汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)及其新進(jìn)展

馬天海

(西藏林芝地區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)校,西藏林芝 860000)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)及其新進(jìn)展

馬天海

(西藏林芝地區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)校,西藏林芝 860000)

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(duì)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(shì)四方面介紹汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)及其新進(jìn)展。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī) 基本原理 性能指標(biāo) 發(fā)展趨勢(shì)

1 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的基本原理和構(gòu)造

發(fā)動(dòng)機(jī)是一種由許多機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)組成的復(fù)雜機(jī)器。無論是汽油機(jī)，還是柴油機(jī)；無論是四行程發(fā)動(dòng)機(jī)，還是二行程發(fā)動(dòng)機(jī)；無論是單缸發(fā)動(dòng)機(jī)，還是多缸發(fā)動(dòng)機(jī)。要完成能量轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)，保證長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)正常工作，都必須具備以下一些機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)。

1.1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)

曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)，完成能量轉(zhuǎn)換的主要運(yùn)動(dòng)零件。它由機(jī)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?xì)鈮毫υ跉飧變?nèi)作直線運(yùn)動(dòng)，通過連桿轉(zhuǎn)換成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并從曲軸對(duì)外輸出動(dòng)力。而在進(jìn)氣、壓縮和排氣行程中，飛輪釋放能量又把曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成活塞的直線運(yùn)動(dòng)。

1.2 配氣機(jī)構(gòu)

配氣機(jī)構(gòu)的功用是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作順序和工作過程，定時(shí)開啟和關(guān)閉進(jìn)氣門和排氣門，使可燃混合氣或空氣進(jìn)入氣缸，并使廢氣從氣缸內(nèi)排出，實(shí)現(xiàn)換氣過程。配氣機(jī)構(gòu)大多采用頂置氣門式配氣機(jī)構(gòu)，一般由氣門組、氣門傳動(dòng)組和氣門驅(qū)動(dòng)組組成。

1.3 燃料供給系統(tǒng)

汽油機(jī)燃料供給系的功用是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，配制出一定數(shù)量和濃度的混合氣，供入氣缸，并將燃燒后的廢氣從氣缸內(nèi)排出到大氣中去；柴油機(jī)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(nèi)形成混合氣并燃燒，最后將燃燒后的廢氣排出。

1.4 潤(rùn)滑系統(tǒng)

潤(rùn)滑系的功用是向作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件表面輸送定量的清潔潤(rùn)滑油，以實(shí)現(xiàn)液體摩擦，減小摩擦阻力，減輕機(jī)件的磨損。并對(duì)零件表面進(jìn)行清洗和冷卻。潤(rùn)滑系通常由潤(rùn)滑油道、機(jī)油泵、機(jī)油濾清器和一些閥門等組成。

1.5 冷卻系統(tǒng)

冷卻系的功用是將受熱零件吸收的部分熱量及時(shí)散發(fā)出去，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在最適宜的溫度狀態(tài)下工作。水冷發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系通常由冷卻水套、水泵、風(fēng)扇、水箱、節(jié)溫器等組成。

1.6 點(diǎn)火系統(tǒng)

在汽油機(jī)中，氣缸內(nèi)的可燃混合氣是靠電火花點(diǎn)燃的，為此在汽油機(jī)的氣缸蓋上裝有火花塞，火花塞頭部伸入燃燒室內(nèi)。能夠按時(shí)在火花塞電極間產(chǎn)生電火花的全部設(shè)備稱為點(diǎn)火系，點(diǎn)火系通常由蓄電池、發(fā)電機(jī)、分電器、點(diǎn)火線圈和火花塞等組成。

1.7 起動(dòng)系統(tǒng)

要使發(fā)動(dòng)機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)過渡到工作狀態(tài)，必須先用外力轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸，使活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，氣缸內(nèi)的可燃混合氣燃燒膨脹作功，推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)使曲軸旋轉(zhuǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)才能自行運(yùn)轉(zhuǎn)，工作循環(huán)才能自動(dòng)進(jìn)行。因此，曲軸在外力作用下開始轉(zhuǎn)動(dòng)到發(fā)動(dòng)機(jī)開始自動(dòng)地怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的全過程，稱為發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)。完成起動(dòng)過程所需的裝置，稱為發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)系。

2 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

與汽車造型設(shè)計(jì)流行趨勢(shì)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。

2.1 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。

2.2 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(duì)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。

2.3 前沿技術(shù):缸內(nèi)直噴與可變進(jìn)氣歧管長(zhǎng)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(chǎng)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(duì)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(zhǎng)度：燃燒所必須的空氣通過進(jìn)氣歧管進(jìn)入汽缸。較長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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。

3 全新的汽車?yán)砟?--有氧發(fā)動(dòng)機(jī)

有氧發(fā)動(dòng)機(jī)是一種用發(fā)動(dòng)機(jī)自身驅(qū)動(dòng)的制氧機(jī)制造氧氣，然后通過燃料和氧氣混合后點(diǎn)燃產(chǎn)生高溫高壓工質(zhì)來工作，以完成熱功轉(zhuǎn)換的機(jī)械。

有氧發(fā)動(dòng)機(jī)屬于兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，由于燃料在有充足氧氣的情況下很容易被點(diǎn)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(diǎn)燃，可以發(fā)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(shí)有氧發(fā)動(dòng)機(jī)用葉輪取代活塞承受高溫高壓氣體的推力，等于擴(kuò)大了活塞的上下止點(diǎn)間距離，能更充分的接受和轉(zhuǎn)化燃料爆發(fā)力。

有氧發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理是：一定量的燃料和氧氣在密閉氣室內(nèi)混合并點(diǎn)燃爆炸，爆炸產(chǎn)生的高壓氣體推動(dòng)特制的氣動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，氣動(dòng)馬達(dá)上的小齒輪與輪圈上的內(nèi)齒圈嚙合，推動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)。從而實(shí)現(xiàn)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(duì)外做功的目的。

有氧發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車相對(duì)現(xiàn)有汽車在整體上有優(yōu)勢(shì)：有氧發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，從能量釋放到最后作功的能量傳遞環(huán)節(jié)減少到只有一個(gè)氣動(dòng)馬達(dá)，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(jī)械效率高于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)；有氧發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)不但節(jié)省燃料，而且減少了對(duì)外界污染。因?yàn)橛醒醢l(fā)動(dòng)機(jī)由自身驅(qū)動(dòng)的制氧機(jī)供氧幫助燃燒，燃料的氧化充分，能量轉(zhuǎn)化率高，而且不再局限于石化有機(jī)燃料，可以使用氣體，液體，固體粉末等多種形式的燃料?，F(xiàn)有內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)使用空氣助燃，而空氣含氧量低，不能使燃料完全氧化，結(jié)果即浪費(fèi)了燃料又污染環(huán)境。使用有氧發(fā)動(dòng)機(jī)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(jīng)濟(jì)油耗，而且車輛在行進(jìn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作，在停車時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，減少了發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)的能量消耗，相對(duì)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)省燃料。

有氧發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車相對(duì)現(xiàn)有汽車在使用控制上有優(yōu)勢(shì)：使用有氧發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛，發(fā)動(dòng)機(jī)自身就可以完成動(dòng)力產(chǎn)生、傳遞以及無級(jí)變速，因此不需要傳統(tǒng)汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)，離合器、變速器、傳動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)橋等。簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，減輕了重量，節(jié)約了成本，也減少了摩擦導(dǎo)致的能量損失；而且很容易實(shí)現(xiàn)電控或遙控發(fā)動(dòng)機(jī)及車輛，用電子控制單元取代了傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向和制動(dòng)等系統(tǒng)，這也有利于車輛向自動(dòng)駕駛方向的發(fā)展。

4 結(jié)語

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(duì)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。

[1]徐兆坤主編.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010.

[2]趙丹平主編.現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理[M].北京:北京大學(xué)出版社,2010.

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

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