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发动机工作原理

汽车发动机工作原理

您是否曾经打开过汽车的发动机罩并且很奇怪里面都是些什么东西? 汽车发动机看上去就像一大堆乱七八糟的金属、管路和导线的混合体。
2003吉普大切诺基的发动机
戴姆勒克莱斯勒供图
2003吉普大切诺基的发动机

出于好奇,您可能想知道大概是怎么回事。 或者,您可能想买一辆新车,您听说过“3.0升V-6”、“双顶置凸轮轴”和“经过调校的进气燃油喷射”这些东西。 它们是什么意思呢?

在本文中,我们将讨论有关发动机的基本概念,并详细了解发动机的所有组成部分、可能出问题的地方以及如何提高发动机性能。

汽油发动机的目的在于将汽油转换为运动,以便汽车能够开动。 目前将汽油变成运动的最简单方法是在发动机中燃烧汽油。 因此,汽车发动机是一种“内燃发动机”——燃烧发生在内部。 需要注意两件事情:

  • 有多种不同的内燃发动机。 柴油发动机是一种,燃气轮机是另外一种。 参见有关HEMI发动机转子发动机和二冲程发动机的文章。 每种发动机都有自己的优缺点。
  • 还有一种外燃发动机。 老式火车和蒸汽轮船中的蒸汽机是外燃发动机。 在蒸汽机中,燃料(煤、木柴、石油等)在发动机外部燃烧并产生蒸汽,由蒸汽在发动机内部形成运动。 内燃机的效率比外燃机高出许多(每公里消耗的燃料更少),而且内燃发动机比同等功率的外燃发动机要小巧很多。 福特和通用这些公司之所以不使用蒸汽机,原因也在于此。

典型汽车发动机的内部构造
典型汽车发动机的内部构造

当前几乎所有汽车都使用往­复式内燃发动机,因为这种发动机具有以下优点:

  • 相对高效(与外燃发动机相比)
  • 相对廉价(与燃气轮机相比)
  • 相对来说易于加注燃料(与电动汽车相比)
这些优点使得其成为驱动汽车的首选技术。

为了了解往复式内燃发动机的工作原理,对“内部燃烧”的工作方式有一个直观的认识十分有帮助。 加农炮是一个很好的例子。 您可能在电影里看到过它们,士兵们向炮中填入火药和炮弹,然后点着它。 这就是我们说的内部燃烧,但是很难想象发动机是如何完成这些过程的。

下面是一个更为形象的例子: 假如有一大段塑料的下水道管子,它的直径为8厘米,长度为90厘米,然后在它的一端安上一个盖子。 接着,在管子中喷洒了一点WD-40,或者放了几滴汽油。 然后,在管子里塞进一个土豆。 就像这样:

我们现在拥有的这个装置通常称作土豆加农炮。

不建议您这样做!但是假如您这样做了,我们现在拥有的这个装置通常称作土豆加农炮。 如果您在其中打出一个火花,那么就可以点着燃料。

有意思的是——而且我们讨论这样一个装置的目的就在于——土豆加农炮可以将土豆发射出大约150米远! 几滴汽油就可以产生如此巨大的能量。

内部燃烧

土豆加农炮的基本原理与所有往复式内燃发动机完全一致: 如果将一点儿高能燃料(例如汽油)放在一个小的密闭空间中并点燃它,它将以气体膨胀的形式释放出巨大能量。 可以使用这些能量将土豆抛出150米远。 在这个例子中,能量被转换为土豆的运动。 也可以使用这些能量完成更有意思的工作。 例如,如果可以建立一个循环,使得在每分钟内可以进行数百次爆炸,然后将能量用于有意义的事情,现在您已经接触到了汽车发动机的核心秘密!

目前几乎所有汽车都使用四冲程燃烧循环来将汽油转化为运动。 四冲程方式又称作“奥托循环”,以此纪念1867年发明它的尼克劳斯•奥托 (Nikolaus Otto)。这四个冲程如图1所示。 它们分别是: 

  • 进气冲程
  • 压缩冲程
  • 燃烧冲程
  • 排气冲程

循环过程

在图中,可以看到称作“活塞”的装置,它取代了土豆加农炮中的土豆。 活塞通过连杆连接到曲轴。 当曲轴旋转时,它的作用相当于“让加农炮复位”。 在发动机的循环过程中会发生如下事情:


典型汽车发动机的内部构造

典型汽车发动机的内部构造

1. 活塞开始时位于顶部,排气门打开,然后活塞向下运动,在发动机的气缸中充满空气和汽油的混合物。 这便是吸气冲程。 此时,只需要在空气中混合最少量的汽油即可。 (图中部分1)

2. 然后,活塞向上返回以压缩燃油/空气混合物。 压缩过程使得爆炸更具威力。 (图中部分2)

3. 当活塞到达其冲程的顶部时,火花塞发出一个火花,点燃汽油。 气缸中的汽油爆炸,推动活塞向下运动。 (图中部分3)

4. 在活塞到达其冲程的底部后,排气门开启,废气被排出气缸并进入排气尾管。 (图中部分4)

现在,发动机准备进行下一次循环,再次吸入空气和汽油。

注意,内燃发动机输出的运动是旋转运动,而土豆加农炮产生的运动是线性运动(直线)。 在发动机中,活塞的线性运动转化为曲轴的旋转运动。 而旋转运动非常好,因为我们正好打算通过它让车轮转起来。

下面,让我们看看相互配合工作以实现这一切的所有部件。

气缸、排量和其他发动机部件

发动机的核心是气缸和在气缸内部上下运动的活塞。上面介绍的发动机只有一个气缸。大多数割草机属于这种情况,但是大多数汽车都有多个气缸(通常有四个、六个或八个气缸)。在多缸发动机中,气缸的排列方式通常有三种: 直列式、V型或卧式(也叫水平对置式),如下图所示

直列式——气缸按直线排成一排

图2. 直列式——气缸按直线排成一排。
V型——气缸按一定角度排成两排。
图3. V型——气缸按一定角度排成两排。
 卧式——气缸在发动机的相对两侧排成两排。
图4. 卧式——气缸在发动机的相对两侧排成两排。

各种配置方式在平滑性、制造成本和外形特征方面均各有利弊。 这些优点和缺点使它们分别适合某些特定车辆的要求。

排量

燃烧室是发生压缩和燃烧过程的区域。 随着活塞上下运动,可以看到燃烧室的容积也随之发生改变。 存在最大容积和最小容积。 最大容积和最小容积之间的差值称为排量,其单位为升或CC(立方厘米,1000立方厘米=1升)。

以下是一些例子:

  • 链锯发动机的排量可能为0.04升。
  • 摩托车发动机的排量可能为0.5或0.75升。
  • 跑车发动机的排量可能为5升。
大多数标准汽车发动机的排量在1.5-4.0升之间。

如果是四气缸发动机并且每个气缸的排量为0.5升,则整个发动机为“2.0升发动机”。 如果每个气缸的排量为0.5升,6个气缸以V型配置,则为“3.0升V-6”发动机。

通常,可通过排量大致了解发动机的功率。 排量为0.5升的气缸可以容纳两倍于排量为0.25升的气缸的燃油、空气混合物,因此前者的功率是后者的两倍(如果其他条件相同)。 所以,2.0升发动机的功率大致等于4.0升发动机的一半。

可以通过增加气缸数量或者增大所有气缸的燃烧室(或者同时增加二者)来提高发动机的排量。 

其他发动机部件


内燃式发动机

内燃式发动机
火花塞
火花塞可提供火花来点燃空气/燃油混合物以使其燃烧。 必须在正确的时刻打出火花才能正常工作。

气门
进气门和排气门在正确的时间开启,输入空气和燃油并排出废气。 请注意,两种气门在压缩和燃烧期间都处于闭合状态以密闭燃烧室。

活塞
活塞是一个金属圆柱形部件,可以在气缸内部上下运动。

活塞环
活塞环在活塞外缘和气缸内径之间起到滑动密封作用。 活塞环有两个目的: 
  • 在压缩和燃烧期间,防止燃烧室中的燃油/空气混合物和废气泄露到油槽中。
  • 防止油槽中的油液泄露到燃烧区域并在该处燃烧和流失。
大多数“烧油”汽车必须每隔1600公里便添加1升左右的油,其中的原因就是发动机老化,而且活塞环不再能够起到正确的密封作用。

连杆
连杆将活塞连接到曲轴。 它的两端都可以旋转,以便在活塞运动和曲轴旋转的同时改变角度。

曲轴
曲轴将活塞的上下运动转变为圆周运动,就如同一打开盒子就跳出一个小人的玩具盒上的曲柄一样。

油槽
油槽围绕在曲轴周围。 它包含一定量的机油,这些机油集中在底部(油盘)。

下面我们来看看发动机可能会出现的一些问题。 

发动机常见问题

某天早晨您想外出,发动机转了几下但是没有启动,是什么地方出问题了? 现在您已经知道发动机的工作原理了,应该能够了解是哪些原因导致发动机无法运转。 可能有以下三种原因: 燃油混合得不好、缺乏压缩或者不能打火。 除此之外,还有许多可能导致问题的其他原因,但是上面的三个原因是主要因素。 以我们正在讨论的简单发动机为例,下面简要讨论了这些问题对发动机的影响:

燃油混合得不好:可能会由于以下原因而导致燃油混合得不好:

  • 缺少燃油,因此发动机只得到空气但是得不到燃油。
  • 进气不畅,因此只有燃油但是没有足够的空气。
  • 燃油系统供应的燃油可能太多或太少,因此导致无法正确燃烧。
  • 燃油中可能有杂质(例如油箱中有水),导致燃油无法燃烧。
缺少压缩:如果进入的空气和燃油不能被正确压缩,则燃烧过程将不尽如人意。 可能会因以下原因导致缺乏压缩:
  • 活塞环磨损(使得空气/燃油混合物在压缩过程中漏出活塞)。
  • 进气门或排气门没有正确密封,使得在压缩过程中发生泄露。
  • 气缸上出现了孔洞。
气缸上最常见的“孔洞”出现在气缸顶部(用于安装气门和火花塞,又称作“气缸盖”)与气缸本身相连的部位。 通常,气缸和气缸盖螺栓之间有一个薄垫,以确保密封效果。 如果该垫片破损,便会在气缸和气缸盖之间出现许多小孔洞并导致泄露。

不能打火:不能产生火花或火花很弱,原因主要包括:

  • 如果火花塞或者导线发生磨损,则火花会很微弱。
  • 如果导线断开或缺失,或者用于打火的系统不能正常工作,则不会产生火花。
  • 如果火花在循环中出现的太早或太晚(例如,如果点火正时处于关闭状态),那么燃油将不会在正确的时间点燃,并会由此导致各种问题。
还可能是其他方面出了问题。例如:
  • 如果蓄电池没有电,则无法启动和运转发动机。
  • 如果允许曲轴自由转动的轴承已磨坏,那么曲轴将无法转动,从而导致发动机无法运转。
  • 如果气门不能在正确的时间打开或关闭(或者根本无法打开和关闭),那么空气将无法进入,废气也无法排出,从而导致发动机无法运转。
  • 如果有人在您的排气尾管中塞了一个土豆,那么废气将无法排出气缸,从而导致发动机无法运转。
  • 如果机油已经用完,活塞将不能在气缸中自由上下运动,从而卡住发动机。
在正常运行的发动机中,所有上述因素都在允许的范围内。

正如您所看到的,发动机需要大量系统的帮助才能完成将燃油转换为运动的工作。 大多数子系统都可通过不同的技术来实现,使用的技术越先进,发动机的性能也就越出色。 在下面的部分中,我们将介绍现代发动机中使用的各种子系统。


气门机构




多数发动机子系统可以通过不同的技术加以改进,更好的技术能提高发动机的性能。下面我们将从气门机构开始看一看现代发动机中使用的各种子系统。

气门机构由气门以及开合气门的机构组成。 开合系统称作凸轮轴。 凸轮轴上有凸轮,可以向上和向下移动气门。

凸轮轴

图5. 凸轮轴

大多数现代发动机都有称为顶置凸轮轴的机构。 也就是说,凸轮轴位于气门上方(如图5 所示)。凸轮轴上的凸轮直接控制气门,或者通过一个很短的连杆控制气门。 老式的发动机使用的凸轮轴位于曲轴附近的油槽中。 使用横杆将下方的凸轮连接到位于气门上方的气门挺杆。 这种方法使用的运动零件较多,并且会导致凸轮激活气门的动作大大滞后于气门的后续运动。 使用正时皮带或正时链条将曲轴与凸轮轴联系在一起,以便气门与活塞保持同步。 凸轮轴的连接方式使得它的转动速度是曲轴的一半。 许多高性能发动机的每个气缸有四个气门(两个进气门,两个排气门),这种布置方式需要为每组气缸提供两个凸轮轴,因此称作“双顶置凸轮轴”。

有关详细信息,请参见凸轮轴工作原理

点火和冷却系统

点火系统(图6)可产生高压电荷并通过点火线将其输送到火花塞。 电荷首先流向分配器,可以很容易地在大多数汽车的发动机盖下找到该分配器。 分配器的中央有一根输入电流的导线,有四、六或八根输出电流的导线(取决于气缸数量)。 这些点火线可将电荷输送到每个火花塞。 发动机经过设置,可使一个时间只有一个气缸会从分配器获得点火火花。 这样可以获得最大的平滑性。

点火系统
图6. 点火系统

有关详细信息,请参见汽车点火系统工作原理

在下面一部分,我们将看一下您的汽车是如何启动、冷却和流通空气的。

发动机的冷却、进气和启动系统

冷却系统

大多数汽车中的冷却系统由散热器和水泵组成。 水在气缸周围的通道中循环,然后流过散热器以使之得到冷却。 在少数车辆(最著名的是大众的甲壳虫车型)以及大多数摩托车和割草机中,发动机使用的是空气冷却(可以通过安装在每个气缸外部用于散发热量的散热片来识别出气冷发动机)。 气冷方式让发动机更轻但是更热,通常会降低发动机的使用寿命和整体性能。

冷却系统示意图显示了所有管路的连接方式。

冷却系统示意图显示了所有管路的连接方式。

有关详细信息,请参见汽车冷却系统工作原理

进气和起动系统

大多数汽车都使用自然吸气式发动机,也就是说气流通过空气滤清器直接进入气缸。 高性能发动机可以涡轮增压,也可以机械增压,也就是说空气在进入发动机前首先经过压缩(以便能够向每个气缸压入更多空气/燃油混合物)以提高性能。 加压量被称作“助力”。 涡轮增压器使用连接到排气管的一个小涡轮来推动进气流中的压缩涡轮发生旋转。 机械增压器直接连接到发动机来使压缩机旋转。

涡轮增压器
Garrett供图

有关详细信息,请参见涡轮增压器工作原理

可以提高您的发动机的性能当然很好,但当您旋动钥匙启动发动机时究竟发生了什么呢?

启动系统由电子起动机电机和起动机电磁开关线圈组成。 在转动点火钥匙时,起动机电机让发动机旋转几次,以便能够开始燃烧过程。 它使用一个强劲的电机来驱动冷的发动机。 起动机电机必须克服:

  • 由活塞环导致的所有内部摩擦
  • 任何气缸在压缩冲程中产生的压缩压力
  • 使用凸轮轴开合气门所需的能量
  • 所有直接连接到发动机的其他东西,例如水泵、机油泵、交流发电机等。

由于需要如此之多的能量并且汽车使用的是12V电气系统,因此必须向起动机电机输送数百安的电流。 起动机电磁开关线圈实际上是一个可以处理大电流的大电气开关。 在转动点火钥匙时,它会激活电磁开关线圈,为电机供电。

下面,我们来看一下发动机中控制进(油和燃料)和出(废气和其他排出物)的子系统。

发动机的润滑、燃料、排气和电气系统

润滑和燃油系统

油液起着很重要的作用。润滑系统可确保发动机中的所有运动零件都能得到机油,以便轻快地运转。 需要机油的两个主要零件是活塞(这样就可在气缸中轻松滑动)和所有轴承(让曲轴和凸轮轴这样的部件可以自如转动)。 在大多数汽车中,通过油泵从油槽中汲取机油,机油流过机油滤清器以去除杂质,然后在高压下喷到轴承和气缸壁上。 随后,机油滴落到油槽中,在油槽中被收集在一起并重新循环使用。

燃油系统

当涉及汽车的日常维护时,您首先关心的可能是车内还剩多少油。您加入油箱中的油是如何启动汽缸的呢?

燃油系统将汽油从油箱泵出,然后将其与空气混合,以便适当的空气/燃油混合物能够进入气缸。 通常使用如下三种方式输送燃油: 雾化、进气燃油喷射和直接燃油喷射。

  • 在雾化方式中,当空气进入发动机时,使用称作化油器的装置将汽油与空气进行混合。
  • 燃油喷射发动机中,将合适数量的燃油分别喷射到每个气缸中,要么喷射到进气门上方(进气燃油喷射),要么直接喷射到气缸中(直接燃油喷射)。
有关详细信息,请参见燃油喷射装置工作原理

排气、排放控制和电气系统

排气系统包括排气管和消声器。 如果没有消声器,您会听到排气尾管中发出成千上万次小爆炸的声音。 消声器可以减弱这种声音。 排气系统还包括一个催化转化器。 有关详细信息,请参见催化转化器工作原理

排放控制

现代汽车中的排放控制系统由催化转化器、一套传感器和执行器以及一个执行监视和调节工作的计算机组成。 例如,催化转化器使用催化剂和氧来烧掉废气中未使用的燃油和其他某些化学物质。 排气系统中的氧传感器可确保为催化剂提供足够的氧,并可在需要时进行调节。

有关详细信息,请参见催化转化器工作原理

除了汽油之外,还有什么能为您的汽车提供动力呢?答案就是电气系统。

电气系统

电气系统由蓄电池和交流发电机组成。 交流发电机通过皮带连接到发动机,并能够发电以便对蓄电池充电。 蓄电池可通过电路为汽车中的所有用电设备(点火系统收音机、前照灯、雨刷器电动车窗和座椅、车载电脑等)提供12伏电流。

汽车发动机如何获得更大功率




从上文中,我们可以了解到如何使用多种不同的方法来让发动机的性能更好。 汽车生产商不断尝试通过以下方法来提高发动机动力和降低油耗。

提高排量:排量越大,则功率也越大,这是因为发动机每循环一次燃烧的汽油也越多。 可以通过增大气缸或者添加更多气缸来提高排量。 在实际应用中,12个气缸似乎是一个极限。

提高压缩比:在一定范围内,压缩比越高,产生的功率越大。 但是,对空气/燃油混合物压缩得越厉害,越有可能在火花塞点火之前发生自燃。高辛烷值汽油可防止此类过早燃烧的现象。 这也是高性能车辆通常需要使用高辛烷值汽油的原因——为了获得更大功率,这些车辆的发动机具有较高的压缩比。

增大气缸的进气量:如果可以在给定大小的气缸中压入更多的空气(相应装入更多燃油),便可以从气缸获得更大的功率(与增加气缸体积的效果相同)。 涡轮增压器和机械增压器给进入汽缸的空气加压,从而有效地将更多空气压入气缸。 有关详细信息,请参见涡轮增压器工作原理

对进入的空气进行冷却:对空气进行压缩会使其升温。 但是,您希望气缸中的空气尽可能冷,因为空气越热,它在燃烧时的膨胀程度就越低。 因此,许多涡轮增压和机械增压汽车都配备了中冷器。 中冷器是一个特殊的散热器,它使压缩空气在进入气缸之前先进行冷却。 有关详细信息,请参见汽车冷却系统工作原理

让进气更顺畅:在进气冲程中,当活塞向下移动时,空气阻力会消耗发动机的能量。 通过在每个气缸上设置两个进气门,可以极大降低地空气阻力。 某些较新型的汽车还使用经过抛光的进气歧管来消除该部位的空气阻力。 更大的空气滤清器也可以改善气流。

让排气更顺畅:如果由于空气阻力而使得废气难以排出气缸,则会降低发动机的功率。 可以通过为每个气缸增加第二个排气门来降低空气阻力(在配备两个进气门和两个排气门的汽车中,每个气缸有四个气门,这会提高汽车的性能——如果您看到广告上说某汽车有四个气缸和十六个气门,那么该广告实际上是说发动机的每个气缸有四个气门)。 如果排气管太小或者消声器中空气阻力太大,便会产生背压,这也会降低发动机的功率。 高性能的排气系统使用排气歧管、大的尾管和气流顺畅的消声器来消除排气系统中的背压。 如果您听说某汽车具有“双排气”,那么它的目的在于通过两根而不是一根排气管来提高废气流动的顺畅性。

减轻零件的重量:轻的零件有助于提高发动机的性能。 活塞每次更改方向时,它都要消耗能量来停止一个方向上的行程和开始另一方向的行程。 活塞越轻,消耗的能量就越少。

喷射燃油:燃油喷射可以非常精确地计量进入每个气缸的燃油量。 这可以提高性能和降低燃油消耗。 有关详细信息,请参见燃油喷射装置工作原理

在下面的部分,我们将回答读者提出的一些问题。

发动机相关问题

以下是读者提出的一些问题:

  • 汽油发动机和柴油发动机有何不同?在柴油发动机中没有火花塞。 相反,柴油被喷射到气缸中,压缩冲程产生的热量和压力会将其点燃。 柴油比汽油的能量密度高,因此柴油的行驶里程更长。 有关更多信息,请参见柴油机工作原理
  • 二冲程发动机和四冲程发动机有何不同?大多数链锯和轮船马达使用二冲程发动机。 二冲程发动机没有运动的气门,而且火花塞在活塞到达其每个循环的顶部时进行点火。 气缸壁的下部有一个孔,空气和燃油通过这个孔进入气缸。 在活塞向上运动时混合物被压缩,火花塞点燃混合物,废气通过气缸的另一个孔排出。 在二冲程发动机中机油会混入汽油中,因为气缸壁上的孔使其无法使用密封圈来密封燃烧室。 通常,二冲程发动机可产生与其体积相应的功率,因为每循环一次会出现两个燃烧循环。 但是,二冲程发动机要消耗更多的汽油和机油,因此产生的污染非常大。
  • 您在本文中提到过蒸汽机,蒸汽机以及其他外燃式发动机有哪些优点?蒸汽机的主要优点在于,可以使用任何可燃物作为燃料。 例如,蒸汽机可使用煤、报纸或木柴作为燃料,而内燃机需要纯净、高品质的液体或气体燃料。 有关更多信息,请参见蒸汽机工作原理
  • 汽车发动机中除了奥托(Otto)循环外是否还有其他循环形式?二冲程发动机是不同的,上面介绍的柴油循环也不同。 马自达Millennia中的发动机使用的是米勒(Miller)循环,这是经过改进的奥托循环。 燃气轮机使用布雷顿(Brayton)循环。 汪克尔转子发动机使用奥托循环,但是它的工作方式与四冲程活塞发动机有很大不同。
  • 为何有的发动机有八个气缸? 为何不改为使用排量等于八个气缸排量总和的一个大气缸? 为什么一个大的4.0升发动机包含八0.5升气缸而不是一个大的4.0升气缸,原因有很多。 主要的原因在于平滑性。V-8发动机之所以更加平稳,是因为它有八次间隔均匀的爆炸而不是一次大爆炸。 另一个原因在于起动扭矩。 在启动V-8发动机时,只需驱动两个气缸(1升)完成它们的压缩冲程,但是对于一个大气缸,必须改为压缩 4升的气量。



    

































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