汽车基础知识发动机

汽车基础知识第1页，共24页。一发动机将内能转化成动能的机构称之为发动机，汽车发动机的形式主要是以气缸和活塞作为转换机构的内燃机。根据燃料以及点火形式的不同可分为汽油机或柴油机，或有以氢气、天然气、石油气为燃料的发动机，其燃烧形式与汽油机差异较小。根据工作循环与活塞冲程特性划分，又可分为两冲程与四冲程发动机，本网站涉及的汽车发动机主要是四冲程汽油机或四冲程柴油机。

四冲程汽车发动机主要有气缸、活塞、活塞连杆、曲轴、配气机构（气门、凸轮轴等）、火花塞（汽油机）、缸内喷油嘴（柴油机，以及带有缸内直喷技术的汽油机）、机油泵及机油循环、水泵及水循环，另有一系列传感器以及ECU等众多部件组成。汽油发动机

汽油发动机是以汽油作为燃料的发动机。由于汽油粘性小，蒸发快，可以用汽油喷射系统将汽油喷入气缸，经过压缩达到一定的温度和压力后，用火花塞点燃，使气体膨胀做功。汽油机的特点是转速高，结构简单，质量轻，造价低廉，运转平稳。『汽油发动机的工作原理』

与柴油发动机相比，汽油机具有噪声低，运转平顺、冬季易于启动、发动机有效转速范围大（1000-7000rpm）、响应速度快等特点。

汽油机的缺点是热效率低于柴油机，油耗较高，点火系统比柴油机复杂，可靠性和维修的方便性也不如柴油机。第2页，共24页。

发动机结构简图第3页，共24页。发动机相关物理量及概念排量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；如果发动机有若干个气缸，所有气缸工作容积之和称为发动机排量。一般用升（L）来表示。发动机排量是最重要的结构参数之一，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。通常排量大，单位时间发动机所释放的能量（即将燃料的化学能转化为机械能）大，也就是“动力性”好第4页，共24页。发动机功率和扭矩功率是指物体在单位时间内所做的功。功率越大扭力越大，汽车的拉力也越高,常用最大功率来描述汽车的动力性能。最大功率一般用马力(PS)或千瓦(kw)来表示，1马力等于0.735千瓦。功率就是表示物体做功快慢的物理量，物理学里功率P=功W/时间t，单位是瓦w。扭矩是使物体发生转动的力。发动机的扭矩就是指发动机从曲轴端输出的力矩。在功率固定的条件下它与发动机转速成反比关系，转速越快扭矩越小，反之越大，它反映了汽车在一定范围内的负载能力。第5页，共24页。发动机分类和原理分类汽油发动机和柴油发动机四冲程汽油机往复活塞式内燃机所用的燃料主要是汽油(gasoline)或柴油(diesel)。由于汽油和柴油具有不同的性质，因而在发动机的工作原理和结构上有差异。

一.四冲程汽油机工作原理

汽油机是将空气与汽油以一定的比例混合成良好的混合气，在吸气冲程被吸入汽缸，混合气第6页，共24页。经压缩点火燃烧而产生热能，高温高压的气体作用于活塞顶部，推动活塞作往复直线运动，通过连杆、曲轴飞轮机构对外输出机械能。四冲程汽油机在进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程内完成一个工作循环。

(1)吸气冲程(intakestroke)

活塞在曲轴的带动下由上止点移至下止点。此时进气门开启，排气门关闭，曲轴转动180°。在活塞移动过程中，汽缸容积逐渐增大，汽缸内气体压力从pr逐渐降低到pa，汽缸内形成一定的真空度，空气和汽油的混合气通过进气门被吸入汽缸，并在汽缸内进一步混合形成可燃混合气。由于进气系统存在阻力，进气终点(图中a点)汽缸内气体压力小于大气压力0p，即pa=(0.80～0.90)0p。进入汽缸内的可燃混合气的温度，由于进气管、汽缸壁、活塞顶、气门和燃烧室壁等高温零件的加热以及与残余废气的混合而升高到340～400K。

(2)压缩冲程(compressionstroke)

压缩冲程时，进、排气门同时关闭。活塞从下止点向上止点运动，曲轴转动180°。活塞上移时，工作容积逐渐缩小，缸内混合气受压缩后压力和温度不断升高，到达压缩终点时，其压力pc可达800～2000kPa，温度达600～750K。在示功图上，压缩行程为曲线a～c。

(3)做功冲程(powerstroke)

当活塞接近上止点时，由火花塞点燃可燃混合气，混合气燃烧释放出大量的热能，使汽缸内气体的压力和温度迅速提高。燃烧最高压力pZ达3000～6000kPa，温度TZ达2200～2800K。高温高压的燃气推动活塞从上止点向下止点运动，并通过曲柄连杆机构对外输出机械能。随着活塞下移，汽缸容积增加，气体压力和温度逐渐下降，到达b点时，其压力降至300～500kPa，温度降至1200～1500K。在做功冲程，进气门、排气门均关闭，曲轴转动180°。在示功图上，做功行程为曲线c-Z-b。

(4)排气冲程(exhauststroke)

排气冲程时，排气门开启，进气门仍然关闭，活塞从下止点向上止点运动，曲轴转动180°。排气门开启时，燃烧后的废气一方面在汽缸内外压差作用下向缸外排出，另一方面通过活塞的排挤作用向缸外排气。由于排气系统的阻力作用，排气终点r点的压力稍高于大气压力，即pr=(1.05～1.20)p0。排气终点温度Tr=900～1100K。活塞运动到上止点时，燃烧室中仍留有一定容积的废气无法排出，这部分废气叫残余废气。第7页，共24页。第8页，共24页。第9页，共24页。发动机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。第10页，共24页。第11页，共24页。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。当然中置发动机也有缺点，由于发动机中置，导致车厢狭窄，不能布置较多座位，另外，由于驾乘人员离发动机太近，因此噪声较大。但是，只追求汽车驾驭性能的人们，是不会再乎这些的，甚至一些人更愿意听到发动机咆哮的轰鸣声。第12页，共24页。第13页，共24页。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。第14页，共24页。第15页，共24页。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。优点：

横置发动机的曲轴、变速器的输入输出轴以及车桥都是平行的，所以如果是前驱车的话，最适合的就是前横置发动机，动力传输距离短，方向一致，因此传动效率较高。

另一方面，由于横置发动机占用的纵向空间小，可以极大限度缩短了发动机舱的纵向空间，换来的是宽敞的驾乘空间，尤其是前排乘客的腿部拓展的空间。这对于尺寸有限的紧凑型轿车来讲尤为重要。缺点：

前后重量分布不平衡的问题则横置发动机的最大缺陷，由于横置发动机发动机曲轴变速箱输入轴平行连接在一起的，使其可以布置在发动机前轴之前，但是这些重量最重的汽车部件全部集中在车头前方就使得前轴负荷过大，从而容易出现转向不足的情况，而头重脚轻的前后轴配重也会在高速过弯时使车尾的后轮缺乏重压，某些轴荷分配不合理的横置发动机轿车甚至达到了前70%后30%，其性能可想而知。

另一方面，由于横置发动机变速器安装位置过于偏向一侧的原因，其驱动轴是一长一短的，当巨大的驱动力作用在不等长的传动轴上时，会使车两个前轮有转速差，从而导致急加速时车头有左右摆动现象，也就是我们常说的扭力转向，这一点在大排量前置前驱车型上尤为明显。第16页，共24页。第17页，共24页。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。

另一方面纵置发动机可以让变速器的位置尽量向后伸，使动力总成的重心位于前桥之后，这样可以让车身前后重量更加平均。

在纵置发动机平台上，还有一个比较特殊的例子，这就是使用纵置发动机前轮驱动的奥迪。虽然奥迪使用纵置发动机更多是为了照顾Quattro这个传统，但是其纵置发动机前轮驱动发动机的布局同样可以带来不错的前后配重比。这种布置可以将发动机纵向布置在汽车前轴之前，与发动机直接相连的变速箱就会受到发动机舱空间的限制，就要布置在前轴之后，变速箱的输入轴与发动机曲轴围绕同一轴线转动，对于承受着发动机和变速箱重量的车前轴来说，他就像是天平的支点，发动机和变速箱分布在前轴的前后两侧，使得前轴承受的发动机和变速箱重量分布更加均匀，重心配比更为合理，虽然还是会有前驱车的推头现象，但是其配重比要明显优于普通横置发动机车型，例如前驱的奥迪A4的前后配重比就达到了较完美的55：45。

不过纵置发动机也有缺点，由于纵置致使发动机占用发动机舱较长的空间，导致驾乘空间有所损失。

第18页，共24页。第19页，共24页。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。在我们周围采用反置发动机的车子有很多，福特福克斯、蒙迪欧致胜、马自达睿翼、蓝瑟翼神、以及新君威2.4等车型上使用的都是反置式发动机。第20页，共24页。第21页，共24页。

反置式发动机的优势在于进气歧管处在迎风面，能够更好的降低进气温度，温度的下降使空气密度提高，单位体积内的氧含量也随之提升，能够使燃烧更加充分，提高效率，有效降低油耗。对于非缸内直喷的发动机而言，反置式的布置使得供油管路也随进气歧管的移到了前方，有更好的散热效果。而排气歧管后移的设计，使排气管不再经过发动机下方，可以使发动机位置整体下移，有效降低重心提升操控表现，并且排气管与发动机距离更远，降低了散热系统的热负荷，也避免了高温尾气对油底壳的影响，不再“曲折”的管路使得排气阻力大大降低，排气更加顺畅，效率更高，发动机在高转速时能够输出更高的功率。第22页，共24页。

不过，反置发动机也并非完美，首先排气管位置的后移使之更加靠近乘员舱，高温和排气噪音很容易渗透到乘员舱，所以为了减少高温和噪声的影响，就需要花更多的成本在防火墙等位置做隔热隔音的处理。另一个缺点是，反置发动机顺畅的排气管路减小了排气管内的回压，使得发动机低转速时的排气效率降低，进而影响进气的效率，进气歧管内的混合气常常不能被完全吸入气缸内，也容易造成混合气密度不均、燃油燃烧不够充分等情况，而未进入气缸而吸附在进气管壁和气门上的细小油滴也很容易在高温环境下形成积碳。这就是反置式发动机通常在低转速时的动力输出较弱的原因，也是很多使用反置发动机的车型容易产生积碳的主要因素之一。

不过，随着可变长度进气歧管以及目前主流的可变正时气门技术、正在逐渐兴起的缸内直喷技术的应用，反置发动机的弱势正在被逐渐改善。可变正时气门技术使“气流及气门开关”对于传统多点电喷发动机混合气浓度的不利影响大大降低，而直喷技术的应用则进一步削弱了气门开关和歧管