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发动机

目录

发动机的简介

山东时风欧II系列发动机

    发动机(Engine)是一种能够把其它形式的能转化为另一种能的机器,通常是把化学能转化为机械能。发动机既适用于动力发生装置,也可指包括动力装置的整个机器(如:汽油发动机、航空发动机)。发动机最早诞生在英国,所以,发动机的概念也源于英语,它的本义是指那种“产生动力的机械装置”。
    有人把引擎称为发动机,其实,发动机是一整套动力输出设备,包括变速齿轮、引擎和传动轴等等,可见引擎只是整个发动机的一个部分,但却是整个发动机的核心部分。人们不断地研制出各种不同类型的发动机,但不管哪种发动机,它的基本前提都是要以某种燃料燃烧来产生动力。所以,以电为能量来源的电动机,不属于发动机的范畴。

发动机的工作流程

  发动机的工作流程:进气-压缩-喷油-燃烧-膨胀做功-排气。

进气冲程

  进入汽缸的工质是纯空气。由于柴油机进气系统阻力较小,进气终点压力pa=(0.85-0.95)p0,比汽油机高。进气终点温度Ta=300-340K,比汽油机低。

压缩冲程

  由于压缩的工质是纯空气,因此柴油机的压缩比比汽油机高(一般为ε=16-22)。压缩终点的压力为3000-5000kPa,压缩终点的温度为750-1000K,大大超过柴油的自燃温度(约520K)。

做功冲程

  当压缩冲程接近终了时,在高压油泵作用下,将柴油以10MPa左右的高压通过喷油器喷入汽缸燃烧室中,在很短的时间内与空气混合后立即自行发火燃烧。汽缸内气体的压力急速上升,最高达5000-9000kPa,最高温度达1800-2000K。由于柴油机是靠压缩自行着火燃烧,故称柴油机为压燃式发动机。

排气冲程

  柴油机的排气与汽油机基本相同,只是排气温度比汽油机低。一般Tr=700-900K。对于单缸发动机来说,其转速不均匀,发动机工作不平稳,振动大。这是因为四个冲程中只有一个冲程是做功的,其他三个冲程是消耗动力为做功做准备的冲程。为了解决这个问题,飞轮必须具有足够大的转动惯量,这样又会导致整个发动机质量和尺寸增加。采用多缸发动机可以弥补上述不足。现代汽车用多采用四缸、六缸和八缸发动机。

发动机的分类

    最早的发动机源于蒸汽机的发明和使用,按照燃料燃烧位置的不同,可分为外燃机和内燃机。

外燃机

  外燃机,就是说它的燃料在发动机的外部燃烧,1816年由苏格兰的R.斯特林所发明,故又称斯特林发动机。发动机将这种燃烧产生的热能转化成动能,瓦特改良的蒸汽机就是一种典型的外燃机,当大量的煤燃烧产生热能把水加热成大量的水蒸汽时,高压便产生了,然后这种高压又推动机械做功,从而完成了热能向动能的转变。

内燃机

  明白了什么是外燃机,也就知道了什么是内燃机。这一类型的发动机与外燃机的最大不同在于它的燃料在其内部燃烧。内燃机的种类十分繁多,常见的汽油机、柴油机是典型的内燃机。不常见的火箭发动机和飞机上装配的喷气式发动机也属于内燃机。不过,由于动力输出方式不同,前两者和后两者又存在着巨大的差异。一般地,在地面上使用的多是前者,在空中使用的多是后者。当然有些汽车制造者出于创造世界汽车车速新纪录的目的,也在汽车上装用过喷气式发动机,但这总是很特殊的例子,并不存在批量生产的适用性。
  此外还有燃气轮机,这种发动机的工作特点是燃烧产生高压燃气,利用燃气的高压推动燃气轮机的叶片旋转,从而输出动力。燃气轮机使用范围很广,但由于很难精细地调节输出的功率,所以汽车和摩托车很少使用燃气轮机,只有部分赛车装用过燃气轮机。

发动机的基本参数

排量

  首先来看看最常见的一个发动机参数——发动机排量。发动机排量是发动机各汽缸工作容积的总和,一般用升(L)表示。而汽缸工作容积则是指活塞从上止点到下止点所扫过的气体容积,又称为单缸排量,它取决于缸径和活塞行程。发动机排量是非常重要的发动机参数,它比缸径和缸数更能代表发动机的大小,发动机的许多指标都同排气量密切相关。一般来说,排量越大,发动机输出功率越大。

缸数

  了解了排量,再来看发动机的其他常见参数。很多初级车友都反映经常在汽车资料的发动机一栏中见到“L4”、“V6”、“V8”、“W12”等字样,想弄明白究竟是什么意思。这些都表示发动机汽缸的排列形式和缸数。汽车发动机常用缸数有3缸、4缸、6缸、8缸、10缸、12缸等。

汽缸排列形式

  气缸排列形式,顾名思义,是指多气缸内燃机各个气缸排布的形式,直白的说,就是一台发动机上气缸所排出的队列形式。目前主流发动机汽缸排列形式有直列(L)和V型排列(V);其他非主流的汽缸排列方式:W型排列(W)、水平对置发动机(H)和转子发动机(R)。
    1、直列发动机:一般缩写为L,比如L4就代表着直列4缸的意思。直列布局是如今使用最为广泛的气缸排列形式,尤其是在2.5L以下排量的发动机上。这种布局的发动机的所有气缸均是按同一角度并排成一个平面,并且只使用了一个气缸盖,同时其缸体和曲轴的结构也要相对简单,好比气缸们站成了一列纵队。具体来说,我们常见的大致有L3、L4、L5、L6型四款(数字代表气缸数量)。这种布局发动机的优势在于尺寸紧凑,稳定性高,低速扭矩特性好并且燃料消耗也较少,当然也意味着制造成本更低。同时,采用直列式气缸布局的发动机体积也比较紧凑,可以适应更灵活的布局。也方便于布置增压器类的装置。但其主要缺点在于发动机本身的功率较低,并不适合配备6缸以上的车型。
    2、V型发动机:简单的说就是将所有汽缸分成两组,把相邻汽缸以一定夹角布置一起(左右两列气缸中心线的夹角γ<180°),使两组汽缸形成一个夹角的平面,从侧面看汽缸呈V字形(通常的夹角为60°),故称V型发动机。与直列布局形式相比,V型发动机缩短了机体的长度和高度,而更低的安装位置可以便于设计师设计出风阻系数更低的车身,同时得益于汽缸对向布置,还可抵消一部分振动,使发动机运转更为平顺。比如一些追求舒适平顺驾乘感受的中高级车型,还是在坚持使用大排量V型布局发动机,而不使用技术更先进的“小排量直列型布局发动机+增压器”的动力组合。
    3、W型发动机:许多人以为就像V型发动机的汽缸呈V形排列那样,W型发动机的汽缸排列形式也一定是呈W形,其实不然,它只是近似W形排列,严格说来还应属于V型发动机,是V型发动机的一个变种。W型发动机,W型发动机是德国大众专属发动机技术。将V型发动机的每侧汽缸再进行小角度的错开,就成了W型发动机。或者说W型发动机的汽缸排列形式是由两个小V形组成一个大V形,两组V型发动机共用一根曲轴。严格说来W型发动机还应属V型发动机的变种。W型与V型发动机相比可将发动机做得更短一些,曲轴也可短些,这样就能节省发动机所占的空间,同时重量也可轻些,但它的宽度更大,使得发动机舱更满。W型发动机最大的问题是发动机由一个整体被分割为两个部分,在运作时必然会引起很大的振动。针对这一问题,大众在W型发动机上设计了两个反向转动的平衡轴,让两个部分的振动在内部相互抵消。
    4、水平对置发动机:在上面介绍气缸V型排列发动机的时候已经提过,V型布局形成的夹角通常为60°(左右两列气缸中心线的夹角γ<180°),而水平对置发动机的气缸夹角为180度。但是水平对置发动机的制造成本和工艺难度相当高,所以目前世界上只有保时捷和斯巴鲁两个厂商在使用。
    5、转子发动机:相比常见的L型、V型气缸布局形式,可能很多朋友会对三角转子发动机感到陌生。转子发动机又称为米勒循环发动机,由德国人菲加士·汪克尔发明,之后这项技术由马自达公司收购。我们都知道:传统的气缸往复运动式发动机,工作时活塞在气缸里做往复直线运动,而为了把活塞的直线运动转化为旋转运动,必须使用曲柄连杆机构。转子发动机则不同,它直接将可燃气的燃烧膨胀力转化为驱动扭矩。与往复式发动机相比,转子发动机取消了无用的直线运动,因而同样功率的转子发动机尺寸较小,重量较轻,而且振动和噪声较低,具有较大优势。
    6、VR发动机:是大众的专属产品,1991年,大众公司开发了一种15°夹角的V6 2.8L发动机,称做VR6,并安装在第三代高尔夫上。这种发动机结构紧凑,宽度接近于直列发动机,长度不比直列4缸发动机长多少。众所周知,对于V型6缸发动机而言,60度夹角是最优化的设计,这是经过无数科学实验论证过的结果。因而绝大多数的V6发动机都是采用这种布局形式的。但为了能在更小的空间内放下V6发动机,大众集团另辟蹊径的研发出了夹角为15度、体积更小的VR6发动机。而从动力参数来看,它并不逊色与普通的V6发动机,但在研发之初就暴露了明显的抖动问题。通过一系列的平衡稳定手段虽使问题得以明显改善。但这依然无法超越改变其本身结构上的特性,就像普通直列发动机的震动通常都会大于V型发动机一样,夹角更小的VR6从结构本身就决定了它的震动会大于V6。诸如大众旗下的高尔夫R32、EOS等车型都曾装配过这款发动机。VR发动机的汽缸夹角非常小,两列汽缸接近平行,汽缸盖上火花塞的孔几乎并在一条直线上。VR发动机的特点就是体积特别小,所以非常适用于大众车系的前置发动机平台,因为大众的前置发动机前轮驱动底盘都是纵置式的设计,而且发动机在前轴之前所以发动机不能过长否则难以布置前悬挂。这款发动机非常紧凑,虽然是V缸机,但由于两列汽缸相离很近所以只需要一个汽缸盖就可以搞定,比90度和60度夹角的V6成本低很多(因为普通V缸机必须加工两个汽缸盖如果是DOHC的V缸机还需要加工4根凸轮轴,所以成本很高)。

发动机的结构布局

  发动机可以说是汽车上最重要的部分,而它的布置形式对于汽车的性能具有重大影响。对于轿车来说,发动机的布置位置可以简单的分为前置、中置和后置三种。目前市面上大多数车型都是采用的前置发动机,中置和后置发动机只在少数的性能跑车上使用。当然根据发动机放置形式,也可分为横置、纵置发动机。

前置发动机

  前置发动机,即发动机位前轮轴之前。前置发动机的优点是简化了车子变速器与驱动桥的结构,特别是对于目前占绝对主流的前轮驱动车型而言,发动机将动力直接输送到前轮上,省略了长长的传动轴,不但减少了功率传递损耗,也大大降低了动力传动机构的复杂性和故障率。另外,将发动机置驾驶员的前方,在正面撞车时,发动机可以保护驾驶员免受冲击,从而提高了车的安全性。

中置发动机

  中置发动机,即发动机位于车辆的前后轴之间,一般驾驶舱位于发动机之前或之后。可以这么说,中置发动机的汽车肯定是后轮驱动或者四轮驱动。汽车在转弯时,汽车各个部分因为惯性都会向弯外移动,引擎是质量最大的部分,所以引擎因惯性而对车体的作用力对汽车在弯中的转向有至关重要的影响。发动机中置的特点就是将车辆中惯性最大的发动机置于车体的中央,这样可以使车身重量分布接近理想平衡状态。一般来说,只有那些超级跑车或者讲究驾驶乐趣的跑车才采用中置发动机。

后置发动机

  一般来说,最纯正的后置发动机就是将发动机布置在后轴之后,最有代表性的就是大客车,而后置发动机的乘用车屈指可数,最有代表性的就是保时捷911,当然smart也是后置发动机。曾经的经典车型大众甲壳虫和菲亚特126P也是后置发动机。

横置发动机

  横置发动机是指发动机和汽车前桥平行。简单的讲就是你站在车头前面向发动机,如果发动机横着放在你眼前,就是横置发动机。一般来说,前驱的紧凑型轿车、大多数的中级轿车和少数高级轿车都采用了横置发动机的布置方式。

纵置发动机

  纵置发动机是指发动机与汽车的前桥垂直,简单的讲就是你站在车头前面向发动机,如果发动机竖着放在你眼前,那就是纵置式发动机。一般来说后驱车都采用了纵置发动机,因为动力要传递到后桥上,在传动距离无法缩短的情况下,就要尽可能减少动力的方向转换。如果采用横置的话,因为曲轴和传动轴的方向垂直,所以先要转换一次方向,以通过传动轴传输动力,但是传动轴的方向和后桥的方向也是垂直的,所以在后桥需要再将旋转方向转换过来,这无疑降低了传动系统的效率。而使用纵置发动机就可以使得曲轴与传动轴平行,减少了一次传动方向的转换,无疑是降低了能量的损失。

反置发动机

  “反置”是横置发动机的一种特殊布置方式,通常的横置发动机排气歧管在前,进气歧管在后的布置方式,简单的说就是“前出后进”,如果将进排气的位置调换,将进气歧管置于前端,排气歧管置于后部,变成“前进后出”,就是所谓的“反置”了。只有横置发动机才有“正反置”之说,纵置发动机进排气歧管在左右两端,互换并没有什么差别,所以是没有这样的说法的。

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