汽车知识大全系列之发动机
汽车知识大全系列之发动机
一、发动机结构种类解析
发动机作为汽车的动力源泉，就像人的心脏一样。不过不同人的心脏大小和构造差别不大，但是不同汽车的发动机的内部结构就有着千差万别，那不同的发动机的构造都有哪些不同？下面我们一起了解一下。
汽车的动力源泉就是发动机，而发动机的动力则来源于气缸内部。发动机气缸就是一个把燃料的内能转化为动能的场所，可以简单理解为，燃料在气缸内燃烧，产生巨大压力推动活塞上下运动，通过连杆把力传给曲轴，最终转化为旋转运动，再通过变速器和传动轴，把动力传递到驱动车轮上，从而推动汽车前进。
一般的汽车都是以四缸和六缸发动机居多，既然发动机的动力主要是来源于气缸，那是不是气缸越多就越好呢?其实不然，随着气缸数的增加，发动机的零部件也相应的增加，发动机的结构会更为复杂，这也降低发动机的可靠性，另外也会提高发动机制造成本和后期的维护费用。所以，汽车发动机的气缸数都是根据发动机的用途和性能要求进行综合权衡后做出的选择。像V12型发动机、W12型发动机和W16型发动机只运用于少数的高性能汽车上。
其实V型发动机，简单理解就是将相邻气缸以一定的角度组合在一起，从侧面看像V字型，就是V型发动机。V型发动机相对于直列发动机而言，它的高度和长度有所减少，这样可以使得发动机盖更低一些，满足空气动力学的要求。而V型发动机的气缸是成一个角度对向布置的，可以抵消一部分的震动，但是不好的是必须要使用两个气缸盖，结构相对复杂。虽然发动机的高度减低了，但是它的宽度也相应增加，这样对于固定空间的发动机舱，安装其他装置就不容易了。
将V型发动机两侧的气缸，再进行小角度的错开，就是W型发动机了。W型发动机相对于V型发动机，优点是曲轴可更短一些，重量也可轻化些，但是宽度也相应增大，发动机舱也会被塞得更满。缺点是W型发动机结构上被分割成两个部分，结构更为复杂，在运作时会产生很大的震动，所以只有在少数的车上应用。
水平对置发动机的相邻气缸相互对立布置（活塞的底部向外侧），两气缸的夹角为180°，不过它与180°V型发动机还是有本质的区别的。水平对置发动机与直列发动机类似，是不共用曲柄销的（也就是说一个活塞只连一个曲柄销），而且对向活塞的运动方向是相反的，但是180°V型发动机则刚好相反。水平对置发动机的优点是可以很好的抵消振动，使发动机运转更为平稳；重心低，车头可以设计得更低，满足空气动力学的要求；动力输出轴方向与传动轴方向一致，动力传递效率较高。缺点：结构复杂，维修不方便；生产工艺要求苛刻，生产成本高，在知名品牌的轿车中只有保时捷和斯巴鲁还在坚持使用水平对置发动机。
发动机之所以能源源不断的提供动力，得益于气缸内的进气、压缩、做功、排气这四个行程的有条不紊地循环运作。
进气行程，活塞从气缸内上止点移动至下止点时，进气门打开，排气门关闭，新鲜的空气和汽油混合气被吸入气缸内。
压缩行程，进排气门关闭，活塞从下止点移动至上止点，将混合气体压缩至气缸顶部，以提高混合气的温度，为做功行程做准备。
做功行程，火花塞将压缩的气体点燃混合气体在气缸内发生“爆炸”产生巨大压力，将活塞从上止点推至下止点，通过连杆推动曲轴旋转。
排气行程，活塞从下止点移至上止点，此时进气门关闭，排气门打开，将燃烧后的废气通过排气歧管排出气缸外。
发动机能产生动力其实是源于气缸内的“爆炸力”。在密封气缸燃烧室内，火花塞将一定比例汽油和空气的混合气体在合适的时刻里瞬间点燃，就会产生一个巨大的爆炸力，而燃烧室是顶部是固定的，巨大的压力迫使活塞向下运动，通过连杆推动曲轴，在通过一系列机构把动力传到驱动轮上，最终推动汽车。
要想气缸内的“爆炸”威力更大，适时的点火就非常重要了，而气缸内的火花塞就是扮演“引爆”的角色。其实火花塞点火的原理有点类似雷电，火花塞头部有中心电极和侧电极(相于两朵带相反极性离子的云)，两个电极之间有个很小的间隙(称为点火间隙)，当通电时能产生高达1万多伏的电火花，可以瞬间“引爆”气缸内的混合气体。
要想气缸内不断的发生“爆炸”，必须不断的输入新的燃料和及时排出废气，进、排气门在这过程中就扮演了重要角色。进、排气门是由凸轮控制的，适时的执行“开门”和“关门”这两个动作。为什么看到的进气门都会比排气门大一些呢？因为一般进气是靠真空吸进去的，排气是挤压将废气推出，所以排气相对比进气容易。为了获得更多的新鲜空气参与燃烧，因而进气门需要弄大点以获得更多的进气。
如果发动机有多个气门的话，高转速时进气量大、排气干净，发动机的性能也比较好（类似一个电影院，门口多的话进进出出就方便多了）但是多气门设计较复杂尤其是气门的驱动方式、燃烧室构造和火花塞位置，都需要进行精密的布置，这样生产工艺要求高，制造成本自然也高，后期的维修也困难。所以气门数不宜过多，常见的发动机每个气缸有4个气门(2进2出)。
二、发动机可变气门原理解析
前面已经了解过发动机的基本构造和动力来源。其实发动机的实际运转速度并不是一成不变的，而是像人跑步一样，时而急促，时而平缓，那么调节好自己的呼吸节奏尤其重要，下面我们就来了解一下发动机是怎样“呼吸”的。
简单来说，凸轮轴是一根有多个圆盘形凸轮的金属杆。这根金属杆在发动机工作中起到什么作用？它主要负责进、排气门的开启和关闭。凸轮轴在曲轴的带动下不断旋转，凸轮便不断地下压气门（摇臂或顶杆），从而实现控制进气门和排气门开启和关闭的功能。
在发动机外壳上经常会看到SOHC、DOHC这些字母，这些字母到底表示的是什么意思？OHV是指顶置气门底置凸轮轴，就是凸轮轴布置在气缸底部，气门布置气缸顶部。OHC是指顶置凸轮轴，也就是凸轮轴布置在气缸的顶部。
如果气缸顶部只有一根凸轮轴同时负责进、排气门的开、关称为单顶置凸轮轴（SOHC）。气缸顶部如果有两根凸轮轴分别负责进、排气门的开关，则称为双顶置凸轮轴（DOHC）。
底置凸轮轴的凸轮与气门摇臂间需要采用一根金属连杆连接，凸轮顶起连杆从而推动摇臂来实现气门的开合。但过高的转速容易导致顶杆折断，因此这种设计多应用于大排量、低转速、追求大扭矩输出的发动机。而凸轮轴顶置可省略顶杆简化了凸轮轴到气门的传动机构，更适合发动机高速时的动力表现顶置凸轮轴应用比较广泛。
配气机构主要包括正时齿轮系、凸轮轴、气门传动组件（气门、推杆、摇臂等），主要的作用是根据发动机的工作情况，适时的开启和关闭各气缸的进、排气门，以使得新鲜混合气体及时充满气缸，废气得以及时排出气缸外。
所谓气门正时，可以简单理解为气门开启和关闭的时刻。理论上在进气行程中，活塞由上止点移至下止点时，进气门打开、排气门关闭；在排气行程中，活塞由下止点移至上止点时，进气门关闭、排气门打开。
那为什么要正时呢？其实在实际的发动机工作中，为了增大气缸内的进气量，进气门需要提前开启、延迟关闭；同样地，为了使气缸内的废气排的更干净，排气门也需要提前开启、延迟关闭，这样才能保证发动机有效的运作。
发动机在高转速时，每个气缸在一个工作循环内，吸气和排气的时间是非常短的，要想达到高的充气效率，就必须延长气缸的吸气和排气时间，也就是要求增大气门的重叠角；而发动机在低转速时，过大的气门重叠角则容易使得废气倒灌，吸气量反而会下降，从而导致发动机怠速不稳，低速扭矩偏低。
固定的气门正时很难同时满足发动机高转速和低转速两种工况的需求，所以可变气门正时应运而生。可变气门正时可以根据发动机转速和工况的不同而进行调节，使得发动机在高低速下都能获得理想的进、排气效率。
影响发动机动力的实质其实与单位时间内进入到气缸内的氧气量有关，而可变气门正时系统只能改变气门的开启和关闭的时间，却不能改变单位时间内的进气量，变气门升程就能满足这个需求。如果把发动机的气门看作是房子的一扇“门”的话，气门正时可以理解为“门”打开的时间，气门升程则相当于“门”打开的大小。
丰田的可变气门正时系统已广泛应用，主要的原理是在凸轮轴上加装一套液力机构，通过ECU的控制，在一定角度范围内对气门的开启、关闭的时间进行调节，或提前、或延迟、或保持不变。凸轮轴的正时齿轮的外转子与正时链条(皮带)相连，内转子与凸轮轴相连。外转子可以通过液压油间接带动内转子，从而实现一定范围内的角度提前或延迟。
本田的i-VTEC可变气门升程系统的结构和工作原理并不复杂，可以看做在原来的基础上加了第三根摇臂和第三个凸轮轴。它是怎样实现改变气门升程的呢?可以简单的理解为，通过三根摇臂的分离与结合一体，来实现高低角度凸轮轴的切换，从而改变气门的升程。
当发动机处于低负荷时，三根摇臂处于分离状态，低角度凸轮两边的摇臂来控制气门的开闭气门升程量小;当发动机处于高负荷时，三根摇臂结合为一体，由高角度凸轮驱动中间摇臂，气门升程量大。
宝马的Valvetronic可变气门升程系统，主要是通过在其配气机构上增加偏心轴、伺服电机和中间推杆等部件来改变气门升程。当电动机工作时，蜗轮蜗杆机构会驱动偏心轴发生旋转，再通过中间推杆和摇臂推动气门。偏心轮旋转的角度不同，凸轮轴通过中间推杆和摇臂推动气门产生的升程也不同，从而实现对气门升程的控制。
奥迪的AVS可变气门升程系统，主要通过切换凸轮轴上两组高度不同的凸轮，来实现改变气门的升程，其原理与本田的i-VTEC非常相似，只是AVS系统是通过安装在凸轮轴上的螺旋沟槽套筒，来实现凸轮轴的左右移动，进而切换凸轮轴上的高低凸轮。
发动机处于高负荷时，电磁驱动器使凸轮轴向右移动，切换到高角度凸轮，从而增大气门的升程;当发动机处于低负荷时，电磁驱动器使凸轮轴向左移动，切换到低角度凸轮，以减少气门的升程。
轻混合动力车的主要驱动力是燃油发动机，而电动机只是作为辅助作用不能单独驱动汽车。但能在车辆减速、制动时进行能量回收，实现混合动力的最大效率。
