汽车发动机工作原理

您是否曾经打开过汽车的发动机罩并且很奇怪里面都是些什么东西？ 汽车发动机看上去像一大堆乱七八糟的金属、管路和导线的混合体。
戴姆勒克莱斯勒供图
2003吉普大切诺基的发动机

出于好奇，您可能想知道大概是怎么回事。 或者，您可能想买一辆新车，您听说过“3.0升V-6”、“双顶置凸轮轴”和“经过调校的进气燃油喷射”这些东西。 它们是什么意思呢？
在本文中，我们将讨论有关发动机的基本概念，并详细了解发动机的所有组成部分、可能出问题的地方以及如何提高发动机性能。

汽油发动机的目的在于将汽油转换为运动，以便汽车能够开动。 目前将汽油变成运动的简单方法是在发动机中燃烧汽油。 因此，汽车发动机是一种“内燃发动机”——燃烧发生在内部。 需要注意两件事情：

有多种不同的内燃发动机。 柴油发动机是一种，燃气轮机是另外一种。 参见有关HEMI发动机、转子发动机和二冲程发动机的文章。 每种发动机都有自己的优缺点。
还有一种外燃发动机。 老式火车和蒸汽轮船中的蒸汽机是外燃发动机。 在蒸汽机中，燃料（煤、木柴、石油等）在发动机外部燃烧并产生蒸汽，由蒸汽在发动机内部形成运动。 内燃机的效率比外燃机高出许多（每公里消耗的燃料更少），而且内燃发动机比同等功率的外燃发动机要小巧很多。 福特和通用这些公司之所以不使用蒸汽机，原因也在于此。

典型汽车发动机的内部构造 当前几乎所有汽车都使用往复式内燃发动机，因为这种发动机具有以下优点：

相对高效（与外燃发动机相比）
相对廉价（与燃气轮机相比）
相对来说易于加注燃料（与电动汽车相比）
这些优点使得其成为驱动汽车的技术。 为了了解往复式内燃发动机的工作原理，对“内部燃烧”的工作方式有一个直观的认识十分有帮助。 加农炮是一个很好的例子。 您可能在电影里看到过它们，士兵们向炮中填入火药和炮弹，然后点着它。 这是我们说的内部燃烧，但是很难想象发动机是如何完成这些过程的。
下面是一个更为形象的例子： 假如有一大段塑料的下水道管子，它的直径为8厘米，长度为90厘米，然后在它的一端安上一个盖子。 接着，在管子中喷洒了一点WD-40，或者放了几滴汽油。 然后，在管子里塞进一个土豆。 像这样：

不建议您这样做！但是假如您这样做了，我们现在拥有的这个装置通常称作土豆加农炮。 如果您在其中打出一个火花，那么可以点着燃料。
有意思的是——而且我们讨论这样一个装置的目的在于——土豆加农炮可以将土豆发射出大约150米远！ 几滴汽油可以产生如此巨大的能量。
内部燃烧
土豆加农炮的基本原理与所有往复式内燃发动机完全一致： 如果将一点儿高能燃料（例如汽油）放在一个小的密闭空间中并点燃它，它将以气体膨胀的形式释放出巨大能量。 可以使用这些能量将土豆抛出150米远。 在这个例子中，能量被转换为土豆的运动。 也可以使用这些能量完成更有意思的工作。 例如，如果可以建立一个循环，使得在每分钟内可以进行数百次爆炸，然后将能量用于有意义的事情，现在您已经接触到了汽车发动机的核心秘密！
目前几乎所有汽车都使用四冲程燃烧循环来将汽油转化为运动。 四冲程方式又称作“奥托循环”，以此纪念1867年发明它的尼克劳斯•奥托 (Nikolaus Otto)。这四个冲程如图1所示。 它们分别是：


进气冲程
压缩冲程
燃烧冲程
排气冲程
循环过程
在图中，可以看到称作“活塞”的装置，它取代了土豆加农炮中的土豆。 活塞通过连杆连接到曲轴。 当曲轴旋转时，它的作用相当于“让加农炮复位”。 在发动机的循环过程中会发生如下事情


典型汽车发动机的内部构造 1. 活塞开始时位于顶部，排气门打开，然后活塞向下运动，在发动机的气缸中充满空气和汽油的混合物。 这便是吸气冲程。 此时，只需要在空气中混合少量的汽油即可。 （图中部分1）
2. 然后，活塞向上返回以压缩燃油/空气混合物。 压缩过程使得爆炸更具威力。 （图中部分2）
3. 当活塞到达其冲程的顶部时，火花塞发出一个火花，点燃汽油。 气缸中的汽油爆炸，推动活塞向下运动。 （图中部分3）
4. 在活塞到达其冲程的底部后，排气门开启，废气被排出气缸并进入排气尾管。 （图中部分4）
现在，发动机准备进行下一次循环，再次吸入空气和汽油。 注意，内燃发动机输出的运动是旋转运动，而土豆加农炮产生的运动是线性运动（直线）。 在发动机中，活塞的线性运动转化为曲轴的旋转运动。 而旋转运动非常好，因为我们正好打算通过它让车轮转起来。
下面，让我们看看相互配合工作以实现这一切的所有部件。
气缸、排量和其他发动机部件
发动机的核心是气缸和在气缸内部上下运动的活塞。上面介绍的发动机只有一个气缸。大多数割草机属于这种情况，但是大多数汽车都有多个气缸（通常有四个、六个或八个气缸）。在多缸发动机中，气缸的排列方式通常有三种： 直列式、V型或卧式（也叫水平对置式），如下图所示


图2. 直列式——气缸按直线排成一排。
图3. V型——气缸按一定角度排成两排。
图4. 卧式——气缸在发动机的相对两侧排成两排。 各种配置方式在平滑性、制造成本和外形特征方面均各有利弊。 这些优点和缺点使它们分别适合某些特定车辆的要求。

排量

燃烧室是发生压缩和燃烧过程的区域。 随着活塞上下运动，可以看到燃烧室的容积也随之发生改变。 存在容积和小容积。 容积和小容积之间的差值称为排量，其单位为升或CC（立方厘米，1000立方厘米=1升）。

以下是一些例子：

链锯发动机的排量可能为0.04升。
摩托车发动机的排量可能为0.5或0.75升。
跑车发动机的排量可能为5升。
大多数标准汽车发动机的排量在1.5-4.0升之间。

如果是四气缸发动机并且每个气缸的排量为0.5升，则整个发动机为“2.0升发动机”。 如果每个气缸的排量为0.5升，6个气缸以V型配置，则为“3.0升V-6”发动机。

通常，可通过排量大致了解发动机的功率。 排量为0.5升的气缸可以容纳两倍于排量为0.25升的气缸的燃油、空气混合物，因此前者的功率是后者的两倍（如果其他条件相同）。 所以，2.0升发动机的功率大致等于4.0升发动机的一半。

可以通过增加气缸数量或者增大所有气缸的燃烧室（或者同时增加二者）来提高发动机的排量。
其他发动机部件



内燃式发动机火花塞
火花塞可提供火花来点燃空气/燃油混合物以使其燃烧。 必须在正确的时刻打出火花才能正常工作。

气门
进气门和排气门在正确的时间开启，输入空气和燃油并排出废气。 请注意，两种气门在压缩和燃烧期间都处于闭合状态以密闭燃烧室。

活塞
活塞是一个金属圆柱形部件，可以在气缸内部上下运动。

活塞环
活塞环在活塞外缘和气缸内径之间起到滑动密封作用。 活塞环有两个目的：

在压缩和燃烧期间，防止燃烧室中的燃油/空气混合物和废气泄露到油槽中。
防止油槽中的油液泄露到燃烧区域并在该处燃烧和流失。
大多数“烧油”汽车必须每隔1600公里便添加1升左右的油，其中的原因是发动机老化，而且活塞环不再能够起到正确的密封作用。

连杆
连杆将活塞连接到曲轴。 它的两端都可以旋转，以便在活塞运动和曲轴旋转的同时改变角度。

曲轴
曲轴将活塞的上下运动转变为圆周运动，如同一打开盒子跳出一个小人的玩具盒上的曲柄一样。

油槽
油槽围绕在曲轴周围。 它包含一定量的机油，这些机油集中在底部（油盘）。

下面我们来看看发动机可能会出现的一些问题。
发动机常见问题
某天早晨您想外出，发动机转了几下但是没有启动，是什么地方出问题了？ 现在您已经知道发动机的工作原理了，应该能够了解是哪些原因导致发动机无法运转。 可能有以下三种原因： 燃油混合得不好、缺乏压缩或者不能打火。 除此之外，还有许多可能导致问题的其他原因，但是上面的三个原因是主要因素。 以我们正在讨论的简单发动机为例，下面简要讨论了这些问题对发动机的影响：
燃油混合得不好：可能会由于以下原因而导致燃油混合得不好：

缺少燃油，因此发动机只得到空气但是得不到燃油。
进气不畅，因此只有燃油但是没有足够的空气。
燃油系统供应的燃油可能太多或太少，因此导致无法正确燃烧。
燃油中可能有杂质（例如油箱中有水），导致燃油无法燃烧。
缺少压缩：如果进入的空气和燃油不能被正确压缩，则燃烧过程将不尽如人意。 可能会因以下原因导致缺乏压缩：
活塞环磨损（使得空气/燃油混合物在压缩过程中漏出活塞）。
进气门或排气门没有正确密封，使得在压缩过程中发生泄露。
气缸上出现了孔洞。
气缸上常见的“孔洞”出现在气缸顶部（用于安装气门和火花塞，又称作“气缸盖”）与气缸本身相连的部位。 通常，气缸和气缸盖螺栓之间有一个薄垫，以确保密封效果。 如果该垫片破损，便会在气缸和气缸盖之间出现许多小孔洞并导致泄露。 不能打火：不能产生火花或火花很弱，原因主要包括：

如果火花塞或者导线发生磨损，则火花会很微弱。
如果导线断开或缺失，或者用于打火的系统不能正常工作，则不会产生火花。
如果火花在循环中出现的太早或太晚（例如，如果点火正时处于关闭状态），那么燃油将不会在正确的时间点燃，并会由此导致各种问题。
还可能是其他方面出了问题。例如：
如果蓄电池没有电，则无法启动和运转发动机。
如果允许曲轴自由转动的轴承已磨坏，那么曲轴将无法转动，从而导致发动机无法运转。
如果气门不能在正确的时间打开或关闭（或者根本无法打开和关闭），那么空气将无法进入，废气也无法排出，从而导致发动机无法运转。
如果有人在您的排气尾管中塞了一个土豆，那么废气将无法排出气缸，从而导致发动机无法运转。
如果机油已经用完，活塞将不能在气缸中自由上下运动，从而卡住发动机。
在正常运行的发动机中，所有上述因素都在允许的范围内。 正如您所看到的，发动机需要大量系统的帮助才能完成将燃油转换为运动的工作。 大多数子系统都可通过不同的技术来实现，使用的技术越先进，发动机的性能也越出色。 在下面的部分中，我们将介绍现代发动机中使用的各种子系统。
气门机构
多数发动机子系统可以通过不同的技术加以改进，更好的技术能提高发动机的性能。下面我们将从气门机构开始看一看现代发动机中使用的各种子系统。
气门机构由气门以及开合气门的机构组成。 开合系统称作凸轮轴。 凸轮轴上有凸轮，可以向上和向下移动气门。


图5. 凸轮轴 大多数现代发动机都有称为顶置凸轮轴的机构。 也是说，凸轮轴位于气门上方（如图5 所示）。凸轮轴上的凸轮直接控制气门，或者通过一个很短的连杆控制气门。 老式的发动机使用的凸轮轴位于曲轴附近的油槽中。 使用横杆将下方的凸轮连接到位于气门上方的气门挺杆。 这种方法使用的运动零件较多，并且会导致凸轮激活气门的动作大大滞后于气门的后续运动。 使用正时皮带或正时链条将曲轴与凸轮轴联系在一起，以便气门与活塞保持同步。 凸轮轴的连接方式使得它的转动速度是曲轴的一半。 许多高性能发动机的每个气缸有四个气门（两个进气门，两个排气门），这种布置方式需要为每组气缸提供两个凸轮轴，因此称作“双顶置凸轮轴”。
有关详细信息，请参见凸轮轴工作原理。
点火和冷却系统
点火系统（图6）可产生高压电荷并通过点火线将其输送到火花塞。 电荷首先流向分配器，可以很容易地在大多数汽车的发动机盖下找到该分配器。 分配器的中央有一根输入电流的导线，有四、六或八根输出电流的导线（取决于气缸数量）。 这些点火线可将电荷输送到每个火花塞。 发动机经过设置，可使一个时间只有一个气缸会从分配器获得点火火花。 这样可以获得的平滑性。

图6. 点火系统


关于转子发动机以及往复式活塞发动机的比较



大部分人都知道我们日常用的是活塞往复式发动机，又分为两冲程发动机和四冲程发动机（以下以四冲程发动机为例），但是还有一种不为大部分人所熟知的发动机，那是转子发动机，又叫汪克尔发动机。


我们日常经常看到的为活塞往复运动形式的发动机，即活塞在汽缸内作往复的直线运动，通过曲轴把活塞的直线运动转化为曲轴的旋转，而转子发动机没有这个转化过程，它是通过活塞在汽缸内的旋转来带动发动机主轴（即普通发动机的曲轴,因为不是弯曲的故不再叫曲轴）旋转的，故两者有着很大的区别。
发动机通过燃烧油气混合气来推动活塞作往复运动带动曲轴旋转，活塞顶面距曲轴中心线远的位置称为上止点（TDC---Top Dead Center）,活塞顶面距曲轴中心线近的位置称为下止点（BDC---Bottom Dead Center）.以四冲程汽油发动机为例，如下图

a进气冲程：活塞从上止点运动到下止点的过程叫进气冲程（曲轴旋转角度0~180°），该冲程进气门打开，排气门关闭，气室与大气相通，通过大气压力使油气混合气进入，进气终了汽缸内压力约为0.075~0.09MPa。
b压缩冲程：活塞从下止点运动到上止点的过程叫压缩冲程（曲轴旋转角度180°~360°），该冲程进排气门全关闭，气室内的油气混合气压力逐渐升高，压缩冲程终了气室内压力约为0.6~1.2MPa。
c作功冲程：活塞从上止点运动到下止点的过程叫作功冲程（曲轴旋转角度360°~540°），该冲程进排气门全关闭，活塞在上止点位置时火花塞跳火点燃油气混合气使气缸内的压力急剧升高（可达到3~5MPa），推动活塞作向曲轴的运动，压力逐渐下降，作功冲程终了气室内压力约为0.3~0.5MPa。
d排气冲程：活塞从下止点运动到上止点的过程叫排气冲程（曲轴旋转角度540°~720°），该冲程进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动推动燃烧后的废气排出气室，该冲程终了气室内的气压约为0.105~0.115MPa。该冲程的结束也标志这发动机一个工作循环的结束。

『转子发动机』
下图为转子发动机与往复式发动机各冲程的比较（图中两个气孔左侧为进气，右侧为排气）,该转子发动机与往复式四冲程发动机工循环相同，即由进气、压缩、作功、排气四个冲程构成，图中由三角转子的一个弧面BC与气缸型面之间形成的工作腔（BC工作腔）为例，说明转子发动机的四冲程工作原理。

abcda

进气冲程
进气冲程：当三角转子的角顶C转到进气孔右边的边缘时，BC工作腔开始进气，在位置a，进排气孔相通，进排气重叠。这是BC工作腔的容积小，相当于往复式发动机的上止点位置。随着转子继续转动，BC工作腔的容积逐渐增大，可燃混合气不断被吸入气缸。当转子自转90°（主轴转270°，转子发动机中转子与主轴转速比为1：3，通过相互啮合齿轮确定）到达位置b时，BC工作腔的容积达到，相当于往复式发动机的下止点位置，进气冲程结束。
压缩冲程：随着三角转子的继续转动，角顶B越过进气孔的左侧边缘，压缩冲程开始，BC工作腔的容积逐渐缩小，压力越来越大，到达位置c时，转子自转180°（主轴旋转540°），BC工作腔容积达到小，相当于往复式发动机的上止点位置，压缩冲程结束。
作功冲程：在压缩冲程终了，火花塞跳火，高温高压的气体推动三角活塞继续转动，BC工作腔的容积逐渐增大，当角顶C达到排气孔右侧边缘，在位置d，转子自转270°（主轴旋转810°），BC工作腔的容积达到，相当于往复式发动机的下止点位置，作功冲程结束。
排气冲程：三角转子角顶C转过排气孔右侧位置时，排气冲程开始，终三角转子回到位置a，排气冲程结束，转子自转360°（主轴转三周），一个工作循环结束。同时，CA工作腔、AB工作腔也分别完成一个工作循环。

● 发动机构成比较：
转子发动机：机体组、配气机构、供给系统、点火系统、冷却系统、润滑系统、启动系统
往复式活塞发动机: 机体组、曲柄连杆机构、配气机构、供给系统、点火系统、冷却系统、润滑系统、启动系统


● 两种发动机的优缺点：
◆ 往复式发动机：
优点：
1. 制造技术成熟，诞生已经有120多年，各种技术不断完善，是世界上应用广的内燃机，保养维修成本低。
2. 工作可靠，良好的气密性和功率传递可靠性。
3. 良好的燃油经济性。
缺点：
1. 结构复杂，体积大、重量大。
2. 曲柄连杆机构中活塞的往复运动引起的往复惯性力和惯性力矩不能得到完全平衡，这个惯性力大小与转速平方成正比，使发动机运转平顺性下降，限制发展高转速发动机。
3. 由于四冲程往复式活塞发动机的工作方式为四个冲程中有三个冲程完全依靠飞轮惯性旋转，导致发动机的功率、扭矩输出非常的不均匀，尽管现代发动机采用了多缸和V型排列来减小这个缺点，但是不可能完全消除。

◆ 转子发动机：
优点：
1. 体积小、重量轻，便于降低车辆重心。由于转子发动机没有曲柄连杆机构，所以大大减小了发动机高度，同时降低了车辆重心。
2. 结构简单。相比较于往复式活塞发动机，转子发动机减少了曲柄连杆机构，导致了发动机机构大为简化，零件减少。
3. 均匀的扭矩特性。由于转子发动机一个气缸同时有三个工作腔处于工作状态，所以扭矩输出比较于往复式活塞发动机更加均匀。
4. 利于发展高速发动机，由于活塞转子与主轴转速比为1：3，故不需很高的活塞转速即可实现发动机的高转速。
缺点：
1. 油耗高，尾气排放难达标。因其每个气缸有三个工作腔，活塞转子每旋转一周相当于有三个作功冲程，以3000rpm和往复式活塞发动机作对比，往复式活塞发动机喷油750次/分，转子发动机相当于转速为1000rpm,但是需要喷油3000次/分，可见转子发动机油耗明显高于往复式活塞发动机，同时转子发动机的燃烧室形状不利于可燃混合气的充分燃烧，火焰传播路径长，燃油机油消耗量大，同时导致废气中污染物含量较高。
2. 发动机的结构导致只能采取点燃式而不能采用压燃式，即只能用汽油作为燃料而不能用柴油。
3. 由于转子发动机采用偏心轴，导致发动机振动较大。
4. 功率输出轴（主轴）位置高，不利于整车布置。
5. 转子发动机的加工制造技术高，成本比较高。