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汽車配件小常識:發動機

2010-12-29 9:57:17    

 

歷史

發動機最早誕生在英國,所以,發動機的概念也源于英語,它的本義是指那種“產生動力的機械裝置”。隨著科技的進步,人們不斷地研制出不同用途多種類型的發動機,但是,不管哪種發動機,它的基本前提都是要以某種燃料燃燒來產生動力。所以,以電為能量來源的電動機,不屬于發動機的范疇。

 

回顧發動機產生和發展的歷史,它經歷了外燃機和內燃機兩個發展階段。

 

所謂外燃機,就是說它的燃料在發動機的外部燃燒,發動機將這種燃燒產生的熱能轉化成動能,瓦特發明的蒸汽機就是一種典型的外燃機,當大量的煤燃燒產生熱能把水加熱成大量的水蒸汽時,高壓便產生了,然后這種高壓又推動機械做功,從而完成了熱能向動能的轉變。

 

明白了什么是外燃機,也就知道了什么是內燃機。這一類型的發動機與外燃機的最大不同在于它的燃料在其內部燃燒。內燃機的種類十分繁多,我們常見的汽油機、柴油機是典型的內燃機。我們不常見的火箭發動機和飛機上裝配的噴氣式發動機也屬于內燃機。不過,由于動力輸出方式不同,前兩者和后兩者又存在著巨大的差異。一般地,在地面上使用的多是前者,在空中使用的多是后者。當然有些汽車制造者出于創造世界汽車車速新紀錄的目的,也在汽車上裝用過噴氣式發動機,但這總是很特殊的例子,并不存在批量生產的適用性。

 

此外還有燃氣輪機,這種發動機的工作特點是燃燒產生高壓燃氣,利用燃氣的高壓推動燃氣輪機的葉片旋轉,從而輸出動力。燃氣輪機使用范圍很廣,但由于很難精細地調節輸出的功率,所以汽車和摩托車很少使用燃氣輪機,只有部分賽車裝用過燃氣輪機。

 

人類的智慧是無窮無盡的,各種新型的發動機不斷地被研制出來,但是,出于安全操控的需要,到目前為止,我們可愛的摩托車還只有一種選擇——往復式發動機。

 

參數

首先來看看最常見的一個發動機參數———發動機排量。發動機排量是發動機各汽缸工作容積的總和,一般用升(L)表示。而汽缸工作容積則是指活塞從上止點到下止點所掃過的氣體容積,又稱為單缸排量,它取決于缸徑和活塞行程。發動機排量是非常重要的發動機參數,它比缸徑和缸數更能代表發動機的大小,發動機的許多指標都同排氣量密切相關。一般來說,排量越大,發動機輸出功率越大。

 

了解了排量,我們再來看發動機的其他常見參數。很多初級車友都反映經常在汽車資料的發動機一欄中見到“L4”、“V6”、“V8”、“W12”等字樣,想弄明白究竟是什么意思。這些都表示發動機汽缸的排列形式和缸數。汽車發動機常用缸數有3缸、4缸、6缸、8缸、10缸、12缸等。

 

一般說來,排量1升以下的發動機常用3缸,例如0.8升的奧拓和福萊爾轎車。排量1升至2.5升一般為4缸發動機,常見的經濟型轎車以及中檔轎車發動機基本都是4缸。3升左右的發動機一般為6缸,比如排量3.0升的君威和新雅閣轎車。

 

排量4升左右的發動機一般為8缸,比如排量4.7升的北京吉普的JEEP4700。排量5.5升以上的發動機一般用12缸發動機,例如排量6升的寶馬760Li就采用V12發動機。在同等缸徑下,通常缸數越多排量越大,功率也就越高;而在發動機排量相同的情況下,缸數越多,缸徑越小,發動機轉速就可以提高,從而獲得較大的提升功率。

 

以上是有關發動機缸數的知識,下面我們接著了解“汽缸排列形式”這個重要參數。一般5缸以下發動機的汽缸多采用直列方式排列,常見的多數中低檔轎車都是L4發動機,即直列4缸。另外,也有少數6缸發動機采用直列方式排列。

 

直列發動機的汽缸體成一字排開,缸體、缸蓋和曲軸結構簡單,制造成本低,低速扭矩特性好,燃料消耗少,尺寸緊湊,應用比較廣泛,缺點則是功率較低。一般1升以下的汽油機多采用直列3缸,1至2.5升的汽油機多采用直列4缸,有的四輪驅動汽車采用直列6缸,因為其寬度小,可以在旁邊布置增壓器等設施,例如北京吉普的JEEP4000就采用直列6缸發動機。

 

另據專業人士介紹,直列6缸發動機的動平衡較好,振動相對較小,所以也為一些中、高級轎車所采用。6到12缸的發動機一般采用V形排列,其中V10發動機主要裝在賽車上。V形發動機長度和高度尺寸小,布置起來非常方便。一般認為V形發動機是比較高級的發動機,因而成為轎車級別的標志之一。

 

V8發動機結構非常復雜,制造成本很高,所以使用的較少,V12發動機過大過重,只有極個別的高級轎車采用,比如上面提到的寶馬760Li。而大眾公司近來還新開發出了W型發動機,有W8和W12兩種,即汽缸分四列錯開角度布置,形體緊湊,大眾的頂級轎車輝騰就有一款采用了排量6.0升的W12發動機。

 

結構

機體是構成發動機的骨架,是發動機各機構和各系統的安裝基礎,其內、外安裝著發動機的所有主要零件和附件,承受各種載荷。因此,機體必須要有足夠的強度和剛度。機體組主要由氣缸體、曲軸箱、氣缸蓋和氣缸墊等零件組成。

 

一.氣缸體

水冷發動機的氣缸體和上曲軸箱常鑄成一體,稱為氣缸體——曲軸箱,也可稱為氣缸體。氣缸體一般用灰鑄鐵鑄成,氣缸體上部的圓柱形空腔稱為氣缸,下半部為支承曲軸的曲軸箱,其內腔為曲軸運動的空間。在氣缸體內部鑄有許多加強筋,冷卻水套和潤滑油道等。

 

氣缸體應具有足夠的強度和剛度,根據氣缸體與油底殼安裝平面的位置不同,通常把氣缸體分為以下三種形式。

(1)一般式氣缸體其特點是油底殼安裝平面和曲軸旋轉中心在同一高度。這種氣缸體的優點是機體高度小,重量輕,結構緊湊,便于加工,曲軸拆裝方便;但其缺點是剛度和強度較差

 

(2)龍門式氣缸體其特點是油底殼安裝平面低于曲軸的旋轉中心。它的優點是強度和剛度都好,能承受較大的機械負荷;但其缺點是工藝性較差,結構笨重,加工較困難。

 

(3)隧道式氣缸體這種形式的氣缸體曲軸的主軸承孔為整體式,采用滾動軸承,主軸承孔較大,曲軸從氣缸體后部裝入。其優點是結構緊湊、剛度和強度好,但其缺點是加工精度要求高,工藝性較差,曲軸拆裝不方便。

 

為了能夠使氣缸內表面在高溫下正常工作,必須對氣缸和氣缸蓋進行適當地冷卻。冷卻方法有兩種,一種是水冷,另一種是風冷。水冷發動機的氣缸周圍和氣缸蓋中都加工有冷卻水套,并且氣缸體和氣缸蓋冷卻水套相通,冷卻水在水套內不斷循環,帶走部分熱量,對氣缸和氣缸蓋起冷卻作用。

 

現代汽車上基本都采用水冷多缸發動機,對于多缸發動機,氣缸的排列形式決定了發動機外型尺寸和結構特點,對發動機機體的剛度和強度也有影響,并關系到汽車的總體布置。按照氣缸的排列方式不同,氣缸體還可以分成單列式,V型和對置式三種。

(1)直列式

發動機的各個氣缸排成一列,一般是垂直布置的。單列式氣缸體結構簡單,加工容易,但發動機長度和高度較大。一般六缸以下發動機多采用單列式。例如捷達轎車、富康轎車、紅旗轎車所使用的發動機均采用這種直列式氣缸體。有的汽車為了降低發動機的高度,把發動機傾斜一個角度。

(2)V型

氣缸排成兩列,左右兩列氣缸中心線的夾角γ<180°,稱為V型發動機,V型發動機與直列發動機相比,縮短了機體長度和高度,增加了氣缸體的剛度,減輕了發動機的重量,但加大了發動機的寬度,且形狀較復雜,加工困難,一般用于8缸以上的發動機,6缸發動機也有采用這種形式的氣缸體。

(3)對置式

氣缸排成兩列,左右兩列氣缸在同一水平面上,即左右兩列氣缸中心線的夾角γ=180°,稱為對置式。它的特點是高度小,總體布置方便,有利于風冷。這種氣缸應用較少。

 

氣缸直接鏜在氣缸體上叫做整體式氣缸,整體式氣缸強度和剛度都好,能承受較大的載荷,這種氣缸對材料要求高,成本高。如果將氣缸制造成單獨的圓筒形零件(即氣缸套),然后再裝到氣缸體內。這樣,氣缸套采用耐磨的優質材料制成,氣缸體可用價格較低的一般材料制造,從而降低了制造成本。同時,氣缸套可以從氣缸體中取出,因而便于修理和更換,并可大大延長氣缸體的使用壽命。氣缸套有干式氣缸套和濕式氣缸套兩種。

 

干式氣缸套的特點是氣缸套裝入氣缸體后,其外壁不直接與冷卻水接觸,而和氣缸體的壁面直接接觸,壁厚較薄,一般為1~3mm。它具有整體式氣缸體的優點,強度和剛度都較好,但加工比較復雜,內、外表面都需要進行精加工,拆裝不方便,散熱不良。

 

濕式氣缸套的特點是氣缸套裝入氣缸體后,其外壁直接與冷卻水接觸,氣缸套僅在上、下各有一圓環地帶和氣缸體接觸,壁厚一般為5~9mm。它散熱良好,冷卻均勻,加工容易,通常只需要精加工內表面,而與水接觸的外表面不需要加工,拆裝方便,但缺點是強度、剛度都不如干式氣缸套好,而且容易產生漏水現象。應該采取一些防漏措施。

 

二.曲軸箱

氣缸體下部用來安裝曲軸的部位稱為曲軸箱,曲軸箱分上曲軸箱和下曲軸箱。上曲軸箱與氣缸體鑄成一體,下曲軸箱用來貯存潤滑油,并封閉上曲軸箱,故又稱為油底殼圖(圖2-6)。油底殼受力很小,一般采用薄鋼板沖壓而成,其形狀取決于發動機的總體布置和機油的容量。油底殼內裝有穩油擋板,以防止汽車顛動時油面波動過大。油底殼底部還裝有放油螺塞,通常放油螺塞上裝有永久磁鐵,以吸附潤滑油中的金屬屑,減少發動機的磨損。在上下曲軸箱接合面之間裝有襯墊,防止潤滑油泄漏。

 

三.氣缸蓋

氣缸蓋安裝在氣缸體的上面,從上部密封氣缸并構成燃燒室。它經常與高溫高壓燃氣相接觸,因此承受很大的熱負荷和機械負荷。水冷發動機的氣缸蓋內部制有冷卻水套,缸蓋下端面的冷卻水孔與缸體的冷卻水孔相通。利用循環水來冷卻燃燒室等高溫部分。

 

缸蓋上還裝有進、排氣門座,氣門導管孔,用于安裝進、排氣門,還有進氣通道和排氣通道等。汽油機的氣缸蓋上加工有安裝火花塞的孔,而柴油機的氣缸蓋上加工有安裝噴油器的孔。頂置凸輪軸式發動機的氣缸蓋上還加工有凸輪軸軸承孔,用以安裝凸輪軸。

 

氣缸蓋一般采用灰鑄鐵或合金鑄鐵鑄成,鋁合金的導熱性好,有利于提高壓縮比,所以近年來鋁合金氣缸蓋被采用得越來越多。

 

氣缸蓋是燃燒室的組成部分,燃燒室的形狀對發動機的工作影響很大,由于汽油機和柴油機的燃燒方式不同,其氣缸蓋上組成燃燒室的部分差別較大。汽油機的燃燒室主要在氣缸蓋上,而柴油機的燃燒室主要在活塞頂部的凹坑。這里只介紹汽油機的燃燒室,而柴油機的燃燒室放在柴油供給系里介紹。

 

汽油機燃燒室常見的三種形式。

(1)半球形燃燒室

半球形燃燒室結構緊湊,火花塞布置在燃燒室中央,火焰行程短,故燃燒速率高,散熱少,熱效率高。這種燃燒室結構上也允許氣門雙行排列,進氣口直徑較大,故充氣效率較高,雖然使配氣機構變得較復雜,但有利于排氣凈化,在轎車發動機上被廣泛地應用。

 

(2)楔形燃燒室

楔形燃燒室結構簡單、緊湊,散熱面積小,熱損失也小,能保證混合氣在壓縮行程中形成良好的渦流運動,有利于提高混合氣的混合質量,進氣阻力小,提高了充氣效率。氣門排成一列,使配氣機構簡單,但火花塞置于楔形燃燒室高處,火焰傳播距離長些,切諾基轎車發動機采用這種形式的燃燒室。

 

(3)盆形燃燒室

盆形燃燒室,氣缸蓋工藝性好,制造成本低,但因氣門直徑易受限制,進、排氣效果要比半球形燃燒室差。捷達轎車發動機、奧迪轎車發動機采用盆形燃燒室。

 

四.氣缸墊

氣缸墊裝在氣缸蓋和氣缸體之間,其功用是保證氣缸蓋與氣缸體接觸面的密封,防止漏氣,漏水和漏油。

 

氣缸墊的材料要有一定的彈性,能補償結合面的不平度,以確保密封,同時要有好的耐熱性和耐壓性,在高溫高壓下不燒損、不變形。目前應用較多的是銅皮——棉結構的氣缸墊,由于銅皮——棉氣缸墊翻邊處有三層銅皮,壓緊時較之石棉不易變形。有的發動機還采用在石棉中心用編織的綱絲網或有孔鋼板為骨架,兩面用石棉及橡膠粘結劑壓成的氣缸墊。

 

安裝氣缸墊時,首先要檢查氣缸墊的質量和完好程度,所有氣缸墊上的孔要和氣缸體上的孔對齊。其次要嚴格按照說明書上的要求上好氣缸蓋螺栓。擰緊氣缸蓋螺栓時,必須由中央對稱地向四周擴展的順序分2~3次進行,最后一次擰緊到規定的力矩。

 

二行程發動機

二行程發動機的每個工作循環,是在曲軸旋轉一周即360度,活塞上下兩個行程內完成的。

 

二行程柴油機的工作過程和二行程汽油機相似,不同的是:進入柴油機氣缸的是純空氣。由于二行程柴油機的經濟性差且排污嚴重,近幾年在汽車上已趨淘汰。在此僅介紹二行程汽油機的工作原理。

 

是一種用曲軸箱換氣的二行程化油器式汽油機的工作原理示意圖。發動機氣缸體上有三個孔,即進氣孔、排氣孔和換氣孔,這三個孔分別在一定時刻由活塞關閉。進氣孔與化油器相通,可燃混合氣經過進氣孔流人曲軸箱,繼而從換氣孔進入氣缸;而廢氣則從排氣孔排出。其工作循環包含兩個行程:

1.第一行程活塞自下止點向上移動,三個氣孔被關閉后,在活塞上方,已進入氣缸的混合氣被壓縮;而活塞下方的曲軸箱內因容積增大,形成一定的真空度,在進氣孔露出時,可燃混合氣自化油器經進氣孔流人曲軸箱內。

 

2.第二行程活塞壓縮到上止點附近時,火花塞跳火點燃可燃混合氣,高溫高壓的燃氣膨脹,推動活塞下移作功。活塞下移作功時進氣孔關閉,密閉在曲軸箱內的可燃,混合氣被壓縮;當活塞接近下止點時卜排氣孔開啟,廢氣沖出;隨后換氣孔開啟,受預壓的可燃混合氣沖人氣缸,驅除廢氣,進行換氣過程。此過程一直進行到下一行程活塞上移,三個氣孔完全關閉為止。

 

總之,活塞上行時進行換氣、壓縮\曲軸箱進氣;活塞下行時進行作功飛壓縮曲軸箱混合氣、換氣。

 

從以上四行程和二行程發動機的工作循環可以,看出,二行程發動機具有以下特點:

(1)曲軸每轉一周(360度)就有一個作功沖程,因此,在理論上相同排量的二行程發動機的功率,.應等于四行程發動機的兩倍。

 

(2)和四行程發動機相比,由于作功頻率較快,因而運轉比較均勻平穩。

 

(3)結構簡單,使用維護方便。

 

但是,由于二行程發動機換氣過稞中新鮮氣體損失較多,廢氣排賒也不徹底,且氣孔占據了一部分活塞行程,作功時能量損失較大,經濟性較差。因此,實際上二行程發動機的功率并不等于四行程發動機的兩倍,而是1.5-1.6倍左右。由于這個缺點,二行程汽油機在一般汽車上很少采用,僅在摩托車、少數微型汽車及其他工程,機械上應用。

 

一、基本理論

汽油發動機將汽油的能量轉化為動能來驅動汽車,最簡單的辦法是通過在發動機內部燃燒汽油來獲得動能。因此,汽車發動機是內燃機----燃燒在發動機內部發生。

 

有兩點需注意:

1.內燃機也有其他種類,比如柴油機,燃氣輪機,各有各的優點和缺點。

 

2.同樣也有外燃機。在早期的火車和輪船上用的蒸汽機就是典型的外燃機。燃料(煤、木頭、油)在發動機外部燃燒產生蒸氣,然后蒸氣進入發動機內部來產生動力。內燃機的效率比外燃機高不少,也比相同動力的外燃機小很多。所以,現代汽車不用蒸汽機。

 

相比之下,內燃機比外燃機的效率高,比燃氣輪機的價格便宜,比電動汽車容易添加燃料。這些優點使得大部分現代汽車都使用往復式的內燃機。

 

二、燃燒是關鍵

汽車的發動機一般都采用4沖程。(馬自達的轉子發動機在此不討論,汽車畫報曾做過介紹)

4沖程分別是:進氣、壓縮、燃燒、排氣。完成這4個過程,發動機完成一個周期(2圈)。

理解4沖程

 

活塞,它由一個活塞桿和曲軸相聯,過程如下:

1.活塞在頂部開始,進氣閥打開,活塞往下運動,吸入油氣混合氣

2.活塞往頂部運動來壓縮油氣混合氣,使得爆炸更有威力。

3.當活塞到達頂部時,火花塞放出火花來點燃油氣混合氣,爆炸使得活塞再次向下運動。

4.活塞到達底部,排氣閥打開,活塞往上運動,尾氣從汽缸由排氣管排出。

注意:內燃機最終產生的運動是轉動的,活塞的直線往復運動最終由曲軸轉化為轉動,這樣才能驅動汽車輪胎。

 

三、汽缸數

發動機的核心部件是汽缸,活塞在汽缸內進行往復運動,上面所描述的是單汽缸的運動過程,而實際應用中的發動機都是有多個汽缸的(4缸、6缸、8缸比較常見)。我們通常通過汽缸的排列方式對發動機分類:直列、V或水平對置(當然現在還有大眾集團的W型,實際上是兩個V組成)。

 

不同的排列方式使得發動機在順滑性、制造費用和外型上有著各自的優點和缺點,配備在相應的汽車上。

 

四、排量

混合氣的壓縮和燃燒在燃燒室里進行,活塞往復運動,你可以看到燃燒室容積的變化,最大值和最小值的差值就是排量,用升(L)或毫升(CC)來度量。汽車的排量一般在1.5L~4.0L之間。每缸排量0.5L,4缸的排量為2.0L,如果V型排列的6汽缸,那就是V63.0升。一般來說,排量表示發動機動力的大小。

 

所以增加汽缸數量或增加每個汽缸燃燒室的容積可以獲得更多的動力。

 

五、發動機的其他部分

凸輪軸控制進氣閥和排氣閥的開閉

火花塞火花塞放出火花點燃油氣混合氣,使得爆炸發生。火花必須在適當的時候放出。

閥門進氣、出氣閥分別在適當的時候打開來吸入油氣混合氣和排出尾氣。在壓縮和

燃燒時,這兩個閥都是關閉的,來保證燃燒室的密封。

 

活塞環在氣缸壁和活塞中提出密封:

1.防止在壓縮和燃燒時油氣混合氣和尾氣泄漏進潤滑油箱。

2.防止潤滑油進入汽缸內燃燒。

大多“燒機油”的汽車就是因為發動機太舊:活塞環不再密封引起的(尾氣管冒青煙)

活塞桿連接活塞環和曲軸,使得活塞和曲軸維持各自的運動。

潤滑油槽包圍著曲軸,里面有相當數量的油。

 

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