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发动机
目录 ·简介
·历史
·参数
·结构
·二行程发动机
·一、基本理论
·二、燃烧是关键
·三、汽缸数
·四、排量
·五、发动机的其他部分


简介
       发动机,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.

历史
       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。

       回顾发动机产生和发展的历史,它经历了外燃机内燃机两个发展阶段。

       所谓外燃机,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。

       明白了什么是外燃机,也就知道了什么是内燃机。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。

       此外还有燃气轮机,这种发动机的工作特点是燃烧产生高压燃气,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。

       人类的智慧是无穷无尽的,各种新型的发动机不断地被研制出来,但是,出于安全操控的需要,到目前为止,我们可爱的摩托车还只有一种选择——往复式发动机

参数
  首先来看看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。

  了解了排量,我们再来看发动机的其他常见参数。很多初级车友都反映经常在汽车资料的发动机一栏中见到“l4”、“v6”、“v8”、“w12”等字样,想弄明白究竟是什么意思。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。

  一般说来,排量1升以下的发动机常用3缸,例如0.8升的奥拓和福莱尔轿车。排量1升至2.5升一般为4缸发动机,常见的经济型轿车以及中档轿车发动机基本都是4缸。3升左右的发动机一般为6缸,比如排量3.0升的君威和新雅阁轿车。

  排量4升左右的发动机一般为8缸,比如排量4.7升的北京吉普的jeep4700。排量5.5升以上的发动机一般用12缸发动机,例如排量6升的宝马760li就采用v12发动机。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。

  以上是有关发动机缸数的知识,下面我们接着了解“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。

  直列发动机的汽缸体成一字排开,缸体、缸盖和曲轴结构简单,制造成本低,低速扭矩特性好,燃料消耗少,尺寸紧凑,应用比较广泛,缺点则是功率较低。一般1升以下的汽油机多采用直列3缸,1至2.5升的汽油机多采用直列4缸,有的四轮驱动汽车采用直列6缸,因为其宽度小,可以在旁边布置增压器等设施,例如北京吉普的jeep4000就采用直列6缸发动机。

  另据专业人士介绍,直列6缸发动机的动平衡较好,振动相对较小,所以也为一些中、高级轿车所采用。6到12缸的发动机一般采用v形排列,其中v10发动机主要装在赛车上。v形发动机长度和高度尺寸小,布置起来非常方便。一般认为v形发动机是比较高级的发动机,因而成为轿车级别的标志之一。

  v8发动机结构非常复杂,制造成本很高,所以使用的较少,v12发动机过大过重,只有极个别的高级轿车采用,比如上面提到的宝马760li。而大众公司近来还新开发出了w型发动机,有w8和w12两种,即汽缸分四列错开角度布置,形体紧凑,大众的顶级轿车辉腾就有一款采用了排量6.0升的w12发动机。


结构
  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。

一. 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。

  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。

  (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。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。

  现代汽车上基本都采用水冷多缸发动机,对于多缸发动机,气缸的排列形式决定了发动机外型尺寸和结构特点,对发动机机体的刚度和强度也有影响,并关系到汽车的总体布置。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。

  (1) 直列式

  发动机的各个气缸排成一列,一般是垂直布置的。单列式气缸体结构简单,加工容易,但发动机长度和高度较大。一般六缸以下发动机多采用单列式。例如捷达轿车、富康轿车、红旗轿车所使用的发动机均采用这种直列式气缸体。有的汽车为了降低发动机的高度,把发动机倾斜一个角度。

  (2) v型

  气缸排成两列,左右两列气缸中心线的夹角γ<180°,称为v型发动机,v型发动机与直列发动机相比,缩短了机体长度和高度,增加了气缸体的刚度,减轻了发动机的重量,但加大了发动机的宽度,且形状较复杂,加工困难,一般用于8缸以上的发动机,6缸发动机也有采用这种形式的气缸体。

  (3) 对置式

  气缸排成两列,左右两列气缸在同一水平面上,即左右两列气缸中心线的夹角 γ=180°,称为对置式。它的特点是高度小,总体布置方便,有利于风冷。这种气缸应用较少。

  气缸直接镗在气缸体上叫做整体式气缸,整体式气缸强度和刚度都好,能承受较大的载荷,这种气缸对材料要求高,成本高。如果将气缸制造成单独的圆筒形零件(即气缸套),然后再装到气缸体内。这样,气缸套采用耐磨的优质材料制成,气缸体可用价格较低的一般材料制造,从而降低了制造成本。同时,气缸套可以从气缸体中取出,因而便于修理和更换,并可大大延长气缸体的使用寿命。气缸套有干式气缸套和湿式气缸套两种。

  干式气缸套的特点是气缸套装入气缸体后,其外壁不直接与冷却水接触,而和气缸体的壁面直接接触,壁厚较薄,一般为1~3mm。它具有整体式气缸体的优点,强度和刚度都较好,但加工比较复杂,内、外表面都需要进行精加工,拆装不方便,散热不良。

  湿式气缸套的特点是气缸套装入气缸体后,其外壁直接与冷却水接触,气缸套仅在上、下各有一圆环地带和气缸体接触,壁厚一般为5~9mm。它散热良好,冷却均匀,加工容易,通常只需要精加工内表面,而与水接触的外表面不需要加工,拆装方便,但缺点是强度、刚度都不如干式气缸套好,而且容易产生漏水现象。应该采取一些防漏措施。

二.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。

三. 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。

  缸盖上还装有进、排气门座,气门导管孔,用于安装进、排气门,还有进气通道和排气通道等。汽油机的气缸盖上加工有安装火花塞的孔,而柴油机的气缸盖上加工有安装喷油器的孔。顶置凸轮轴式发动机的气缸盖上还加工有凸轮轴轴承孔,用以安装凸轮轴。

  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。

  汽油机燃烧室常见的三种形式。

   (1) 半球形燃烧室

  半球形燃烧室结构紧凑,火花塞布置在燃烧室中央,火焰行程短,故燃烧速率高,散热少,热效率高。这种燃烧室结构上也允许气门双行排列,进气口直径较大,故充气效率较高,虽然使配气机构变得较复杂,但有利于排气净化,在轿车发动机上被广泛地应用。

  (2) 楔形燃烧室

  楔形燃烧室结构简单、紧凑,散热面积小,热损失也小,能保证混合气在压缩行程中形成良好的涡流运动,有利于提高混合气的混合质量,进气阻力小,提高了充气效率。气门排成一列,使配气机构简单,但火花塞置于楔形燃烧室高处,火焰传播距离长些,切诺基轿车发动机采用这种形式的燃烧室。

  (3) 盆形燃烧室

  盆形燃烧室,气缸盖工艺性好,制造成本低,但因气门直径易受限制,进、排气效果要比半球形燃烧室差。捷达轿车发动机、奥迪轿车发动机采用盆形燃烧室。

四. 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,两面用石棉及橡胶粘结剂压成的气缸垫。

  安装气缸垫时,首先要检查气缸垫的质量和完好程度,所有气缸垫上的孔要和气缸体上的孔对齐。其次要严格按照说明书上的要求上好气缸盖螺栓。拧紧气缸盖螺栓时,必须由中央对称地向四周扩展的顺序分2~3次进行,最后一次拧紧到规定的力矩。


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。  

图见http://auto.21tx.com/2004/12/23/13369l
是一种用曲轴箱换气的二行程化油器式汽油机的工作原理示意图。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。

  总之,活塞上行时进行换气、压缩\曲轴箱进气;活塞下行时进行作功飞压缩曲轴箱混合气、换气。

  从以上四行程和二行程发动机的工作循环可以,看出,二行程发动机具有以下特点:
  (1)曲轴每转一周(360度)就有一个作功冲程,因此,在理论上相同排量的二行程发动机的功率,.应等于四行程发动机的两倍。
  (2)和四行程发动机相比,由于作功频率较快,因而运转比较均匀平稳。
  (3)结构简单,使用维护方便。
  
       但是,由于二行程发动机换气过稞中新鲜气体损失较多,废气排赊也不彻底,且气孔占据了一部分活塞行程,作功时能量损失较大,经济性较差。因此,实际上二行程发动机的功率并不等于四行程发动机的两倍,而是1.5-1.6倍左右。由于这个缺点,二行程汽油机在一般汽车上很少采用,仅在摩托车、少数微型汽车及其他工程,机械上应用。

一、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。

二、燃烧是关键
汽车的发动机一般都采用4冲程。(马自达的转子发动机在此不讨论,汽车画报曾做过介绍)
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。
三、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。

四、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。

五、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.

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