏见,譬如一汽大众刚刚推出TDI柴油发动机宝来,其环保性、动力性以及平顺性都不逊于汽油机,同时又具有柴油机特有的巨大扭力和超低油耗,市场前景十分看好。

汽车发动机机体组全面介绍
机体是构成发动机的骨架,是发动机各机构和各系统的安装基础,其内、外安装着发动机的所有主要零件和附件,承受各种载荷。因此,机体必须要有足够的强度和刚度。机体组主要由气缸体、曲轴箱、气缸盖和气缸垫等零件组成。 对于一款四冲程发动机来说,一般情况下机体组由上到下可分为五块,分别是气门室盖、汽缸盖、缸体、曲轴箱和油底壳。根据工作压力和使用车辆成本的不同,材料主要选择铸铁、铝合金以及镁铝合金。其中铸铁的硬度较强,适用于涡轮增压车型,但散热效果差,所以往往都将压缩比设计的较低。铝合金重量轻,散热好,但硬度不强,主要用于高转的自然吸气车型。

  

一. 气缸体(图2-1)



  水冷发动机的气缸体和上曲轴箱常铸成一体,称为气缸体——曲轴箱,也可称为气缸体。气缸体一般用灰铸铁铸成,气缸体上部的圆柱形空腔称为气缸,下半部为支承曲轴的曲轴箱,其内腔为曲轴运动的空间。在气缸体内部铸有许多加强筋,冷却水套和润滑油道等。

  气缸体应具有足够的强度和刚度,根据气缸体与油底壳安装平面的位置不同,通常把气缸体分为以下三种形式。(图2-2)


  (1) 一般式气缸体 其特点是油底壳安装平面和曲轴旋转中心在同一高度。这种气缸体的优点是机体高度小,重量轻,结构紧凑,便于加工,曲轴拆装方便;但其缺点是刚度和强度较差

  (2) 龙门式气缸体 其特点是油底壳安装平面低于曲轴的旋转中心。它的优点是强度和刚度都好,能承受较大的机械负荷;但其缺点是工艺性较差,结构笨重,加工较困难。

  (3) 隧道式气缸体 这种形式的气缸体曲轴的主轴承孔为整体式,采用滚动轴承,主轴承孔较大,曲轴从气缸体后部装入。其优点是结构紧凑、刚度和强度好,但其缺点是加工精度要求高,工艺性较差,曲轴拆装不方便。

  为了能够使气缸内表面在高温下正常工作,必须对气缸和气缸盖进行适当地冷却。冷却方法有两种,一种是水冷,另一种是风冷(图2-3)。水冷发动机的气缸周围和气缸盖中都加工有冷却水套,并且气缸体和气缸盖冷却水套相通,冷却水在水套内不断循环,带走部分热量,对气缸和气缸盖起冷却作用。




发动机基本构造详解
目前汽车使用的发动机均属于内燃机,发动机的功能就是将燃料的化学能转成热能再转成机械能,而机械能也就是一般所谓的动力。发动机在将燃料转成动力的过程中会经过一定的工作程序,而且此程序是周而复始连续不断的循环。它由机体组、曲柄连杆机构、配气机构、供油及燃油分配系统、电子传感器、点火系统和润滑系统以及散热系统等方面组成。它们各司其职综合在一起最终保证了发动机运转所必须的三要素—可燃混合气、电火花和汽缸压力。
  常见的车用发动机依种类、大小及用途等等的不同而有许多的分类方式。
  一、依工作循环方式:
  1、奥图循环(Ottocycle):使用在汽油发动机。

  2、狄塞尔循环(Dieselcycle):使用在柴油发动机。

  二、依使用燃料的种类:

  1、汽油发动机:主要使用在汽车、航空器。

  2、柴油发动机:主要使用在汽车、船、发电机。

  3、重油发动机:主要使用在船、发电机。

  4、燃气发动机:主要使用在汽车。

  三、依冷却方式分:

  1、气冷式发动机

  2、水冷式发动机

  四、依工作循环冲程分:

  1、二冲程发动机:二个冲程完成一个工作循环。

  2、四冲程发动机:四个冲程完成一个工作循环。

  五、依活塞运动的不同分:

  1、往复式活塞发动机(reciprocatingengine)

  2、回转式活塞发动机(rotaryengine)

  六、依点火方式分:

  1、压缩点火式发动机

  2、火花塞点火式发动机

  七、依气缸数量分:

  1、单气缸发动机

  2、多气缸发动机

  八、依气缸排列方式分:

  1、直列式发动机

  2、V型发动机

  3、W型发动机

  4、水平对置发动机

  现行汽车产品上所使用的发动机,主要为采用奥图循环、以汽油为燃料的往复式活塞四冲程多气缸自然进气发动机,依不同的排气量与工程需求,有直列四缸、V型六气缸等形式。各种型式的发动机所采用的零件,以及在发动机外部的次系统零组件,都非常的相似。接下来我们将为大家一一的介绍发动机的各项零件和次系统的原理及功能。

  (一)发动机的基本构造─缸径、冲程、排气量与压缩比

  发动机是由凸轮轴、气门、气缸盖、气缸体、活塞、活塞连杆、曲轴、飞轮、油底壳等主要组件,以及进气、排气、点火、润滑、冷却等系统所组合而成。以下将分别介绍在汽车型录的"发动机规格表"中常见的缸径、冲程、排气量、压缩比、SOHC、DOHC等名词。

  缸径:

  气缸体上用来让活塞做运动的圆筒空间的直径。

  冲程:

  活塞在气缸体内运动时的起点与终点的距离。一般将活塞在最靠近气门时的位置定为起点,此点称为"上止点";而将远离气门时的位置称为"下止点"。

  排气量:

  将气缸的面积乘以冲程,即可得到气缸排气量。将气缸排气量乘以气缸数量,即可得到发动机排气量。以丰田花冠1.8L车型的直列4气缸发动机为例:

  缸径:79.0mm,冲程:91.5mm,气缸排气量:448.5cc;

  发动机排气量=气缸排气量×气缸数量=448.5cc×4=1794cc。

  压缩比:

  最大气缸容积与最小气缸容积的比率。最小气缸容积即活塞在上止点位置时的气缸容积,也称为燃烧室容积。最大气缸容积即燃烧室容积加上气缸排气量,也就是活塞位于下止点位置时的气缸容积。

  丰田花冠1.8L发动机的压缩比为10:1,其计算方式如下:

  气缸排气量:448.5cc,燃烧室容积:49.83cc;

  压缩比=(49.84+448.5):49.84=9.998:1≈10:1。

  (二)发动机的基本构造─凸轮轴与气门
所谓曲柄连杆机构实际上就是我们通常所说的曲轴、连杆、活塞、活塞环、大小瓦。这些部件的作用主要就是用来将可燃混合气被点燃后爆发出的力量传递到离合器和变速箱中,根据发动机用途(强调马力输出或相对更低的油耗)来设计不同质量和惯性的曲轴及曲柄。

    另外,机体组中和曲柄连杆机构的相互设计配合也往往决定了一款发动机的转速高低。一般来说,大缸径短冲程时的设计主要是为了更加追求转速高,功率大。而小缸径长冲程式的设计则多用来载重或者纯正越野车之类更强调低转大扭矩的车。

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  凸轮轴:

  在一支轴上有许多宛如"蛋形"凸轮,其被安装在气缸盖的顶部,用来驱动进气气门和排气气门做开启与关闭的动作。

  在凸轮轴的一端会安装一个传动轮,以链条或皮带与位于曲轴上的传动轮连接。在以链条传动的系统中此传动轮为一齿轮;在以皮带传动的系统中此传动轮为一具齿槽的皮带轮。

  一般双顶置凸轮轴(DOHC)设计的发动机,其进气和排气的凸轮轴均挂上一个传动轮,由链条或皮带直接带动凸轮轴转动。有些发动机为了减少气门夹角,而将凸轮轴的传动方式改变成以链条传动方式带动进气或排气的凸轮轴,再藉由安装在进气和排气的凸轮轴上的齿轮以链条带动另外一支凸轮轴。

  丰田独特的"TWINCAM"设计方式,则是以链条或皮带去带动位于进气或排气的凸轮轴上的传动轮,之后再以安装在进气和排气的凸轮轴上的无间隙齿轮机构带动另外一支凸轮轴。

  气门:
        配气机构的主要作用就是根据发动机的实时需要而提供相应的可燃混合气。它由两方面组成,其中发动机内部主要包括正时皮带(优点是噪音小,缺点是需要更换)或正时链条(优点是免于更换,但十万公里左右要调整松紧度,缺点是噪音大)或正时齿轮(优点是不用更换,不用维护,缺点是重量大、惯性大),凸轮轴、液压气门顶、气门、气门弹簧以及气门油封。它们之间的相互关系其实不难理解,讲的通俗一点就是曲轴旋转的力通过正时皮带传送到凸轮轴,然后再由凸轮轴带动气门进行上下运动。
在发动机的外部还有一些为了配气的最终目的而工作的,按照从外到里的安装按后顺序分别是,空滤、空气流量计、进气温度传感器、节气门、进气歧管等。在一些多点或单点电喷的发动机当中,还在进气歧管上安装了燃油分配器
  气门控制空气进出气缸的阀门。让空气或混合气进入的称为"进气气门"。让燃烧后的废气排出的称为"排气气门"。

  (三)发动机基本构造─SOHC单凸轮轴发动机

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  发动机的凸轮轴装置在气缸盖顶部,而且只有一支凸轮轴,一般简称为OHC(顶置凸轮轴,OverHeadCamShaft)。凸轮轴透过摇臂驱动气门做开启和关闭的动作。

  在每气缸二气门的发动机上还有一种无摇臂的设计方式,此方式是将进气门和排气门排在一直在线,让凸轮轴直接驱动气门做开闭的动作。有VVL装置的发动机则会透过一组摇臂机构去驱动气门做开闭的动作。

  (四)发动机基本构造─DOHC双凸轮轴发动机

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  此种发动机在气缸盖顶部装置二支凸轮轴,由凸轮轴直接驱动气门做开启和关闭的动作。仅有少数发动机是设计成透过摇臂去驱动气门做开闭的动作。有VVL装置的发动机则会透过一组摇臂机构去驱动气门做开闭的动作。

  DOHC较SOHC的设计来得优秀的主要原因有二:一是凸轮轴驱动气门的直接性,使气门有较佳的开闭过程,而提升气缸在进气和排气时的效率;另一则是火花塞可以装置在气缸盖中间的区域,使混合气在气缸内部可以获得更好、更平均的燃烧。

  直列发动机VSV型发动机

  直列发动机

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  一如其名,直列发动机气缸排列成一条直线。

  发动机的所有气缸均排列在同一平面上,形成一直列的情形,称为直列发动机。以直列四气缸发动机为例,常见的标示方式有二种,一是取与排列外型相似的I做标示,就标示为"I4"。另外一种则是以英文Line做开头,而标示为"Line4"或"L6"以代表直列4气缸或是直列6气缸发动机之意。

  V型发动机

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  气缸数增加,采用V型排列的发动机可以有效减少发动机提及,增加车内空间。

  发动机的气缸分别排列在二个平面上,此二个平面相互产生一个夹角。气缸呈V型排列的发动机会因气缸数量的不同,而有60、90、120度三种常见的角度。发动机气缸排列在两个相交的V型平面上,则称为"W型发动机",而夹角为180度的发动机则另外称为"水平对置式发动机"。

  可变气门正时&可变长度进气岐管

  可变气门正时:

  曲轴经由齿状的传动装置带动凸轮轴转动,使气门在做开启与关闭的动作时会与曲轴的转动角度成一定的对应关系。

  由于气体流动的性质会随着发动机运转速度的快慢而改变,如何使气缸在不同的转速下都能够获得良好的进气效率?为此必须改变气门在开启与关闭时间。经由安装在凸轮轴前端的油压装置使凸轮轴可以另外做一小角度转动,以使进气门在转速升高时得以提早开启。

  可变长度进气岐管:

  为了使发动机在高、低转速时能够维持平稳的进气效率,如何制造出长度适合的进气管路就成了一件重要的课题。藉由在进气管路中设置阀门来使进气管路改变成长、短二种路径。以满足发动机在高转速运转时需要流速快、动能大的气流;并且在低转速时供给发动机适当流量的空气。这样就能够使发动机在高转速时获得较大的马力,而在较低转速时有较佳的油耗表现。

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