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史上最全汽车原理图解——发动机构造篇

 数据保存 2017-07-26


机械前线导读:发动机作为汽车的动力源泉,不同汽车的发动机的内部结构千差万别,这些不同体现在哪些方面?强烈推荐学习篇,不得不看,不得不收藏!


● 发动机的排量、压缩比
活塞从上止点移动到下止点所通过的空间容积称为气缸排量;发动机所有气缸排量之和称为发动机排量,通常用升(L)来表示。如我们平时看到的汽车排量,1.6L、2.0L、2.4L等等。其实气缸的容积是个圆柱体,不太可能正好是整升数的,如1998mL、2397mL等数字,可以近似标示为2.0L、2.4L。

压缩比,即发动机混合气体被压缩的程度,气缸总容积与压缩后的气缸容积(即燃烧室容积)之比来表示。为什么要对气缸的混合气体压缩呢?这样可以让混合气体更容易、更快速的完全燃烧,从而提高发动机的性能和效率。

● 什么是可变排量?如何改变排量的?
通常为了获得大的动力,需要把发动机的排量增大,如8缸、12缸发动机动力就非常强劲。但付出的代价就是油耗增加。尤其是在怠速等工况不需要大动力输出时,燃油就白白浪费掉了,而可变排量就可以很好地解决矛盾。

可变排量,顾名思义就是发动机的排量并不是固定的(也就是说参加工作的气缸数量是发生变化的),而是可以根据工况需要而发生改变。那发动机怎么来实现排量的改变的?简单的说,就是通过控制进气门和油路来开启或关闭某个气缸的工作。比如一台6缸可变排量发动机,可以根据实际工况需要,实现3缸、4缸、6缸三种工作模式,以降低油耗,提高燃油的经济性。

如大众TSI EA211发动机采用了可变排量(气缸关闭)技术,主要是通过电磁控制器和安装在凸轮轴上的螺旋沟槽套筒来实现气门的关闭与开启。

● 什么是缸内直喷?有什么优势?
我们知道,传统的发动机是在进气歧管中喷油再与空气形成混合气体,最后才进入到气缸内的。在此过程中,因为喷油嘴里燃烧室还有一定距离,微小的油粒会吸附在管道壁上,而且汽油与空气的混合受进气气流和气门关闭影响较大。

而缸内直喷是直接将燃油喷射在缸内,在气缸内直接与空气混合。ECU可以根据吸入的空气量精确地控制燃油和喷射量和喷射时间,高压的燃油喷射系统可以是使油气的雾化和混合效率更加优异,使符合理论空燃比的混合气体燃烧更加充分,从而降低油耗,提高发动机的动力性能。

这套由柴油发动机衍生而来的科技目前已经大量使用在包含大众(含奥迪)、宝马、梅赛德斯-奔驰、通用等车系上

● 什么是均质燃烧?分层燃烧?
所谓“均质燃烧”可以理解为普通的燃烧方式,即燃料和空气混合形成一定浓度的可燃混合气,整个燃烧室内混合气的空燃比是相同的,经火花塞点燃燃烧。由于混合气形成时间较长,燃料和空气可以得到充分的混合,燃烧更均匀,从而获得较大的输出功率。

而分层燃烧,整个燃烧室内的混合气的空燃比是不同的,火花塞附近的混合气浓度要比其他地方的要高,这样在火花塞周围的混合气他可以迅速燃烧,从而带动较 远处较稀的混合气体的燃烧,这种燃烧方式称为“分层燃烧”。均质燃烧的目的是在高速行驶、加速时获得大功率;分层燃烧是为了在低转速、低负荷时节省燃油。

● 如何是实现分层燃烧?
如TSI发动机是怎样实现分层燃烧的?首先,发动机在进气行程活塞移至下止点时,ECU控制喷油嘴进行一次小量的喷油,使气缸内形成稀薄混合气。

在活塞压缩行程末端时再进行第二次喷油,这样在火花塞附近形成混合气相对浓度较高的区域(利用活塞顶的特殊结构),然后利用这部分较浓的混合气引燃汽缸内的稀薄混合气,从而实现气缸内的稀薄燃烧,这样可以用更少的燃油达到同样的燃烧效果,进一步降低发动机的油耗。

在平时开车的时候相信大家都有体会,感觉带“T ”的发动机很给力,动力很强劲。涡轮增压发动机为什么动力强劲?是怎样增压的?下面我们就来了解一下发动机增压器的工作原理。

● 节气门的作用
在发动机进气系统中主要有两大部件,一是空气滤清器,主要负责过滤空气中的杂质;二是进气管道,主要将空气引入到气缸中。而在进气管中有个很重要的部件,就是节气门。

节气门主要的作用就是控制进入气缸的混合气量大小。那它是怎么控制进气量的呢?我们开车时踩油门踏板的深浅,其实就是控制节气门开度的大小。油门踏板踩得越深,节气门开度就越大,混合气进入量就越大,发动机的转速就会上升。

传统拉线油门是通过钢丝一端与油门踏板相连另一端与节气门相连,它的传输比例是1:1,这种方式控制精度不理想。而现在的电子节气门(电子油门),是通过位置传感器,将踩踏油门踏板动作的力量、幅度等数据传输到控制单元进行分析,然后总结出驾驶者踩油门的意图,再由ECU计算实际节汽门开合度并发出指令控制节汽门电机工作,从而实现对节气门的精准控制。

● 进气歧管长度可变?

我们平时看到发动机的进气歧管的长度好像都是固定的,它的长度还可以改变?其实在进气歧管内安装控制阀,通过它的打开和关闭,可以将进气歧管分为两段,从而改变它的有效长度。那改变进气歧管的长度有什么作用呢?主要是为了提高发动机在不同转速时的进气效率,从而提升发动机在各个转速下的动力性能。

当发动机低速运转时,黑色控制阀关闭,气流被迫从长歧管流入气缸,可以增加进气的气流速度和压强,使汽油和空气更好的混合,燃烧更充分(这个有点像把水流不急的水管捏扁后,水流速度会变急的原理一样)。当发动机转速升高时,控制阀门打开,气流绕开下端管道直接进入气缸,这时能更快吸入更多的空气,增大发动机高转速的进气量。

● 排气歧管为什么“长”得奇形怪状的?
汽车的排气系统主要包括排气歧管、三元催化转化器、消声器和排气管道等。主要的作用就是将气缸内燃烧的废气排出到大气中。

为什么我们看到的排气管大多都形状怪异的?这种设计主要是为了最大限度地避免各缸排出的废气发生相互干涉或废气回流的现象,而影响发动机的动力性能。

虽然排气管设计的奇形怪状,但为了防止出现紊流,还是遵循一定的原则的,如各缸排气歧管尽可能独立、长度尽可能相等;排气歧管尽可能长等。

● 涡轮增压是怎样增压的?

涡轮增压大家并不陌生,平时在车的尾部都可以看到诸如1.4T、2.0T等字样,这说明了这辆车的发动机是带涡轮增压的。涡轮增压(Turbocharger)简称Turbo或T。涡轮增压是利用发动机的废气带动涡轮来压缩进气,从而提高发动机的功率和扭矩,使车更有劲。

涡轮增压器主要由涡轮机和压缩机两部分组成,之间通过一根传动轴连接。涡轮的进气口与发动机排气歧管相连,排气口与排气管相连;压缩机的进气口与进气管相连,排气口则接在进气歧管上。到底是怎样实现增压的呢?主要是通过发动机排出的废气冲击涡轮高速运转,从而带动同轴的压缩机高速转动,强制地将增压后的空气压送到气缸中。

涡轮增压主要是利用发动机废气的能量带动压缩机来实现对进气的增压,整个过程中基本不会消耗发动机的动力,拥有良好的加速持续性,但是在低速时涡轮不能及时介入,带有一定的滞后性。(涡轮增压工作原理 )

● 机械增压又是怎样的?

相对于涡轮增压,机械增压(Supercharger)的原理则有所不同。机械增压主要是通过曲轴的动力带动一个机械式的空气压缩机旋转来压缩空气的。与涡轮增压不同的是,机械增压工作过程中会对发动机输出的动力造成一定程度的损耗。

由于机械增压器是直接由曲轴带动的,发动机运转时,增压器也就开始工作了。所以在低转速时,发动机的扭矩输出表现也十分出色,而且空气压缩量是按照发动机转速线性上升的,没有涡轮增压发动机介入那一刻的唐突,也没有涡轮增压发动机的低速迟滞。但是在发动机高速运转时,机械增压器对发动机动力的损耗也是很大的,动力提升不太明显。

(机械增压工作原理)

● 双增压发动机是怎样工作的?

双增压发动机,顾名思义就是指一台发动机上装有两个增压器。如一台发动机上采用两个涡轮增压器,则称为双涡轮增压发动机。如宝马3.0L直列六缸发动机,采用的就是两个涡轮增压器。

针对废气涡轮增压的涡轮迟滞现象,排气管上并联两只同样的涡轮(每三个缸一组连接一个涡轮增压器),在发动机低转速的时候,较少的排气即可驱动涡轮高速旋转以产生足够的进气压力,减小涡轮迟滞效应。(宝马BMW M5 F10 双涡轮增压发动机)

前面了解到,涡轮增压器在低转速时有迟滞现象,但高速时增压值大,发动机动力提升明显,而且基本不消耗发动机的动力;而机械增压器,是发动机运转直接驱动涡轮,没有涡轮增压的迟滞,但是是损耗部分动力、增压值较低。那把它们结合一起就岂不是可以优势互补了?

双增压发动机示意图(涡轮增压器+机械增压器)


如大众高尔夫GT上装备的1.4升TSI发动机,设计师就把涡轮增压器和机械增压器结合到了一起。将机械增压器安装到发动机进气系统上,涡轮增压器安装在排气系统上,从而保证发动机在低速、中速和高速时都能有较好的增压效果。(大众1.4 TSI双增压发动机)

在我们日常养车中,定期更换机油机滤、检查水箱水是必不可少的项目,这对发动机的工作性能有着重要的影响。机油、水箱水分别是发动机润滑系和冷却系的重要载体,那它们是怎样对发动机进行润滑和冷却的呢?下面我们一起来了解一下吧。

● 发动机如何润滑?
发动机内部有许多相互摩擦运动的零件,如曲轴主轴颈与主轴承、凸轮轴颈与凸轮轴承、活塞、活塞环与气缸壁面等等,这些部件运动速度快,工作环境恶劣,它们之间需要有适当的润滑,才能降低磨损,延长发动机的寿命。机油作为发动机的“血液”,对发动机油具有润滑、冷却、清洗、密封和防锈等作用,定期地更换机油对发动机有着重要的作用。

机油主要存储在油底壳中,当发动机运转后带动机油泵,利用泵的压力将机油压送至发动机各个部位。润滑后的机油会沿着缸壁等途径回到油底壳中,重复循环使用。

反复重复润滑的机油中,会带有磨损的金属末或灰尘等杂质,如不清理反而加速零件间的磨损。所以在机油油道上必须安装机油滤清器进行过滤。但时间过长,机油一样会变脏,因此在车辆行驶一定里程后必须更换机油机滤。

● 发动机是如何冷却的?
发动机除了要有润滑系统减少零件间的摩擦外,还必须要有个冷却系统,适时将受热零件的部分热量及时散发出去,以保证发动机在最适宜的温度状态下工作。发动机冷却有水冷和风冷两种方式,现在一般车用发动机都采用水冷式。发动机水冷式冷却系统主要由水泵、散热器、冷却风扇、补偿水箱、节温器、发动机机体、气缸盖水套等部分组成。

那是怎么进行冷却的呢?主要通过水泵使环绕在气缸水套中的冷却液加快流动,通过行驶中的自然风和电动风扇,使冷却液在散热器中进行冷却,冷却后的冷却液再次引入到水套中,周而复始,实现对发动机的冷却。

其实冷却系除了对发动机有冷却作用外,还有“保温”的作用,因为“过冷”或“过热”,都会影响发动机的正常工作。这个过程主要是通过节温器实现发动机冷却系“大小循环”的切换。什么是冷却系统的大小循环?可以简单理解为,小循环的冷却液是不通过散热器的,而大循环的冷却液是通过散热器的。

● 柴油机和汽油机的区别
柴油机和汽油机是汽车上最常见的两种动力装置,因为燃料的不同,柴油机和汽油机工作方式也是有所不同的。主要表现在以下几个方面,首先喷射方式不一样,一般的汽油机(直喷发动机除外)是将汽油与燃料混合后进入气缸,而柴油机是直接将柴油喷入已充满压缩空气的气缸。

其次,点火方式不同。汽油机需要火花塞将混合气点燃,而柴油机是压缩自燃点火。最后,压缩比不同,柴油机的压缩比一般都比汽油机的要大,因此它的膨胀比和热效率比较高,油耗比汽油机要低。

● 转子发动机是怎样工作的?
转子发动机也称三角活塞旋转式发动机,与我们常见的往复式发动机不同的是,它是一种通过三角活塞在气缸内做旋转运动的内燃机。

转子发动机的活塞是一个扁平三角形,气缸是一个扁盒子,活塞偏心地安装在空腔内。汽油燃烧产生的膨胀力作用在转子的侧面上,从而将三角形转子的三个面之一推向偏心轴的中心,在向心力和切向力的作用下,活塞在气缸内做行星旋转运动。

在这过程中,工作室的容积随着活塞转动发生周期性的变化,从而完成进气、压缩、做功、排气这四个行程。活塞每旋转一次就做功一次,与一般的四冲程发动机每转两圈才做一次功,具有高马力容积等优点。

● 混合动力汽车是怎样的?
现在的混合动力汽车一般为油电混合,就是利用燃油发动机和电动机共同为汽车提供动力。混合动力车上的装置可以在车辆减速、制动、下坡时回收能量,并通过电动机为汽车提供动力,因此它的油耗比较低,但汽车价格相对较高。

根据电动机所起作用的大小,可以分为强混合动力和轻混合动力两种。强混合动力车主要采用大功率电动机,尽量缩小发动机的排量。在起步或低速时,可以单纯依靠电力行驶,如在车辆重载、加速等情况下,发动机才会介入工作。

轻混合动力车的主要驱动力是燃油发动机,而电动机只是作为辅助作用,不能单独驱动汽车。但能在车辆减速、制动时进行能量回收,实现混合动力的最大效率。

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