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发动机2014-03-10 
发动机摘要

发动机(英文:Engine),又称为引擎,是一种能够把一种形式的能转化为另一种更有用的能的机器,通常是把化学能转化为机械能。(把电能转化为机器能的称为电动机)有时它既适用于动力发生装置,也可指包括动力装置的整个机器.比如汽油发动机,航空发动机.发动机是汽车产生动力的装置。它将燃料燃烧的热能转化为机械动力,从发动机的曲轴向外输出功率,是汽车行驶所需动力的来源。现代汽车多采用往复活塞式发动机。按其使用燃料不同。可将发动机分为汽油发动机和柴油发动机两类。

目录

1 简介
2 起源
3 发展
  1. 3.1 外燃机
  2. 3.2 内燃机
  3. 3.3 燃气轮机
4 参数
  1. 4.1 发动机能量效率
5 结构
  1. 5.1 气缸体
  2. 5.2 曲轴箱
  3. 5.3 气缸盖
  4. 5.4 气缸垫
6 分类
  1. 6.1 按照进气系统分类
  2. 6.2 按照气缸排列方式分类
  3. 6.3 按照气缸数目分类
  4. 6.4 按照冷却方式分类
  5. 6.5 按照行程分类 
  6. 6.6 按照所用燃料分类
7 工作原理
8 技术解析
9 基本理论
  1. 9.1 有两点需注意
  2. 9.2 燃烧是关键
  3. 9.3 汽缸数
  4. 9.4 排量
  5. 9.5 发动机的其他部分
10 发动机保养

发动机 - 简介

发动机
发动机 

发动机(英文:Engine),又称为引擎,是一种能够把一种形式的能转化为另一种更有用的能的机器,通常是把化学能转化为机械能。(把电能转化为机器能的称谓电动机)有时它既适用于动力发生装置,也可指包括动力装置的整个机器.比如汽油发动机,航空发动机.

发动机是汽车产生动力的装置。它将燃料燃烧的热能转化为机械动力,从发动机的曲轴向外输功率,是汽车行驶所需动力的来源。现代汽车多采用往复活塞式发动机。

根据燃料以及点火形式的不同可分为汽油机或柴油机,或有以氢气、天然气、石油气为燃料的发动机,其燃烧形式与汽油机差异较小。

根据工作循环与活塞冲程特性划分,又可分为两冲程与四冲程发动机等。 

发动机 - 起源

发动机最早诞生在英国,所以,发动机的概念也源于英语,它的本义是指那种“产生动力的机械装置”。随着科技的进步,人们不断地研制出不同用途多种类型的发动机,但是,不管哪种发动机,它的基本前提都是要以某种燃料燃烧来产生动力。所以,以电为能量来源的电动机,不属于发动机的范畴。

发动机 - 发展

发动机内燃机 

发动机的发展经历了外燃机和内燃机两个发展阶段。

外燃机

就是说它的燃料在发动机的外部燃烧,发动机将这种燃烧产生的热能转化成动能,瓦特发明的蒸汽机就是一种典型的外燃机,当大量的煤燃烧产生热能把水加热成大量的水蒸汽时,高压便产生了,然后这种高压又推动机械做功,从而完成了热能向动能的转变。

内燃机

这一类型的发动机与外燃机的最大不同在于它的燃料在其内部燃烧。内燃机的种类十分繁多,我们常见的汽油机柴油机是典型的内燃机。我们不常见的火箭发动机和飞机上装配的喷气式发动机也属于内燃机。不过,由于动力输出方式不同,前两者和后两者又存在着巨大的差异。一般地,在地面上使用的多是前者,在空中使用的多是后者。当然有些汽车制造者出于创造世界汽车车速新纪录的目的,也在汽车上装用过喷气式发动机,但这总是很特殊的例子,并不存在批量生产的适用性。

燃气轮机

此外还有燃气轮机,这种发动机的工作特点是燃烧燃烧产生高压燃气,利用燃气的高压推动燃气轮机的叶片旋转,从而输出动力。燃气轮机使用范围很广,但由于很难精细地调节输出的功率,所以汽车和摩托车很少使用燃气轮机,只有部分赛车装用过燃气轮机。

发动机 - 参数

发动机发动机排量 

最常见的一个发动机参数———发动机排量。发动机排量是发动机各汽缸工作容积的总和,一般用升(L)表示。而汽缸工作容积则是指活塞从上止点到下止点所扫过的气体容积,又称为单缸排量,它取决于缸径和活塞行程。发动机排量是非常重要的发动机参数,它比缸径和缸数更能代表发动机的大小,发动机的许多指标都同排气量密切相关。一般来说,排量越大,发动机输出功率越大。

经常在汽车资料的发动机一栏中见到的“L4”、“V6”、“V8”、“W12”等字样,这些都表示发动机汽缸的排列形式和缸数。汽车发动机常用缸数有3缸、4缸、6缸、8缸、10缸、12缸等。

在同等缸径下,通常缸数越多排量越大,功率也就越高;而在发动机排量相同的情况下,缸数越多,缸径越小,发动机转速就可以提高,从而获得较大的提升功率。

关于“汽缸排列形式”这个重要参数,一般5缸以下发动机的汽缸多采用直列方式排列,常见的多数中低档轿车都是L4发动机,即直列4缸。另外,也有少数6缸发动机采用直列方式排列。

发动机能量效率

  现在的能量利用效率不高(邓宇等,1994年),浪费惊人。经典的热机做功方式,能量做功的有用效率只有25%(1/4),最高也就1/3(33.3%).而100%能量中的75%(3/4)、或66.67%(2/3)都作为无用的热浪费掉了。另有意外,“班克斯热机”是利用记忆合金制成的不要燃料,不耗电力的高效发动机。 

发动机 - 结构

发动机气缸 

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。

气缸体

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。

发动机气缸体  

按照气缸的排列方式不同,气缸体还可以分成单列式,V型和对置式三种。

曲轴箱

气缸体下部用来安装曲轴的部位称为曲轴箱,曲轴箱分上曲轴箱和下曲轴箱。上曲轴箱与气缸体铸成一体,下曲轴箱用来贮存润滑油,并封闭上曲轴箱,故又称为油底壳图(图2-6)。油底壳受力很小,一般采用薄钢板冲压而成,其形状取决于发动机的总体布置和机油的容量。油底壳内装有稳油挡板,以防止汽车颠动时油面波动过大。油底壳底部还装有放油螺塞,通常放油螺塞上装有永久磁铁,以吸附润滑油中的金属屑,减少发动机的磨损。在上下曲轴箱接合面之间装有衬垫,防止润滑油泄漏。

气缸盖

气缸盖安装在气缸体的上面,从上部密封气缸并构成燃烧室。它经常与高温高压燃气相接触,因此承受很大的热负荷和机械负荷。水冷发动机的气缸盖内部制有冷却水套,缸盖下端面的冷却水孔与缸体的冷却水孔相通。利用循环水来冷却燃烧室等高温部分。

气缸盖一般采用灰铸铁或合金铸铁铸成,铝合金的导热性好,有利于提高压缩比,所以近年来铝合金气缸盖被采用得越来越多。

气缸盖是燃烧室的组成部分,燃烧室的形状对发动机的工作影响很大,由于汽油机和柴油机的燃烧方式不同,其气缸盖上组成燃烧室的部分差别较大。汽油机的燃烧室主要在气缸盖上,而柴油机的燃烧室主要在活塞顶部的凹坑。这里只介绍汽油机的燃烧室,而柴油机的燃烧室放在柴油供给系里介绍。

发动机三种类型的燃烧室

气缸垫

气缸垫装在气缸盖和气缸体之间,其功用是保证气缸盖与气缸体接触面的密封,防止漏气,漏水和漏油。

气缸垫的材料要有一定的弹性,能补偿结合面的不平度,以确保密封,同时要有好的耐热性和耐压性,在高温高压下不烧损、不变形。目前应用较多的是铜皮——棉结构的气缸垫,由于铜皮——棉气缸垫翻边处有三层铜皮,压紧时较之石棉不易变形。有的发动机还采用在石棉中心用编织的纲丝网或有孔钢板为骨架,两面用石棉橡胶粘结剂压成的气缸垫。

发动机 - 分类

按照进气系统分类按照进气系统分类

内燃机的分类方法很多,按照不同的分类方法可以把内燃机分成不同的类型,下面让我们来看看内燃机是怎样分类的。

按照进气系统分类

内燃机按照进气系统是否采用增压方式可以分为自然吸气(非增压)式发动机和强制进气(增压式)发动机。汽油机常采用自然吸气式;柴油机为了提高功率有采用增压式的。

按照气缸排列方式分类

内燃机按照气缸排列方式不同可以分为单列式和双列式。单列式发动机的各个气缸排成一列,一般是垂直布置的,但为了降低高度,有时也把气缸布置成倾斜的甚至水平的;双列式发动机把气缸排成两列,两列之间的夹角<180°(一般为90°)称为V型发动机,若两列之间的夹角=180°称为对置式发动机。

按照气缸数目分类

按照气缸数目分类按照气缸数目分类

内燃机按照气缸数目不同可以分为单缸发动机和多缸发动机。仅有一个气缸的发动机称为单缸发动机;有两个以上气缸的发动机称为多缸发动机。如双缸、三缸、四缸、五缸、六缸、八缸、十二缸等都是多缸发动机。现代车用发动机多采用四缸、六缸、八缸发动机。

按照冷却方式分类

 内燃机按照冷却方式不同可以分为水冷发动机和风冷发动机。水冷发动机是利用在气缸体和气缸盖冷却水套中进行循环的冷却液作为冷却介质进行冷却的;而风冷发动机是利用流动于气缸体与气缸盖外表面散热片之间的空气作为冷却介质进行冷却的。水冷发动机冷却均匀,工作可靠,冷却效果好,被广泛地应用于现代车用发动机。

按照行程分类 

按照行程分类
按照行程分类

内燃机按照完成一个工作循环所需的行程数可分为四行程内燃机和二行程内燃机。把曲轴转两圈(720°),活塞在气缸内上下往复运动四个行程,完成一个工作循环的内燃机称为四行程内燃机;而把曲轴转一圈(360°),活塞在气缸内上下往复运动两个行程,完成一个工作循环的内燃机称为二行程内燃机。汽车发动机广泛使用四行程内燃机。

按照所用燃料分类

 内燃机按照所使用燃料的不同可以分为汽油机和柴油机。使用汽油为燃料的内燃机称为汽油机;使用柴油机为燃料的内燃机称为柴油机。汽油机与柴油机比较各有特点;汽油机转速高,质量小,噪音小,起动容易,制造成本低;柴油机压缩比大,热效率高,经济性能和排放性能都比汽油机好。

发动机 - 工作原理

二行程发动机
发动机二行程发动机 

二行程发动机的每个工作循环,是在曲轴旋转一周即360度,活塞上下两个行程内完成的。  

二行程柴油机的工作过程和二行程汽油机相似,不同的是:进入柴油机气缸的是纯空气。由于二行程柴油机的经济性差且排污严重,近几年在汽车上已趋淘汰。在此仅介绍二行程汽油机的工作原理。

发动机气缸体上有三个孔,即进气孔、排气孔和换气孔,这三个孔分别在一定时刻由活塞关闭。进气孔与化油器相通,可燃混合气经过进气孔流人曲轴箱,继而从换气孔进入气缸;而废气则从排气孔排出。 

其工作循环包含两个行程:

1.第一行程: 活塞自下止点向上移动,三个气孔被关闭后,在活塞上方,已进入气缸的混合气被压缩;而活塞下方的曲轴箱内因容积增大,形成一定的真空度,在进气孔露出时,可燃混合气自化油器经进气孔流人曲轴箱内。

2.第二行程: 活塞压缩到上止点附近时,火花塞跳火点燃可燃混合气,高温高压的燃气膨胀,推动活塞下移作功。活塞下移作功时进气孔关闭,密闭在曲轴箱内的可燃,混合气被压缩;当活塞接近下止点时卜排气孔开启,废气冲出;随后换气孔开启,受预压的可燃混合气冲人气缸,驱除废气,进行换气过程。此过程一直进行到下一行程活塞上移,三个气孔完全关闭为止。

发动机 - 技术解析

发动机类型  特点
 
涡轮增压发动机(Turbo) 涡轮增压发动机(Turbo)

增压技术是一种提高发动机进气能力的方法。它通过采用专门的压气机,预先对进入气缸的气体进行压缩,提高进入气缸的气体密度,增大进气量,更好地满足燃料的燃烧需要,从而达到提高发动机功率的目的。

优点:在不增加发动机排量的基础上,可大幅度提高功率和扭矩

缺点:涡轮工作有迟滞现象,并且保养费用高。

代表车型:宝来1.8T 速腾 1.8T 途安1.8T 帕萨特1.8T 奥迪A4 1.8T/2.0T 奥迪A6 2.0T  

 
机械增压发动机(Supercharger)机械增压发动机(Supercharger)

 机械增压的压缩机直接被发动机的曲轴带动,它的优点是响应性好。但是它本身需要消耗一部分能量,因此机械增压不能产生特别强大的动力,尤其是在高转速时,从而影响到发动机转速的提高。

优点:响应性好完全没有涡轮的迟滞现象,可以在任何时候都能输出源源不断的扭力。

缺点:高转速时会产生大量的摩擦,从而影响到转速的提高,并且噪音大。

代表车型:北京奔驰E200K 路虎揽胜运动版

 
汽油直喷技术(FSI)汽油直喷技术(FSI)

 FSI是Fuel Stratified Injection的词头缩写,意指燃油分层喷射。燃油分层喷射技术是发动机稀燃技术的一种。什么叫稀燃?顾名思义就是发动机混合气中的汽油含量低,汽油与空气之比可达1:25以上。它的特点是在进气道中已经产生可变涡流,使进气流形成最佳的涡流形态进入燃烧室内,以分层填充的方式推动,使混合气体集中在位于燃烧室中央的火花塞周围。

优点:在大幅提高了燃油的经济效率的同时增加发动机的功率。

缺点:对油品的要求十分苛刻。

代表车型:奥迪A4 2.0T 奥迪A62.0T

 
全铝发动机全铝发动机

 两种材质发动机最大的不同就是重量,全铝合金发动机比铸铁发动机可以轻一半的重量。本来轿车的总重量就不高,发动机所占的比例可是不能忽略,重量减轻的最直接效果便是油耗方便表现的增强。而发动机的重量也直接影响车辆的行驶性能,由于一般轿车多为前轮驱动,如前舱重量过重,车辆拐弯时会引起过多转向,并且制动距离也会加长。

优点:可以轻一半的发动机重量,能有效降低燃油消耗和提高操控表现。

缺点:铝制材料价格昂贵。

代表车型:骐达 SWIFT雨燕 奥迪A8

 
可变正时气门技术(VVT-i VECT)可变正时气门技术(VVT-i VECT)

 发动机可变气门正时技术(VVT, Variable Valve Timing)是近些年来被逐渐应用于现代轿车上的新技术中的一种,发动机采用可变气门正时技术可以提高进气充量,使充量系数增加,发动机的扭矩和功率可以得到进一步的提高。

优点:在大幅提高了燃油的经济效率的同时增加发动机的功率。

缺点:对油品的要求十分苛刻。

代表车型:本田雅阁 本田CR-V 丰田花冠 马自达6 新欧蓝德 宝马325

 
转子发动机转子发动机

 壳体的内部空间(或旋轮线室)总是被分成三个工作室。 在转子的运动过程中,这三个工作室的容积不停地变动,在摆线形缸体内相继完成进气、压缩、燃烧和排气四个过程。每个过程都是在摆线形缸体中的不同位置进行,这明显区别于往复式发动机。

优点:燃油经济效率高、发动机结构简单、振动小率。

缺点:耐用性不高,油耗大,加工成本高。

代表车型:马自达RX-8

 
水平对置发动机水平对置发动机

 水平对置发动机,发动机活塞平均分布在曲轴两侧,在水平方向上左右运动。使发动机的整体高度降低、长度缩短、整车的重心降低,车辆行驶更加平稳,发动机安装在整车的中心线上,两侧活塞产生的力矩相互抵消,大大降低车辆在行驶中的振动,便发动机转速得到很大提升,减少噪音。

优点:大大降低车辆在行驶中的振动,发动机转速得到很大提升,减少噪音。

缺点:发动机各部份的设计和生产工艺均要求相当苛刻。

代表车型:斯巴鲁翼豹WRC 保时捷 911

 
共轨柴油喷射系统共轨柴油喷射系统

 共轨式柴油喷射系统将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开。电磁阀控制的喷油器替代了传统的机械式喷油器,燃油轨中的燃油压力由一个径向柱塞式高压泵产生,压力大小与发动机的转速无关,可在一定范围内自由设定。

优点:很好经济效率,并且低速扭矩可以获得很好的动力。

缺点:发动机产生的噪音和震动大。

代表车型:宝来1.9TDI 奥迪A6 2.5TDI 华泰现代特拉卡2.9CRDi

发动机 - 基本理论

汽油发动机将汽油的能量转化为动能来驱动汽车,最简单的办法是通过在发动机内部燃烧汽油来获得动能。因此,汽车发动机是内燃机----燃烧在发动机内部发生。

有两点需注意

1. 内燃机也有其他种类,比如柴油机,燃气轮机,各有各的优点和缺点。
2. 同样也有外燃机。在早期的火车和轮船上用的蒸汽机就是典型的外燃机。燃料(煤、木头、油)在发动机外部燃烧产生蒸气,然后蒸气进入发动机内部来产生动力。内燃机的效率比外燃机高不少,也比相同动力的外燃机小很多。所以,现代汽车不用蒸汽机。
相比之下,内燃机比外燃机的效率高,比燃气轮机的价格便宜,比电动汽车容易添加燃料。这些优点使得大部分现代汽车都使用往复式的内燃机。

燃烧是关键

汽车的发动机一般都采用4冲程。
4冲程分别是:进气、压缩、燃烧、排气。完成这4个过程,发动机完成一个周期(2圈)。
理解4冲程
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。

发动机发动机

汽缸数

发动机的核心部件是汽缸,活塞在汽缸内进行往复运动,上面所描述的是单汽缸的运动过程,而实际应用中的发动机都是有多个汽缸的(4缸、6缸、8缸比较常见)。我们通常通过汽缸的排列方式对发动机分类:直列、V或水平对置(当然现在还有大众集团的W型,实际上是两个V组成)。
不同的排列方式使得发动机在顺滑性、制造费用和外型上有着各自的优点和缺点,配备在相应的汽车上。

排量

混合气的压缩和燃烧在燃烧室里进行,活塞往复运动,你可以看到燃烧室容积的变化,最大值和最小值的差值就是排量,用升(L)或毫升(CC)来度量。汽车的排量一般在1.5L~4.0L之间。每缸排量0.5L,4缸的排量为2.0L,如果V型排列的6汽缸,那就是V6 3.0升。一般来说,排量表示发动机动力的大小。
所以增加汽缸数量或增加每个汽缸燃烧室的容积可以获得更多的动力。

发动机是靠可燃气体和空气的混合燃烧来运动的,如果发动机得不到足够的新鲜空气,那么可燃气体的燃烧就不会完全,造成的结果就是燃油经济性变差,发动机功率下降。现代发动机的转速很高,通常可以达到每分钟4500转以上,完成一个工作循环只需要O.OO5秒左右的时间,传统的两气门已经无法胜任在这么短暂时间内的换气任务,从而限制了发动机性能的提高,解决的办法只有扩大气体的进出空间,用较大的空间来赢得时间。而多气门技术是最好的解决途径,它的出现使得发动机整体的质量得到了本质上提高。

所谓多气门技术就是发动机每个汽缸的气门超过2个,具体的有2进1出、2进2出、3进2出等排列型式。但是气门数过多进气量也会下降,而且会使结构更为复杂,加工工艺要求极高,增加制造成本,反而不好。因此现在的发动机普遍采用的是3到5气门的结构,尤其是4气门采用的较为广泛,而且现代的中高档轿车上的发动机几乎都采用了多气门的结构,它已经成为现代轿车的一个技术指标,例如,捷达轿车就采用了5气门技术,它可使发动机在排量相同的情况下,输出较大的功率。

发动机发动机

发动机的其他部分


凸轮轴: 控制进气阀和排气阀的开闭
火花塞: 火花塞放出火花点燃油气混合气,使得爆炸发生。火花必须在适当的时候放出。
阀门: 进气、出气阀分别在适当的时候打开来吸入油气混合气和排出尾气。在压缩和燃烧时,这两个阀都是关闭的,来保证燃烧室的密封。
活塞环: 在气缸壁和活塞中提出密封:
1.防止在压缩和燃烧时油气混合气和尾气泄漏进润滑油箱。
2.防止润滑油进入汽缸内燃烧。
大多“烧机油”的汽车就是因为发动机太旧,活塞环不再密封引起的(尾气管冒青烟)
活塞杆:连接活塞环和曲轴,使得活塞和曲轴维持各自的运动。
润滑油槽:包围着曲轴,里面有相当数量的油

发动机 - 发动机保养

为了避免汽车发动机经常出现故障,那么,建议车主朋友做到以下几点:1、对汽车发动机进行定期保养,不要等到车子坏了再来维修,这样不但花费很高的成本,而且有时还要耽误很多私人时间;2、定期给汽车换油,并使油量适中,一般以机油标尺上下限之间为最好;3、定期清洗空气滤芯,空气滤芯是纸质,清洗时一定要小心不要损坏,一般在清洗三次后就应该更换新的;4、应该注意清洗进气管道,保证进气的畅通;5、使用燃油系统清洗剂清洗燃油系统,使发动机始终保持最佳状态。6、定期使用水箱强力高效清洗剂清洗水箱,除去其中的锈迹和水垢,不但能保证发动机正常工作,而且可延长水箱和发动机的整体寿命。在汽车发动机保养方面做到以上六点的话,相信车主朋友就不用担心什么时候自己的爱车会突然抛锚,坏在半路上了。

注释与参考:
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