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汽车发动机技术及其新进展

摘要：汽车发动机作为汽车的核心部分，是一个汽车的灵魂，汽车发动机的好坏直接影响到汽车的价值与功能。本文通过汽车发动机的基本原理和构造、衡量汽车发动机的技术指标、汽车发动机的性能提高和汽车发动机的发展趋势四方面介绍汽车发动机技术及其新进展。
关键词：汽车发动机 基本原理 性能指标 发展趋势

1、汽油发动机的基本原理和构造 发动机是一种由许多机构和系统组成的复杂机器。无论是汽油机，还是柴油机；无论是四行程发动机，还是二行程发动机；无论是单缸发动机，还是多缸发动机。要完成能量转换，实现工作循环，保证长时间连续正常工作，都必须具备以下一些机构和系统。 1.1、 曲柄连杆机构 曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动零件。它由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成。在作功行程中，活塞承受燃气压力在气缸内作直线运动，通过连杆转换成曲轴的旋转运动，并从曲轴对外输出动力。而在进气、压缩和排气行程中，飞轮释放能量又把曲轴的旋转运动转化成活塞的直线运动。 1.2、 配气机构 配气机构的功用是根据发动机的工作顺序和工作过程，定时开启和关闭进气门和排气门，使可燃混合气或空气进入气缸，并使废气从气缸内排出，实现换气过程。配气机构大多采用顶置气门式配气机构，一般由气门组、气门传动组和气门驱动组组成。 1.3、 燃料供给系统 汽油机燃料供给系的功用是根据发动机的要求，配制出一定数量和浓度的混合气，供入气缸，并将燃烧后的废气从气缸内排出到大气中去；柴油机燃料供给系的功用是把柴油和空气分别供入气缸，在燃烧室内形成混合气并燃烧，最后将燃烧后的废气排出。 1.4、 润滑系统 润滑系的功用是向作相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油，以实现液体摩擦，减小摩擦阻力，减轻机件的磨损。并对零件表面进行清洗和冷却。润滑系通常由润滑油道、机油泵、机油滤清器和一些阀门等组成。 1.5、 冷却系统 冷却系的功用是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。水冷发动机的冷却系通常由冷却水套、水泵、风扇、水箱、节温器等组成。 1.6、 点火系统 在汽油机中，气缸内的可燃混合气是靠电火花点燃的，为此在汽油机的气缸盖上装有火花塞，火花塞头部伸入燃烧室内。能够按时在火花塞电极间产生电火花的全部设备称为点火系，点火系通常由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈和火花塞等组成。 1.7、 起动系统 要使发动机由静止状态过渡到工作状态，必须先用外力转动发动机的曲轴，使活塞作往复运动，气缸内的可燃混合气燃烧膨胀作功，推动活塞向下运动使曲轴旋转。发动机才能自行运转，工作循环才能自动进行。因此，曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动地怠速运转的全过程，称为发动机的起动。完成起动过程所需的装置，称为发动机的起动系。2、 衡量发动机优劣的技术指标 从技术角度评判一台发动机技术的优劣对购车者的专业知识提出了较高的要求。北方交通大学动力工程系副系主任李国岫介绍，普通消费者可以从汽缸排列方式、气门数、最大功率、最大扭矩、升功率五个角度对发动机性能进行评判。 2.1、汽缸排列方式 主要分为直列、V 形、W 形和水平对置四种方式。一般 4 缸以下的发动机多采用直列汽缸，直列发动机的汽缸一字排开，结构简单，制造成本低，低速扭矩特性好，但功率较低。6 到 8 缸发动机大多采用 V 形排列， 形即汽缸分四列错开角度布置， V 形体紧凑，布置方便，值得一提的是大众曾推出过 5 缸的帕萨特 V5.12 缸发动机多采用 V 形或 W 形排列， 形即 W 此外斯巴鲁和保时捷两个运动化品牌都推崇水平对置发动机型式，将两个 V6 机排列在一起。相邻两个汽缸水平对置，相互抵消振动，使发动机旋转更平稳；但这种机型成本较高，且不易修理。 2.2、气门数 上世纪九十年代生产的国产轿车发动机大多采用每缸 2 气门，一进气一排气；目前世界主流轿车发动机多采用每缸 4 气门结构，即 2 个进气门，2 个排气门，提高了进、排气的效率；已停产的捷达王采用每缸 5 气门结构，即 3 个进气门，2 个排气门，主要作用是加大进气量，使燃烧更加彻底。5 气门结构可以提高进气效率，但加工相对困难。 2.3、最大功率 在我国一般用千瓦作单位。发动机的输出功率同转速关系很大，随着转速的增加，发动机的功率也相应提高，但是到了一定的转速以后，功率反而呈下降趋势。一般来说最大功率越高，车辆的最高车速越快。 2.4、最大扭矩 发动机从曲轴端输出的力矩，与发动机提供的牵引力成正比，单位是牛米（Nm）。扭矩大小直接反应车辆瞬时提速能力，最大扭矩一般出现在发动机的中、低转速的范围，车辆起步或低速状态下提速更加有力；最大扭矩出现在发动机高转速状态，高速行驶时油门也能保持良好响应。技术最先进的发动机往往能在很广阔的转速区间提供最大扭矩 90％以上的扭矩平台，在低中高各种转速下均能保证良好的加速能力。 2.5、升功率 即每升汽缸工作容积所发出的功率，一般情况下发动机升功率越高，整体技术水平也越高。例如飞度 1.3 升功率 44.8kW，飞度 1.5 升功率 52.77kW，表明本田 1.5LVTEC 发动机技术优于 1.3Li-DSI 技术。目前绝大多数国产发动机升功率均高于 40kW，而奇瑞刚刚推出的2.0LDGI 发动机 72kW 的升功率是毫无争议的动力之王。3、提高汽车发动机性能的方法 3.1、汽车发动机可采用新型燃烧室、多气门、燃油喷射与进排气可变控制技术、低释热技术、发动机整体综合控制技术等，提高发动机性能。 3.2、采用汽油喷射替代化油器；采用缸内混合及汽油直接喷射以改变缸外混合及节流调节办法；采用高能点火及特种火花塞；采用稀混合气及快速燃烧；采用增压技术提高性能；采用可变气门定时及换气系统，以改善转矩特性等等。 3.3、将分隔式燃烧室改为直喷燃烧室；采用新的供油技术及设备，如两阶段供油法及双弹簧喷油器；提高喷油压力及使用多孔，小孔径的喷油嘴；采用增压加中冷技术；采用电控供油等技术。4、汽油发动机技术的发展趋势 近 与汽车造型设计流行趋势的日新月异相比， 10 年来车用汽油发动机技术升级主要体现在为适应环保法规而引入的排放后处理以及电控系统的优化升级方面，总体技术框架并未获得革命性突破。 4.1、普及技术：多气门技术与顶置凸轮轴 多气门：老式发动机大多采用每缸 2 气门，一进气一排气；目前汽车发达国家最新推出的车型，发动机多采用单缸四气门和五气门，前者两进两排，后者三进两排。一般说气门多的发动机更先进，其进排气效率高，动力更强，同等条件下油耗会低一些；但多气门发动机维修难度较大，达到最大扭矩转速也往往更高，起步加速未必超过 2 气门发动机。 顶置凸轮轴：凸轮轴是属于发动机的配气机构，按安装位置分为下置、中置、顶置三种形式。轿车发动机由于转速可达 5000rpm 以上，为保证进排气效率，都采用了顶置式气门装置。顶置凸轮轴按照凸轮轴的数目，分为单顶置凸轮轴（SOHC）和双顶置凸轮轴（DOHC），由于中高档轿车发动机一般是多气门及 V 形汽缸排列，需采用 DO 鄄 HC 分别控制进、排气门。 4.2、领先技术：涡轮增压、可变气门正时与双火花塞 涡轮增压：在排量一定情况下，若想提高发动机功率，最有效的方法是增加燃料并提供足够支持燃烧的空气。涡轮增压由发动机排出的废气带动涡轮高速旋转，再通过一系列机械传动机构，推动风扇为发动机压入更多空气。 可变气门正时：也称可变配气相位。发动机在一些工况下会出现难以解决的矛盾，例如如何保证低转速时的扭矩输出和高转速时的功率输出及在这些工况下的燃油消耗等问题，用单个节气门控制的燃油供给方式是难以完满解决的。最好的方式就是通过可变进气管道、可变压缩比和可变气门的升程和正时来解决这个问题。 双火花塞：适用于排量较小的车型，国内典型的车型是飞度 1.3 的 i—DSI 智能双火花塞顺序点火系统，每个汽缸有两个火花塞对角布置，实现顺序相位点火控制。双火花塞的设计使点火的效率更高，同时提高了发动机的压缩比，使燃烧效率得到提升。国外使用该技术的车型包括阿尔法罗米欧 156 等。 4.3、前沿技术：缸内直喷与可变进气歧管长度 缸内直喷：缸内直喷通过均匀燃烧和分层燃烧，实现燃油消耗降低，比常规发动机节油10％以上，动力性能同时大幅提升。目前欧洲市场上销售的拉古娜 II2.0 IDE 与奥迪A42.0LFSI 等运动版车型均采用了缸内直喷技术。日本版第十二代皇冠装备的 3GR-FSE 发动机本已采用了缸内直喷技术，但一汽丰田出于对中国油品质量的担心，在国产版使用了3GR-FE 发动机，使得缸内直喷技术与中国消费者擦肩而过。 可变进气歧管长度：燃烧所必须的空气通过进气歧管进入汽缸。较长的进气歧管使发动机在低转速下获得较大的扭矩，但在高转速下却会出现较低的最大输出功率；较短的进气歧管使发动机在低转速下获得较小的扭矩，但在高转速下却会出现较高的最大输出功率。通过双级可变进气歧管，可以保证在相应的转速范围内具有有效长度，保证低转速具有较大的扭矩的同时，在高转速区也具有较高的最大输出功率，保证发动机在高速行驶时具有较好的加速性。 可变进气歧管长度技术与中国消费者没有太大关联，国际上用该技术的包括宝马 7 系和蓝博基尼等少数车型。5、全新的汽车理念---有氧发动机 有氧发动机是一种用发动机自身驱动的制氧机制造氧气，然后通过燃料和氧气混合后点燃产生高温高压工质来工作，以完成热功转换的机械。 有氧发动机属于两冲程发动机，由于燃料在有充足氧气的情况下很容易被点燃，所以不再需要用压缩来提高混合气的压力和温度。众所周知燃料在有充足氧气的情况下被点燃，可以发生爆炸。虽然爆炸一般难以控制，但是通过控制爆炸物量的方式就可以控制释放出来能量的大小。同时有氧发动机用叶轮取代活塞承受高温高压气体的推力，等于扩大了活塞的上下止点间距离，能更充分的接受和转化燃料爆发力。 有氧发动机的工作原理是：一定量的燃料和氧气在密闭气室内混合并点燃爆炸，爆炸产生的高压气体推动特制的气动马达转动，气动马达上的小齿轮与轮圈上的内齿圈啮合，推动车轮旋转。从而实现利用燃料和氧气混合爆炸完全释放能量、又能安全有效的输出对外做功的目的。 有氧发动机驱动的汽车相对现有汽车在整体上有优势：有氧发动机的结构简单，从能量释放到最后作功的能量传递环节减少到只有一个气动马达，不再需要活塞、曲轴、连杆、飞轮等，减少了摩擦损失的能量，所以机械效率高于内燃发动机；有氧发动机相对现有内燃机不但节省燃料，而且减少了对外界污染。因为有氧发动机由自身驱动的制氧机供氧帮助燃烧，燃料的氧化充分，能量转化率高，而且不再局限于石化有机燃料，可以使用气体，液体，固体粉末等多种形式的燃料。现有内燃发动机使用空气助燃，而空气含氧量低，不能使燃料完全氧化，结果即浪费了燃料又污染环境。使用有氧发动机的车辆，车速和燃料消耗量成正比，无论低速或高速行驶都是经济油耗，而且车辆在行进时发动机工作，在停车时发动机停止工作，减少了发动机空转的能量消耗，相对内燃发动机节省燃料。 有氧发动机驱动的汽车相对现有汽车在使用控制上有优势：使用有氧发动机的车辆，发动机自身就可以完成动力产生、传递以及无级变速，因此不需要传统汽车的传动系统，离合器、变速器、传动轴、驱动桥等。简化了结构，减轻了重量，节约了成本，也减少了摩擦导致的能量损失；而且很容易实现电控或遥控发动机及车辆，用电子控制单元取代了传统的机械转向和制动等系统，这也有利于车辆向自动驾驶方向的发展。 有氧发动机驱动的汽车相对现有汽车在结构上有优势：有氧发动机的燃料箱和制氧机全部可以安装在汽车底盘中，底盘上部为平面结构，因此汽车就像大型“滑板”和车壳的组合体，车内布局十分简洁，有利于车身形状设计；发动机直接安装在汽车的各个轮子上，动力直接作用在车轮上，相对于车轴传动方式的动力臂要长的多，所以更省力，在同样载重下可以用较小功率的发动机驱动，优于传统的车辆驱动方式。而且车辆重心降低，稳定性提高，安全性增强；车身也可以较高，使车辆的离地间隙增大，通过性增强；同时多轮驱动，越野性能较好。 使用有氧发动机驱动汽车的前景：首先有氧发动机是在计算机的控制下工作，输出功率的大小可以自由调节，表现为车速可以随意调节；如果配合上车外情况探测装置和电子地图及 GPS 定位，然后将所有信息通过计算机处理，结合电子控制的转向系统，刹车系统，就可以做到汽车自动驾驶。从而使汽车不在需要专门的驾驶员，任何人不管是老人还是小孩，上车后只要告诉汽车要到那里去，汽车就会自动安全的将他送到目的地。 结论：通过汽车构造这门课程的学习，了解了汽车的原理，加深了对机械的理解，同时也发现了中外汽车工业的差距和我们努力的方向。

参考文献： 1、《汽车发动机原理》 徐兆坤 主编 北京 清华大学出版社 2010 2、
《现代汽车发动机原理》赵丹平 主编 北京 北京大学出版社 2010 3、
《新型汽车发动机集中控制系统的硏究与开发》陈渝光 主编 西安交通大学 2004

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