汽車發(fā)動機工作原理

1、汽車發(fā)動機工作原理引言您是否曾經(jīng)打開過汽車的發(fā)動機罩并且很奇怪里面都是些什么東西？ 汽車發(fā)動機看上去就像一大堆亂七八糟的金屬、管路和導線的混合體。 戴姆勒克萊斯勒供圖2003吉普大切諾基的發(fā)動機出于好奇，您可能想知道大概是怎么回事。 或者，您可能想買一輛新車，您聽說過“3.0升V-6”、“雙頂置凸輪軸”和“經(jīng)過調(diào)校的進氣燃油噴射”這些東西。 它們是什么意思呢？ 在本文中，我們將討論有關發(fā)動機的基本概念，并詳細了解發(fā)動機的所有組成部分、可能出問題的地方以及如何提高發(fā)動機性能。汽油發(fā)動機的目的在于將汽油轉(zhuǎn)換為運動，以便汽車能夠開動。 目前將汽油變成運動的最簡單方法是在發(fā)動機中燃燒汽油。 因此，汽車

2、發(fā)動機是一種“內(nèi)燃發(fā)動機”燃燒發(fā)生在內(nèi)部。 需要注意兩件事情： 有多種不同的內(nèi)燃發(fā)動機。 柴油發(fā)動機是一種，燃氣輪機是另外一種。 參見有關HEMI發(fā)動機、轉(zhuǎn)子發(fā)動機和二沖程發(fā)動機的文章。 每種發(fā)動機都有自己的優(yōu)缺點。 還有一種外燃發(fā)動機。 老式火車和蒸汽輪船中的蒸汽機是外燃發(fā)動機。 在蒸汽機中，燃料（煤、木柴、石油等）在發(fā)動機外部燃燒并產(chǎn)生蒸汽，由蒸汽在發(fā)動機內(nèi)部形成運動。 內(nèi)燃機的效率比外燃機高出許多（每公里消耗的燃料更少），而且內(nèi)燃發(fā)動機比同等功率的外燃發(fā)動機要小巧很多。 福特和通用這些公司之所以不使用蒸汽機，原因也在于此。 language=javascript type=text/ja

3、vascript 典型汽車發(fā)動機的內(nèi)部構造 當前幾乎所有汽車都使用往復式內(nèi)燃發(fā)動機，因為這種發(fā)動機具有以下優(yōu)點： 相對高效（與外燃發(fā)動機相比） 相對廉價（與燃氣輪機相比） 相對來說易于加注燃料（與電動汽車相比） 這些優(yōu)點使得其成為驅(qū)動汽車的首選技術。 為了了解往復式內(nèi)燃發(fā)動機的工作原理，對“內(nèi)部燃燒”的工作方式有一個直觀的認識十分有幫助。 加農(nóng)炮是一個很好的例子。 您可能在電影里看到過它們，士兵們向炮中填入火藥和炮彈，然后點著它。 這就是我們說的內(nèi)部燃燒，但是很難想象發(fā)動機是如何完成這些過程的。 下面是一個更為形象的例子： 假如有一大段塑料的下水道管子，它的直徑為8厘米，長度為90厘米，然后在

4、它的一端安上一個蓋子。 接著，在管子中噴灑了一點WD-40，或者放了幾滴汽油。 然后，在管子里塞進一個土豆。 就像這樣： 不建議您這樣做！但是假如您這樣做了，我們現(xiàn)在擁有的這個裝置通常稱作土豆加農(nóng)炮。 如果您在其中打出一個火花，那么就可以點著燃料。 有意思的是而且我們討論這樣一個裝置的目的就在于土豆加農(nóng)炮可以將土豆發(fā)射出大約150米遠！ 幾滴汽油就可以產(chǎn)生如此巨大的能量。 內(nèi)部燃燒土豆加農(nóng)炮的基本原理與所有往復式內(nèi)燃發(fā)動機完全一致： 如果將一點兒高能燃料（例如汽油）放在一個小的密閉空間中并點燃它，它將以氣體膨脹的形式釋放出巨大能量。 可以使用這些能量將土豆拋出150米遠。 在這個例子中，能量被

5、轉(zhuǎn)換為土豆的運動。 也可以使用這些能量完成更有意思的工作。 例如，如果可以建立一個循環(huán)，使得在每分鐘內(nèi)可以進行數(shù)百次爆炸，然后將能量用于有意義的事情，現(xiàn)在您已經(jīng)接觸到了汽車發(fā)動機的核心秘密！ 目前幾乎所有汽車都使用四沖程燃燒循環(huán)來將汽油轉(zhuǎn)化為運動。 四沖程方式又稱作“奧托循環(huán)”，以此紀念1867年發(fā)明它的尼克勞斯奧托 (Nikolaus Otto)。這四個沖程如圖1所示。 它們分別是： 進氣沖程 壓縮沖程 燃燒沖程 排氣沖程 循環(huán)過程 在圖中，可以看到稱作“活塞”的裝置，它取代了土豆加農(nóng)炮中的土豆。 活塞通過連桿連接到曲軸。 當曲軸旋轉(zhuǎn)時，它的作用相當于“讓加農(nóng)炮復位”。 在發(fā)動機的循環(huán)過程中

6、會發(fā)生如下事情：language=javascript type=text/javascript 典型汽車發(fā)動機的內(nèi)部構造 1. 活塞開始時位于頂部，排氣門打開，然后活塞向下運動，在發(fā)動機的氣缸中充滿空氣和汽油的混合物。 這便是吸氣沖程。 此時，只需要在空氣中混合最少量的汽油即可。 （圖中部分1） 2. 然后，活塞向上返回以壓縮燃油/空氣混合物。 壓縮過程使得爆炸更具威力。 （圖中部分2） 3. 當活塞到達其沖程的頂部時，火花塞發(fā)出一個火花，點燃汽油。 氣缸中的汽油爆炸，推動活塞向下運動。 （圖中部分3） 4. 在活塞到達其沖程的底部后，排氣門開啟，廢氣被排出氣缸并進入排氣尾管。 （圖中部分4

7、） 現(xiàn)在，發(fā)動機準備進行下一次循環(huán)，再次吸入空氣和汽油。 注意，內(nèi)燃發(fā)動機輸出的運動是旋轉(zhuǎn)運動，而土豆加農(nóng)炮產(chǎn)生的運動是線性運動（直線）。 在發(fā)動機中，活塞的線性運動轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運動。 而旋轉(zhuǎn)運動非常好，因為我們正好打算通過它讓車輪轉(zhuǎn)起來。 下面，讓我們看看相互配合工作以實現(xiàn)這一切的所有部件。 氣缸、排量和其他發(fā)動機部件發(fā)動機的核心是氣缸和在氣缸內(nèi)部上下運動的活塞。上面介紹的發(fā)動機只有一個氣缸。大多數(shù)割草機屬于這種情況，但是大多數(shù)汽車都有多個氣缸（通常有四個、六個或八個氣缸）。在多缸發(fā)動機中，氣缸的排列方式通常有三種： 直列式、V型或臥式（也叫水平對置式），如下圖所示 圖2. 直列式氣缸按

8、直線排成一排。 圖3. V型氣缸按一定角度排成兩排。 圖4. 臥式氣缸在發(fā)動機的相對兩側(cè)排成兩排。 各種配置方式在平滑性、制造成本和外形特征方面均各有利弊。 這些優(yōu)點和缺點使它們分別適合某些特定車輛的要求。排量燃燒室是發(fā)生壓縮和燃燒過程的區(qū)域。 隨著活塞上下運動，可以看到燃燒室的容積也隨之發(fā)生改變。 存在最大容積和最小容積。 最大容積和最小容積之間的差值稱為排量，其單位為升或CC（立方厘米，1000立方厘米=1升）。以下是一些例子： 鏈鋸發(fā)動機的排量可能為0.04升。 摩托車發(fā)動機的排量可能為0.5或0.75升。 跑車發(fā)動機的排量可能為5升。 大多數(shù)標準汽車發(fā)動機的排量在1.5-4.0升之間。

9、如果是四氣缸發(fā)動機并且每個氣缸的排量為0.5升，則整個發(fā)動機為“2.0升發(fā)動機”。 如果每個氣缸的排量為0.5升，6個氣缸以V型配置，則為“3.0升V-6”發(fā)動機。通常，可通過排量大致了解發(fā)動機的功率。 排量為0.5升的氣缸可以容納兩倍于排量為0.25升的氣缸的燃油、空氣混合物，因此前者的功率是后者的兩倍（如果其他條件相同）。 所以，2.0升發(fā)動機的功率大致等于4.0升發(fā)動機的一半?？梢酝ㄟ^增加氣缸數(shù)量或者增大所有氣缸的燃燒室（或者同時增加二者）來提高發(fā)動機的排量。 其他發(fā)動機部件language=javascript type=text/javascript 內(nèi)燃式發(fā)動機火花塞火花塞可提供火

10、花來點燃空氣/燃油混合物以使其燃燒。 必須在正確的時刻打出火花才能正常工作。氣門進氣門和排氣門在正確的時間開啟，輸入空氣和燃油并排出廢氣。 請注意，兩種氣門在壓縮和燃燒期間都處于閉合狀態(tài)以密閉燃燒室?；钊钊且粋€金屬圓柱形部件，可以在氣缸內(nèi)部上下運動?；钊h(huán)活塞環(huán)在活塞外緣和氣缸內(nèi)徑之間起到滑動密封作用。 活塞環(huán)有兩個目的： 在壓縮和燃燒期間，防止燃燒室中的燃油/空氣混合物和廢氣泄露到油槽中。 防止油槽中的油液泄露到燃燒區(qū)域并在該處燃燒和流失。 大多數(shù)“燒油”汽車必須每隔1600公里便添加1升左右的油，其中的原因就是發(fā)動機老化，而且活塞環(huán)不再能夠起到正確的密封作用。連桿連桿將活塞連接到曲軸。

11、 它的兩端都可以旋轉(zhuǎn)，以便在活塞運動和曲軸旋轉(zhuǎn)的同時改變角度。曲軸曲軸將活塞的上下運動轉(zhuǎn)變?yōu)閳A周運動，就如同一打開盒子就跳出一個小人的玩具盒上的曲柄一樣。油槽油槽圍繞在曲軸周圍。 它包含一定量的機油，這些機油集中在底部（油盤）。下面我們來看看發(fā)動機可能會出現(xiàn)的一些問題。 發(fā)動機常見問題某天早晨您想外出，發(fā)動機轉(zhuǎn)了幾下但是沒有啟動，是什么地方出問題了？ 現(xiàn)在您已經(jīng)知道發(fā)動機的工作原理了，應該能夠了解是哪些原因?qū)е掳l(fā)動機無法運轉(zhuǎn)。 可能有以下三種原因： 燃油混合得不好、缺乏壓縮或者不能打火。 除此之外，還有許多可能導致問題的其他原因，但是上面的三個原因是主要因素。 以我們正在討論的簡單發(fā)動機為例，

12、下面簡要討論了這些問題對發(fā)動機的影響： 燃油混合得不好：可能會由于以下原因而導致燃油混合得不好： 缺少燃油，因此發(fā)動機只得到空氣但是得不到燃油。 進氣不暢，因此只有燃油但是沒有足夠的空氣。 燃油系統(tǒng)供應的燃油可能太多或太少，因此導致無法正確燃燒。 燃油中可能有雜質(zhì)（例如油箱中有水），導致燃油無法燃燒。 缺少壓縮：如果進入的空氣和燃油不能被正確壓縮，則燃燒過程將不盡如人意。 可能會因以下原因?qū)е氯狈嚎s： 活塞環(huán)磨損（使得空氣/燃油混合物在壓縮過程中漏出活塞）。 進氣門或排氣門沒有正確密封，使得在壓縮過程中發(fā)生泄露。 氣缸上出現(xiàn)了孔洞。 氣缸上最常見的“孔洞”出現(xiàn)在氣缸頂部（用于安裝氣門和火花塞

13、，又稱作“氣缸蓋”）與氣缸本身相連的部位。 通常，氣缸和氣缸蓋螺栓之間有一個薄墊，以確保密封效果。 如果該墊片破損，便會在氣缸和氣缸蓋之間出現(xiàn)許多小孔洞并導致泄露。 不能打火：不能產(chǎn)生火花或火花很弱，原因主要包括： 如果火花塞或者導線發(fā)生磨損，則火花會很微弱。 如果導線斷開或缺失，或者用于打火的系統(tǒng)不能正常工作，則不會產(chǎn)生火花。 如果火花在循環(huán)中出現(xiàn)的太早或太晚（例如，如果點火正時處于關閉狀態(tài)），那么燃油將不會在正確的時間點燃，并會由此導致各種問題。 還可能是其他方面出了問題。例如： 如果蓄電池沒有電，則無法啟動和運轉(zhuǎn)發(fā)動機。 如果允許曲軸自由轉(zhuǎn)動的軸承已磨壞，那么曲軸將無法轉(zhuǎn)動，從而導致發(fā)動

14、機無法運轉(zhuǎn)。 如果氣門不能在正確的時間打開或關閉（或者根本無法打開和關閉），那么空氣將無法進入，廢氣也無法排出，從而導致發(fā)動機無法運轉(zhuǎn)。 如果有人在您的排氣尾管中塞了一個土豆，那么廢氣將無法排出氣缸，從而導致發(fā)動機無法運轉(zhuǎn)。 如果機油已經(jīng)用完，活塞將不能在氣缸中自由上下運動，從而卡住發(fā)動機。 在正常運行的發(fā)動機中，所有上述因素都在允許的范圍內(nèi)。 正如您所看到的，發(fā)動機需要大量系統(tǒng)的幫助才能完成將燃油轉(zhuǎn)換為運動的工作。 大多數(shù)子系統(tǒng)都可通過不同的技術來實現(xiàn)，使用的技術越先進，發(fā)動機的性能也就越出色。 在下面的部分中，我們將介紹現(xiàn)代發(fā)動機中使用的各種子系統(tǒng)。 氣門機構多數(shù)發(fā)動機子系統(tǒng)可以通過不同的

15、技術加以改進，更好的技術能提高發(fā)動機的性能。下面我們將從氣門機構開始看一看現(xiàn)代發(fā)動機中使用的各種子系統(tǒng)。氣門機構由氣門以及開合氣門的機構組成。 開合系統(tǒng)稱作凸輪軸。 凸輪軸上有凸輪，可以向上和向下移動氣門。 圖5. 凸輪軸 大多數(shù)現(xiàn)代發(fā)動機都有稱為頂置凸輪軸的機構。 也就是說，凸輪軸位于氣門上方（如圖5 所示）。凸輪軸上的凸輪直接控制氣門，或者通過一個很短的連桿控制氣門。 老式的發(fā)動機使用的凸輪軸位于曲軸附近的油槽中。 使用橫桿將下方的凸輪連接到位于氣門上方的氣門挺桿。 這種方法使用的運動零件較多，并且會導致凸輪激活氣門的動作大大滯后于氣門的后續(xù)運動。 使用正時皮帶或正時鏈條將曲軸與凸輪軸聯(lián)系

16、在一起，以便氣門與活塞保持同步。 凸輪軸的連接方式使得它的轉(zhuǎn)動速度是曲軸的一半。 許多高性能發(fā)動機的每個氣缸有四個氣門（兩個進氣門，兩個排氣門），這種布置方式需要為每組氣缸提供兩個凸輪軸，因此稱作“雙頂置凸輪軸”。 有關詳細信息，請參見凸輪軸工作原理。 點火和冷卻系統(tǒng)點火系統(tǒng)（圖6）可產(chǎn)生高壓電荷并通過點火線將其輸送到火花塞。 電荷首先流向分配器，可以很容易地在大多數(shù)汽車的發(fā)動機蓋下找到該分配器。 分配器的中央有一根輸入電流的導線，有四、六或八根輸出電流的導線（取決于氣缸數(shù)量）。 這些點火線可將電荷輸送到每個火花塞。 發(fā)動機經(jīng)過設置，可使一個時間只有一個氣缸會從分配器獲得點火火花。 這樣可以獲

17、得最大的平滑性。 language=javascript type=text/javascript 圖6. 點火系統(tǒng) 關于轉(zhuǎn)子發(fā)動機以及往復式活塞發(fā)動機的比較 大部分人都知道我們?nèi)粘Ｓ玫氖腔钊鶑褪桨l(fā)動機，又分為兩沖程發(fā)動機和四沖程發(fā)動機（以下以四沖程發(fā)動機為例），但是還有一種不為大部分人所熟知的發(fā)動機，那就是轉(zhuǎn)子發(fā)動機，又叫汪克爾發(fā)動機。 豐田皇冠往復式發(fā)動機馬自達RX8轉(zhuǎn)子發(fā)動機我們?nèi)粘＝?jīng)?？吹降臑榛钊鶑瓦\動形式的發(fā)動機，即活塞在汽缸內(nèi)作往復的直線運動，通過曲軸把活塞的直線運動轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子發(fā)動機沒有這個轉(zhuǎn)化過程，它是通過活塞在汽缸內(nèi)的旋轉(zhuǎn)來帶動發(fā)動機主軸（即普通發(fā)動機的曲軸,

18、因為不是彎曲的故不再叫曲軸）旋轉(zhuǎn)的，故兩者有著很大的區(qū)別。發(fā)動機通過燃燒油氣混合氣來推動活塞作往復運動帶動曲軸旋轉(zhuǎn)，活塞頂面距曲軸中心線最遠的位置稱為上止點（TDC-Top Dead Center）,活塞頂面距曲軸中心線最近的位置稱為下止點（BDC-Bottom Dead Center）.以四沖程汽油發(fā)動機為例，如下圖a進氣沖程：活塞從上止點運動到下止點的過程叫進氣沖程（曲軸旋轉(zhuǎn)角度0180），該沖程進氣門打開，排氣門關閉，氣室與大氣相通，通過大氣壓力使油氣混合氣進入，進氣終了汽缸內(nèi)壓力約為0.0750.09MPa。 b壓縮沖程：活塞從下止點運動到上止點的過程叫壓縮沖程（曲軸旋轉(zhuǎn)角度18036

19、0），該沖程進排氣門全關閉，氣室內(nèi)的油氣混合氣壓力逐漸升高，壓縮沖程終了氣室內(nèi)壓力約為0.61.2MPa。 c作功沖程：活塞從上止點運動到下止點的過程叫作功沖程（曲軸旋轉(zhuǎn)角度360540），該沖程進排氣門全關閉，活塞在上止點位置時火花塞跳火點燃油氣混合氣使氣缸內(nèi)的壓力急劇升高（可達到35MPa），推動活塞作向曲軸的運動，壓力逐漸下降，作功沖程終了氣室內(nèi)壓力約為0.30.5MPa。 d排氣沖程：活塞從下止點運動到上止點的過程叫排氣沖程（曲軸旋轉(zhuǎn)角度540720），該沖程進氣門關閉，排氣門打開，活塞向上運動推動燃燒后的廢氣排出氣室，該沖程終了氣室內(nèi)的氣壓約為0.1050.115MPa。該沖程的結束

20、也標志這發(fā)動機一個工作循環(huán)的結束。轉(zhuǎn)子發(fā)動機下圖為轉(zhuǎn)子發(fā)動機與往復式發(fā)動機各沖程的比較（圖中兩個氣孔左側(cè)為進氣，右側(cè)為排氣）,該轉(zhuǎn)子發(fā)動機與往復式四沖程發(fā)動機工循環(huán)相同，即由進氣、壓縮、作功、排氣四個沖程構成，圖中由三角轉(zhuǎn)子的一個弧面BC與氣缸型面之間形成的工作腔（BC工作腔）為例，說明轉(zhuǎn)子發(fā)動機的四沖程工作原理。 a b c d a 進氣沖程進氣沖程：當三角轉(zhuǎn)子的角頂C轉(zhuǎn)到進氣孔右邊的邊緣時，BC工作腔開始進氣，在位置a，進排氣孔相通，進排氣重疊。這是BC工作腔的容積最小，相當于往復式發(fā)動機的上止點位置。隨著轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動，BC工作腔的容積逐漸增大，可燃混合氣不斷被吸入氣缸。當轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)90（主

21、軸轉(zhuǎn)270，轉(zhuǎn)子發(fā)動機中轉(zhuǎn)子與主軸轉(zhuǎn)速比為1：3，通過相互嚙合齒輪確定）到達位置b時，BC工作腔的容積達到最大，相當于往復式發(fā)動機的下止點位置，進氣沖程結束。 壓縮沖程：隨著三角轉(zhuǎn)子的繼續(xù)轉(zhuǎn)動，角頂B越過進氣孔的左側(cè)邊緣，壓縮沖程開始，BC工作腔的容積逐漸縮小，壓力越來越大，到達位置c時，轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)180（主軸旋轉(zhuǎn)540），BC工作腔容積達到最小，相當于往復式發(fā)動機的上止點位置，壓縮沖程結束。 作功沖程：在壓縮沖程終了，火花塞跳火，高溫高壓的氣體推動三角活塞繼續(xù)轉(zhuǎn)動，BC工作腔的容積逐漸增大，當角頂C達到排氣孔右側(cè)邊緣，在位置d，轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)270（主軸旋轉(zhuǎn)810），BC工作腔的容積達到最大，相當于

22、往復式發(fā)動機的下止點位置，作功沖程結束。 排氣沖程：三角轉(zhuǎn)子角頂C轉(zhuǎn)過排氣孔右側(cè)位置時，排氣沖程開始，最終三角轉(zhuǎn)子回到位置a，排氣沖程結束，轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)360（主軸轉(zhuǎn)三周），一個工作循環(huán)結束。同時，CA工作腔、AB工作腔也分別完成一個工作循環(huán)。 發(fā)動機構成比較： 轉(zhuǎn)子發(fā)動機：機體組、配氣機構、供給系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)往復式活塞發(fā)動機:機體組、曲柄連桿機構、配氣機構、供給系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、啟動系統(tǒng) 兩種發(fā)動機的優(yōu)缺點： 往復式發(fā)動機： 優(yōu)點： 1. 制造技術成熟，誕生已經(jīng)有120多年，各種技術不斷完善，是世界上應用最廣的內(nèi)燃機，保養(yǎng)維修成本低。 2. 工作可靠，良好的氣密性和功率傳遞可靠性。 3. 良好的燃油經(jīng)濟性。 缺點： 1. 結構復雜，體積大、重量大。 2.