汽車構(gòu)造中汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)及其新進(jìn)展探析

孟德寶

（延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院，陜西　西安　710100）

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汽車構(gòu)造中汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)及其新進(jìn)展探析

孟德寶

（延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院，陜西西安710100）

摘要：發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的動(dòng)力機(jī)構(gòu)，是汽車的心臟，也是汽車能量轉(zhuǎn)換的重要中介，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能對(duì)汽車有著非常重要的作用.論文分析了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)造組成與各機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的工作原理，作者對(duì)汽車發(fā)動(dòng)的幾大技術(shù)性能指標(biāo)進(jìn)行了分析，并以此為基礎(chǔ)探討汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的新進(jìn)展與未來的發(fā)展趨勢(shì).

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)；構(gòu)造；性能指標(biāo)；進(jìn)展；趨勢(shì)

1　汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理與構(gòu)造組成

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的核心工作系統(tǒng)，汽車靠發(fā)動(dòng)機(jī)獲得動(dòng)力，由很多的機(jī)構(gòu)與系統(tǒng)共同組成.發(fā)動(dòng)機(jī)分為很多類型，根據(jù)使用的燃料不同有汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)；根據(jù)行程數(shù)分為二行程發(fā)動(dòng)機(jī)、四行程發(fā)動(dòng)機(jī).根據(jù)氣缸數(shù)分為單氣缸發(fā)動(dòng)機(jī)、多氣缸發(fā)動(dòng)機(jī).按照冷卻方式發(fā)動(dòng)機(jī)還可以分為水冷型發(fā)動(dòng)機(jī)與風(fēng)冷型發(fā)動(dòng)機(jī)等.發(fā)動(dòng)機(jī)的分類又多個(gè)層級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，而發(fā)動(dòng)機(jī)要給汽車源源不斷地提供動(dòng)力，完成能量的循環(huán)，必然要依靠以下的機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作：

1.1冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)能將汽車的運(yùn)行中零部件所產(chǎn)生的熱能及時(shí)散發(fā)出去，以給汽車發(fā)動(dòng)機(jī)提供一個(gè)恒定的，適宜的工作溫度.發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)包括水冷系統(tǒng)與風(fēng)冷系統(tǒng)，水冷系統(tǒng)以冷卻液作為主要介質(zhì)，風(fēng)冷系統(tǒng)以空氣為冷卻介質(zhì).

1.2潤(rùn)滑系統(tǒng)

潤(rùn)滑系統(tǒng)的主要作用在于對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零部件提供一定的清潔潤(rùn)滑液提高運(yùn)行的效率，避免麻煩阻力，以降低零部件之間的摩擦損耗；一定量的潤(rùn)滑液也可以對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件進(jìn)行必要的清洗與冷卻，一般潤(rùn)滑系統(tǒng)包括油道、機(jī)油泵和一些附屬閥門等構(gòu)成.

1.3點(diǎn)火系統(tǒng)

在汽油發(fā)電機(jī)中，氣缸內(nèi)靠電火花來點(diǎn)燃混合氣體，因此一般在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸蓋上設(shè)置有火花塞，火花塞的頭部位于氣缸燃燒室，火花塞電火花通過電極產(chǎn)生點(diǎn)火，而汽車內(nèi)部可以形成電火花的設(shè)備被稱之為點(diǎn)火系，點(diǎn)火系一般有發(fā)電機(jī)、蓄電池、分電器與火花塞等組成.

1.4啟動(dòng)系統(tǒng)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)要實(shí)現(xiàn)正常的運(yùn)轉(zhuǎn)，首先必須通過外力使發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，活塞可以形成反復(fù)運(yùn)動(dòng)，由此發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸內(nèi)的混合氣體受迫而膨脹，產(chǎn)生有用功，發(fā)動(dòng)機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)逐漸過渡到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，自動(dòng)循環(huán)開始慢慢政策運(yùn)行.因此汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)可以定義為：外力作用迫使曲軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸形成怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)，繼而發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)啟動(dòng).發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過程中所參與的設(shè)備與裝置都被稱之為發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)系.

1.5燃燒供應(yīng)系統(tǒng)

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給系統(tǒng)主要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的命令，形成一定濃度與數(shù)量的混合氣體，混合氣體逐漸進(jìn)入汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸內(nèi)部，此過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒形成的廢氣排入到大氣中.而柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給系統(tǒng)將柴油與空氣分別供入氣缸內(nèi)部，從而在燃燒室內(nèi)形成一定濃度與數(shù)量的混合氣體，發(fā)生燃燒，燃燒形成的廢氣最終被排放到大氣.

1.6配氣機(jī)構(gòu)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)由凸輪軸、挺桿、推桿、搖臂、搖臂軸、氣門彈簧及氣門導(dǎo)管等一些相關(guān)部件組成.配氣機(jī)構(gòu)的主要功能為根據(jù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的工作循環(huán)，定時(shí)開啟或者關(guān)閉氣缸內(nèi)的進(jìn)氣門和排氣門，且使得新鮮的充量可以進(jìn)入到氣缸內(nèi)，及時(shí)將氣缸內(nèi)的廢氣排出氣缸外.配氣機(jī)構(gòu)在氣體燃燒與壓縮的過程中保證了燃燒室的密封性，新鮮的充量相對(duì)于汽油而言常常是汽油與空氣進(jìn)行混合后的混合氣體，而相對(duì)于柴油機(jī)而言，則是純的新鮮空氣.發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)采用頂置氣門室配氣機(jī)構(gòu)，常常由氣門驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)和氣門組組成.

1.7曲柄連桿機(jī)構(gòu)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)（cranktrain）是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它的主要功能在于將活塞的反復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為曲柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從力的轉(zhuǎn)化上來分析，是將活塞產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)的力轉(zhuǎn)化為曲軸的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩是曲軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的作用力，它可以作用于汽車車輪，使其發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，汽車才可以跑起來.曲柄連桿機(jī)構(gòu)是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的主要機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，一般由連桿組、活塞組、飛輪組和一些其他零部件組成.

2　汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)

如何評(píng)判汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的品質(zhì)與性能的優(yōu)劣，是購車者常常關(guān)注的主要要素.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能與一些重要指標(biāo)密切相關(guān)，一般而言，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)包括動(dòng)力性指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo).發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的有效扭矩、產(chǎn)生的有效功率、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速常作為發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力指標(biāo)，而發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)常用有效燃油消耗率來表示.購車消費(fèi)者可以通過以下幾項(xiàng)性能指標(biāo)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)：

2.1功率與最大功率

功率的單位為千瓦，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率呈正相關(guān)，轉(zhuǎn)速越大，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率也越大.但這種正相關(guān)并不一直持續(xù)下去，有一個(gè)最優(yōu)的價(jià)值點(diǎn)，超過這個(gè)點(diǎn)后，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率不但不增加，反而會(huì)產(chǎn)生下降，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率存在最大值，在功率最大的時(shí)候，發(fā)動(dòng)機(jī)此時(shí)的轉(zhuǎn)速也是最大的，汽車此時(shí)的車速也是最快的.

2.2最大扭矩

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在曲軸產(chǎn)生扭矩的情況下，扭矩的大小與汽車的牽引力有很大關(guān)系.扭矩的大小類似于加速度的概念，可以反映汽車在某一節(jié)點(diǎn)上提高速度的能力與潛力.曲軸產(chǎn)生的最大扭矩常常產(chǎn)生于發(fā)動(dòng)機(jī)低速或者中速的速程范圍內(nèi).一般而言，汽車在起步階段或者低速運(yùn)行的過程中提速對(duì)扭矩產(chǎn)生最大最為有利.一般而言，性能最好的發(fā)動(dòng)機(jī)常常在比較寬泛的轉(zhuǎn)速區(qū)，可以提供百分之九十上下的扭矩平臺(tái)，且基本不會(huì)受到速度的影響，無論在低速還是高速中，均可以發(fā)揮最好的性能.

2.3氣門

氣門數(shù)也是影響發(fā)動(dòng)機(jī)的重要因素.傳統(tǒng)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣門常常采用由進(jìn)氣門與排氣門兩個(gè)氣門組成的形式.而隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，目前比較先進(jìn)的汽車已經(jīng)開始使用更多的氣門數(shù)發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的性能.當(dāng)前主流的汽車常常采用四氣門的構(gòu)造形式.四個(gè)氣門中有兩個(gè)是進(jìn)氣門，有兩個(gè)是排氣門.相比較而言四氣門技術(shù)比兩氣門的進(jìn)氣、排氣效率和效果會(huì)更加明顯.也有的汽車是五氣門，三個(gè)進(jìn)氣門，兩個(gè)排氣門，從燃燒的角度而言，三個(gè)進(jìn)氣門更有利于燃料氣體的徹底燃燒，但是五氣門構(gòu)造比較復(fù)雜，工藝也比較困難.

2.4氣缸的排列形式

一般發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的排列有直線型排列、V型排列和水平對(duì)置等形式.一般而言，包括四個(gè)氣缸以下的發(fā)動(dòng)機(jī)常常采用直線型排開，成本低的同時(shí)，構(gòu)造工藝比較簡(jiǎn)單，但有效輸出功率較低.多氣缸如六氣缸、八氣缸常常采用W型或V型排列，氣缸錯(cuò)開排列，這種排列方式常?？梢允拱l(fā)動(dòng)機(jī)比較平穩(wěn)工作，低效一定的振動(dòng)，但相對(duì)而言造價(jià)要比直線型的價(jià)格高，工藝與構(gòu)造也比較復(fù)雜，修理與維護(hù)比較困難.

3　汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)展望

提起汽車，發(fā)動(dòng)機(jī)是不可缺少的話題.當(dāng)前隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化主要為環(huán)保性能優(yōu)化與電控系統(tǒng)優(yōu)化兩個(gè)主要方面.

3.1多氣門技術(shù)

前文以及論述到發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門數(shù)量與發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有重要關(guān)系，傳統(tǒng)的老的汽車沿用的是兩氣門發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣效率低，燃燒不徹底，而目前先對(duì)先進(jìn)與前沿的汽車已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多氣門技術(shù)，如很多發(fā)達(dá)國家推出的轎車已經(jīng)采用單氣缸四氣門技術(shù)與五氣門技術(shù)，多氣門技術(shù)使得發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣與排氣效率增加，氣體燃燒效率加大，動(dòng)力更強(qiáng)，而在同等條件下，燃料的消耗也會(huì)比較低，所以多氣門技術(shù)是未來汽車發(fā)動(dòng)機(jī)提高工作性能的主要方式之一.

3.2渦輪增壓技術(shù)

渦輪增壓即意味著在一定排量的情況下，增加燃料的同時(shí)，增加空氣的數(shù)量與濃度，通過對(duì)渦輪進(jìn)行增加，以使發(fā)動(dòng)機(jī)所排出的廢氣更有用武之地，它可以帶動(dòng)渦輪高速的運(yùn)轉(zhuǎn)，伴隨機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)與裝置的輔助作用，從而循環(huán)為發(fā)動(dòng)機(jī)引入更多的空氣，如此循環(huán)可以極大提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效能.

3.3可變進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒所需要一定濃度與數(shù)量的空氣，而空氣是通進(jìn)氣歧管進(jìn)入氣缸內(nèi)，如果將空氣進(jìn)入的進(jìn)氣歧管加長(zhǎng)，那么發(fā)動(dòng)機(jī)在低速狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生足夠大的扭矩，而進(jìn)氣歧管較小，扭矩的產(chǎn)生也小，但高速狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，較小的進(jìn)氣歧管輸出功率會(huì)變大.因此可以考慮采用可變可調(diào)控的進(jìn)氣歧管技術(shù)，綜合兩種情況下的優(yōu)點(diǎn)，避免缺點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，采用雙級(jí)的可變進(jìn)氣歧管，既保證了輸出效率，又可以獲得速程范圍內(nèi)的最佳扭矩，但雙級(jí)可變進(jìn)氣歧管技術(shù)目前僅是先進(jìn)汽車企業(yè)采用的技術(shù)，我國目前對(duì)其研究尚處于初步階段，但從提高發(fā)動(dòng)機(jī)效能而言，是為了汽車技術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新思路.

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中圖分類號(hào)：U464

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-260X（2016）05-0163-02

收稿日期：2016-02-17