汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)及其新進(jìn)展

中圖分類號(hào)：U262.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

摘要：發(fā)動(dòng)機(jī)是將某一種形式的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的機(jī)器。其功用是將液體或氣體的化學(xué)能通過燃燒后轉(zhuǎn)化為熱能，再把熱能通過膨脹轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并對外輸出動(dòng)力。汽車的動(dòng)力來自發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的心臟，為汽車的行走提供動(dòng)力，汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性。 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車的核心部分，是一個(gè)汽車的靈魂，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的好壞直接影響到汽車的價(jià)值與功能。本文通過汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的基本原理和構(gòu)造、衡量汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)指標(biāo)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提高和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢四方面介紹汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)及其新進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)；基本原理；性能指標(biāo)；發(fā)展趨勢

1、 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)造

發(fā)動(dòng)機(jī)是將某一種型式的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的機(jī)器，其作用是將液體或氣體燃燒的化學(xué)能通過燃燒后轉(zhuǎn)化為熱能，再把熱能通過膨脹轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并對外輸出動(dòng)力。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)

汽油機(jī)通常由曲柄連桿、配氣兩大機(jī)構(gòu)和燃料供給、潤滑、冷卻、點(diǎn)火、起動(dòng)五大系統(tǒng)組成。

發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理

發(fā)動(dòng)機(jī)將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的過程，是經(jīng)過進(jìn)氣、壓縮、作功和排氣四個(gè)連續(xù)的過程來實(shí)現(xiàn)的，每進(jìn)行一次這樣的過程就叫一個(gè)工作循環(huán)。凡是曲軸旋轉(zhuǎn)兩圈，活塞往復(fù)四個(gè)行程完成一個(gè)工作循環(huán)的，稱為四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。

2、衡量發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)劣的技術(shù)指標(biāo)

從技術(shù)角度評(píng)判一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的優(yōu)劣對購車者的專業(yè)知識(shí)提出了較高的要求。北方交通大學(xué)動(dòng)力工程系副系主任李國岫介紹，普通消費(fèi)者可以從汽缸排列方式、氣門數(shù)、最大功率、最大扭矩四個(gè)角度對發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行評(píng)判。

2.1、汽缸排列方式

主要分為直列、V形、W形和水平對置四種方式。一般4缸以下的發(fā)動(dòng)機(jī)多采用直列汽缸，直列發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸一字排開，結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，低速扭矩特性好，但功率較低。6到8缸發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用V形排列，V形即汽缸分四列錯(cuò)開角度布置，形體緊湊，布置方便，值得一提的是大眾曾推出過5缸的帕薩特V5.12缸發(fā)動(dòng)機(jī)多采用V形或W形排列，W形即將兩個(gè)V6機(jī)排列在一起。此外斯巴魯和保時(shí)捷兩個(gè)運(yùn)動(dòng)化品牌都推崇水平對置發(fā)動(dòng)機(jī)型式，相鄰兩個(gè)汽缸水平對置，相互抵消振動(dòng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)更平穩(wěn)；但這種機(jī)型成本較高，且不易修理。

2.2、氣門數(shù)

上世紀(jì)九十年代生產(chǎn)的國產(chǎn)轎車發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用每缸2氣門，一進(jìn)氣一排氣；目前世界主流轎車發(fā)動(dòng)機(jī)多采用每缸4氣門結(jié)構(gòu)，即2個(gè)進(jìn)氣門，2個(gè)排氣門，提高了進(jìn)、排氣的效率；已停產(chǎn)的捷達(dá)王采用每缸5氣門結(jié)構(gòu)，即3個(gè)進(jìn)氣門，2個(gè)排氣門，主要作用是加大進(jìn)氣量，使燃燒更加徹底。5氣門結(jié)構(gòu)可以提高進(jìn)氣效率，但加工相對困難。

2.3、最大功率

在我國一般用千瓦作單位。發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率同轉(zhuǎn)速關(guān)系很大，隨著轉(zhuǎn)速的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率也相應(yīng)提高，但是到了一定的轉(zhuǎn)速以后，功率反而呈下降趨勢。一般來說最大功率越高，車輛的最高車速越快。

2.4、最大扭矩

發(fā)動(dòng)機(jī)從曲軸端輸出的力矩，與發(fā)動(dòng)機(jī)提供的牽引力成正比，單位是牛·米（N·m）。扭矩大小直接反應(yīng)車輛瞬時(shí)提速能力，最大扭矩一般出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)的中、低轉(zhuǎn)速的范圍，車輛起步或低速狀態(tài)下提速更加有力；最大扭矩出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速狀態(tài)，高速行駛時(shí)油門也能保持良好響應(yīng)。技術(shù)最先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)往往能在很廣闊的轉(zhuǎn)速區(qū)間提供最大扭矩90%以上的扭矩平臺(tái)，在低中高各種轉(zhuǎn)速下均能保證良好的加速能力。

3、提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能的方法

3.1、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可采用新型燃燒室、多氣門、燃油噴射與進(jìn)排氣可變控制技術(shù)、低釋熱技術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)整體綜合控制技術(shù)等，提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

3.2、采用汽油噴射替代化油器；采用缸內(nèi)混合及汽油直接噴射以改變缸外混合及節(jié)流調(diào)節(jié)辦法；采用高能點(diǎn)火及特種火花塞；采用稀混合氣及快速燃燒；采用增壓技術(shù)提高性能；采用可變氣門定時(shí)及換氣系統(tǒng)，以改善轉(zhuǎn)矩特性等等。

3.3、將分隔式燃燒室改為直噴燃燒室；采用新的供油技術(shù)及設(shè)備，如兩階段供油法及雙彈簧噴油器；提高噴油壓力及使用多孔，小孔徑的噴油嘴；采用增壓加中冷技術(shù)；采用電控供油等技術(shù)。

4、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢

與汽車造型設(shè)計(jì)流行趨勢的日新月異相比，近10年來車用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)升級(jí)主要體現(xiàn)在為適應(yīng)環(huán)保法規(guī)而引入的排放后處理以及電控系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)方面，總體技術(shù)框架并未獲得革命性突破。

4.1、普及技術(shù)：多氣門技術(shù)與頂置凸輪軸

多氣門：老式發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用每缸2氣門，一進(jìn)氣一排氣；目前汽車發(fā)達(dá)國家最新推出的車型，發(fā)動(dòng)機(jī)多采用單缸四氣門和五氣門，前者兩進(jìn)兩排，后者三進(jìn)兩排。一般說氣門多的發(fā)動(dòng)機(jī)更先進(jìn)，其進(jìn)排氣效率高，動(dòng)力更強(qiáng)，同等條件下油耗會(huì)低一些；但多氣門發(fā)動(dòng)機(jī)維修難度較大，達(dá)到最大扭矩轉(zhuǎn)速也往往更高，起步加速未必超過2氣門發(fā)動(dòng)機(jī)。

頂置凸輪軸：凸輪軸是屬于發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)，按安裝位置分為下置、中置、頂置三種形式。轎車發(fā)動(dòng)機(jī)由于轉(zhuǎn)速可達(dá)5000rpm以上，為保證進(jìn)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(shù)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(fā)動(dòng)機(jī)一般是多氣門及V形汽缸排列，需采用DO鄄HC分別控制進(jìn)、排氣門。

4.2、領(lǐng)先技術(shù)：渦輪增壓、可變氣門正時(shí)與雙火花塞

渦輪增壓：在排量一定情況下，若想提高發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣帶動(dòng)渦輪高速旋轉(zhuǎn)，再通過一系列機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，推動(dòng)風(fēng)扇為發(fā)動(dòng)機(jī)壓入更多空氣。

可變氣門正時(shí)：也稱可變配氣相位。發(fā)動(dòng)機(jī)在一些工況下會(huì)出現(xiàn)難以解決的矛盾，例如如何保證低轉(zhuǎn)速時(shí)的扭矩輸出和高轉(zhuǎn)速時(shí)的功率輸出及在這些工況下的燃油消耗等問題，用單個(gè)節(jié)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(jìn)氣管道、可變壓縮比和可變氣門的升程和正時(shí)來解決這個(gè)問題。

雙火花塞：適用于排量較小的車型，國內(nèi)典型的車型是飛度1.3的i—DSI智能雙火花塞順序點(diǎn)火系統(tǒng)，每個(gè)汽缸有兩個(gè)火花塞對角布置，實(shí)現(xiàn)順序相位點(diǎn)火控制。雙火花塞的設(shè)計(jì)使點(diǎn)火的效率更高，同時(shí)提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，使燃燒效率得到提升。國外使用該技術(shù)的車型包括阿爾法·羅米歐156等。

4.3、前沿技術(shù)：缸內(nèi)直噴與可變進(jìn)氣歧管長度

缸內(nèi)直噴：缸內(nèi)直噴通過均勻燃燒和分層燃燒，實(shí)現(xiàn)燃油消耗降低，比常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)油10%以上，動(dòng)力性能同時(shí)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(yùn)動(dòng)版車型均采用了缸內(nèi)直噴技術(shù)。日本版第十二代皇冠裝備的3GR-FSE發(fā)動(dòng)機(jī)本已采用了缸內(nèi)直噴技術(shù)，但一汽豐田出于對中國油品質(zhì)量的擔(dān)心，在國產(chǎn)版使用了3GR-FE發(fā)動(dòng)機(jī)，使得缸內(nèi)直噴技術(shù)與中國消費(fèi)者擦肩而過。

可變進(jìn)氣歧管長度：燃燒所必須的空氣通過進(jìn)氣歧管進(jìn)入汽缸。較長的進(jìn)氣歧管使發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速下獲得較大的扭矩，但在高轉(zhuǎn)速下卻會(huì)出現(xiàn)較低的最大輸出功率；較短的進(jìn)氣歧管使發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速下獲得較小的扭矩，但在高轉(zhuǎn)速下卻會(huì)出現(xiàn)較高的最大輸出功率。通過雙級(jí)可變進(jìn)氣歧管，可以保證在相應(yīng)的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有有效長度，保證低轉(zhuǎn)速具有較大的扭矩的同時(shí)，在高轉(zhuǎn)速區(qū)也具有較高的最大輸出功率，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在高速行駛時(shí)具有較好的加速性。

可變進(jìn)氣歧管長度技術(shù)與中國消費(fèi)者沒有太大關(guān)聯(lián)，國際上用該技術(shù)的包括寶馬7系和藍(lán)博基尼等少數(shù)車型。

結(jié)論：通過汽車構(gòu)造這門課程的學(xué)習(xí)，了解了汽車的原理，加深了對機(jī)械的理解，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了中外汽車工業(yè)的差距和我們努力的方向。

參考文獻(xiàn)：

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[2]《現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理》趙丹平 主編 北京 北京大學(xué)出版社 2010

[3]《新型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)集中控制系統(tǒng)的硏究與開發(fā)》陳渝光 主編 西安交通大學(xué) 2004

作者簡介：楊倩（1992.03-），女，中共黨員，籍貫：江西瑞金，單位：江西科技學(xué)院，助教。