汽車發動機技術及其新進展

馬天海

(西藏林芝地區職業技術學校,西藏林芝 860000)

汽車發動機技術及其新進展

馬天海

(西藏林芝地區職業技術學校,西藏林芝 860000)

發動機是將某一種形式的能量轉換為機械能的機器。其功用是將液體或氣體的化學能通過燃燒后轉化為熱能,再把熱能通過膨脹轉化為機械能并對外輸出動力。汽車的動力來自發動機。發動機是汽車的心臟,為汽車的行走提供動力,汽車的動力性、經濟性、環保性。 汽車發動機作為汽車的核心部分,是一個汽車的靈魂,汽車發動機的好壞直接影響到汽車的價值與功能。本文通過汽車發動機的基本原理和構造、衡量汽車發動機的技術指標、汽車發動機的性能提高和汽車發動機的發展趨勢四方面介紹汽車發動機技術及其新進展。

汽車發動機 基本原理 性能指標 發展趨勢

1 汽油發動機的基本原理和構造

發動機是一種由許多機構和系統組成的復雜機器。無論是汽油機，還是柴油機；無論是四行程發動機，還是二行程發動機；無論是單缸發動機，還是多缸發動機。要完成能量轉換，實現工作循環，保證長時間連續正常工作，都必須具備以下一些機構和系統。

1.1 曲柄連桿機構

曲柄連桿機構是發動機實現工作循環，完成能量轉換的主要運動零件。它由機體組、活塞連桿組和曲軸飛輪組等組成。在作功行程中，活塞承受燃氣壓力在氣缸內作直線運動，通過連桿轉換成曲軸的旋轉運動，并從曲軸對外輸出動力。而在進氣、壓縮和排氣行程中，飛輪釋放能量又把曲軸的旋轉運動轉化成活塞的直線運動。

1.2 配氣機構

配氣機構的功用是根據發動機的工作順序和工作過程，定時開啟和關閉進氣門和排氣門，使可燃混合氣或空氣進入氣缸，并使廢氣從氣缸內排出，實現換氣過程。配氣機構大多采用頂置氣門式配氣機構，一般由氣門組、氣門傳動組和氣門驅動組組成。

1.3 燃料供給系統

汽油機燃料供給系的功用是根據發動機的要求，配制出一定數量和濃度的混合氣，供入氣缸，并將燃燒后的廢氣從氣缸內排出到大氣中去；柴油機燃料供給系的功用是把柴油和空氣分別供入氣缸，在燃燒室內形成混合氣并燃燒，最后將燃燒后的廢氣排出。

1.4 潤滑系統

潤滑系的功用是向作相對運動的零件表面輸送定量的清潔潤滑油，以實現液體摩擦，減小摩擦阻力，減輕機件的磨損。并對零件表面進行清洗和冷卻。潤滑系通常由潤滑油道、機油泵、機油濾清器和一些閥門等組成。

1.5 冷卻系統

冷卻系的功用是將受熱零件吸收的部分熱量及時散發出去，保證發動機在最適宜的溫度狀態下工作。水冷發動機的冷卻系通常由冷卻水套、水泵、風扇、水箱、節溫器等組成。

1.6 點火系統

在汽油機中，氣缸內的可燃混合氣是靠電火花點燃的，為此在汽油機的氣缸蓋上裝有火花塞，火花塞頭部伸入燃燒室內。能夠按時在火花塞電極間產生電火花的全部設備稱為點火系，點火系通常由蓄電池、發電機、分電器、點火線圈和火花塞等組成。

1.7 起動系統

要使發動機由靜止狀態過渡到工作狀態，必須先用外力轉動發動機的曲軸，使活塞作往復運動，氣缸內的可燃混合氣燃燒膨脹作功，推動活塞向下運動使曲軸旋轉。發動機才能自行運轉，工作循環才能自動進行。因此，曲軸在外力作用下開始轉動到發動機開始自動地怠速運轉的全過程，稱為發動機的起動。完成起動過程所需的裝置，稱為發動機的起動系。

2 汽油發動機技術的發展趨勢

與汽車造型設計流行趨勢的日新月異相比，近10年來車用汽油發動機技術升級主要體現在為適應環保法規而引入的排放后處理以及電控系統的優化升級方面，總體技術框架并未獲得革命性突破。

2.1 普及技術:多氣門技術與頂置凸輪軸

多氣門：老式發動機大多采用每缸2氣門，一進氣一排氣；目前汽車發達國家最新推出的車型，發動機多采用單缸四氣門和五氣門，前者兩進兩排，后者三進兩排。一般說氣門多的發動機更先進，其進排氣效率高，動力更強，同等條件下油耗會低一些；但多氣門發動機維修難度較大，達到最大扭矩轉速也往往更高，起步加速未必超過2氣門發動機。

頂置凸輪軸：凸輪軸是屬于發動機的配氣機構，按安裝位置分為下置、中置、頂置三種形式。轎車發動機由于轉速可達5000rpm以上，為保證進排氣效率，都采用了頂置式氣門裝置。頂置凸輪軸按照凸輪軸的數目，分為單頂置凸輪軸(SOHC)和雙頂置凸輪軸(DOHC)，由于中高檔轎車發動機一般是多氣門及V形汽缸排列，需采用DO鄄HC分別控制進、排氣門。

2.2 領先技術:渦輪增壓、可變氣門正時與雙火花塞

渦輪增壓：在排量一定情況下，若想提高發動機功率，最有效的方法是增加燃料并提供足夠支持燃燒的空氣。渦輪增壓由發動機排出的廢氣帶動渦輪高速旋轉，再通過一系列機械傳動機構，推動風扇為發動機壓入更多空氣。可變氣門正時：也稱可變配氣相位。發動機在一些工況下會出現難以解決的矛盾，例如如何保證低轉速時的扭矩輸出和高轉速時的功率輸出及在這些工況下的燃油消耗等問題，用單個節氣門控制的燃油供給方式是難以完滿解決的。最好的方式就是通過可變進氣管道、可變壓縮比和可變氣門的升程和正時來解決這個問題。雙火花塞：適用于排量較小的車型，國內典型的車型是飛度1.3的i—DSI智能雙火花塞順序點火系統，每個汽缸有兩個火花塞對角布置，實現順序相位點火控制。雙火花塞的設計使點火的效率更高，同時提高了發動機的壓縮比，使燃燒效率得到提升。國外使用該技術的車型包括阿爾法·羅米歐156等。

2.3 前沿技術:缸內直噴與可變進氣歧管長度

缸內直噴：缸內直噴通過均勻燃燒和分層燃燒，實現燃油消耗降低，比常規發動機節油10%以上，動力性能同時大幅提升。目前歐洲市場上銷售的拉古娜II2.0 IDE與奧迪A42.0LFSI等運動版車型均采用了缸內直噴技術。日本版第十二代皇冠裝備的3GR-FSE發動機本已采用了缸內直噴技術，但一汽豐田出于對中國油品質量的擔心，在國產版使用了3GR-FE發動機，使得缸內直噴技術與中國消費者擦肩而過。

可變進氣歧管長度：燃燒所必須的空氣通過進氣歧管進入汽缸。較長的進氣歧管使發動機在低轉速下獲得較大的扭矩，但在高轉速下卻會出現較低的最大輸出功率；較短的進氣歧管使發動機在低轉速下獲得較小的扭矩，但在高轉速下卻會出現較高的最大輸出功率。通過雙級可變進氣歧管，可以保證在相應的轉速范圍內具有有效長度，保證低轉速具有較大的扭矩的同時，在高轉速區也具有較高的最大輸出功率，保證發動機在高速行駛時具有較好的加速性。可變進氣歧管長度技術與中國消費者沒有太大關聯，國際上用該技術的包括寶馬7系和藍博基尼等少數車型。

3 全新的汽車理念---有氧發動機

有氧發動機是一種用發動機自身驅動的制氧機制造氧氣，然后通過燃料和氧氣混合后點燃產生高溫高壓工質來工作，以完成熱功轉換的機械。

有氧發動機屬于兩沖程發動機，由于燃料在有充足氧氣的情況下很容易被點燃，所以不再需要用壓縮來提高混合氣的壓力和溫度。眾所周知燃料在有充足氧氣的情況下被點燃，可以發生爆炸。雖然爆炸一般難以控制，但是通過控制爆炸物量的方式就可以控制釋放出來能量的大小。同時有氧發動機用葉輪取代活塞承受高溫高壓氣體的推力，等于擴大了活塞的上下止點間距離，能更充分的接受和轉化燃料爆發力。

有氧發動機的工作原理是：一定量的燃料和氧氣在密閉氣室內混合并點燃爆炸，爆炸產生的高壓氣體推動特制的氣動馬達轉動，氣動馬達上的小齒輪與輪圈上的內齒圈嚙合，推動車輪旋轉。從而實現利用燃料和氧氣混合爆炸完全釋放能量、又能安全有效的輸出對外做功的目的。

有氧發動機驅動的汽車相對現有汽車在整體上有優勢：有氧發動機的結構簡單，從能量釋放到最后作功的能量傳遞環節減少到只有一個氣動馬達，不再需要活塞、曲軸、連桿、飛輪等，減少了摩擦損失的能量，所以機械效率高于內燃發動機；有氧發動機相對現有內燃機不但節省燃料，而且減少了對外界污染。因為有氧發動機由自身驅動的制氧機供氧幫助燃燒，燃料的氧化充分，能量轉化率高，而且不再局限于石化有機燃料，可以使用氣體，液體，固體粉末等多種形式的燃料。現有內燃發動機使用空氣助燃，而空氣含氧量低，不能使燃料完全氧化，結果即浪費了燃料又污染環境。使用有氧發動機的車輛，車速和燃料消耗量成正比，無論低速或高速行駛都是經濟油耗，而且車輛在行進時發動機工作，在停車時發動機停止工作，減少了發動機空轉的能量消耗，相對內燃發動機節省燃料。

有氧發動機驅動的汽車相對現有汽車在使用控制上有優勢：使用有氧發動機的車輛，發動機自身就可以完成動力產生、傳遞以及無級變速，因此不需要傳統汽車的傳動系統，離合器、變速器、傳動軸、驅動橋等。簡化了結構，減輕了重量，節約了成本，也減少了摩擦導致的能量損失；而且很容易實現電控或遙控發動機及車輛，用電子控制單元取代了傳統的機械轉向和制動等系統，這也有利于車輛向自動駕駛方向的發展。

4 結語

通過汽車構造這門課程的學習，了解了汽車的原理，加深了對機械的理解，同時也發現了中外汽車工業的差距和我們努力的方向。

[1]徐兆坤主編.汽車發動機原理[M].北京:清華大學出版社,2010.

[2]趙丹平主編.現代汽車發動機原理[M].北京:北京大學出版社,2010.

[3]陳渝光主編.新型汽車發動機集中控制系統的硏究與開發[M].西安交通大學,2004.

馬天海(1976—),男,寧夏靈武人,本科,畢業于陜西師范大學,高級講師,研究方向:汽車應用與維修。