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发动机工作原理

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第一节 发动机的分类和基本构造

1. 分类 车用内燃机(internal combustion engine ),根据其将热能转变为机械能的主要构件的型式,可分为活塞式内燃机和燃气轮机两大类。前者又可按活塞运动方式分为往复活塞式内燃机(reciprocating engine )和旋转活塞式内燃机两种。往复活塞式内燃机在汽车上应用最为广泛,是本课研究的重点。汽车(automobile )发动机(主要指车用往复活塞式内燃机)分类方法很多,按照不同的分类方法可以把汽车发动机分成不同的类型,下面是其分类

情况。 (1) 按照所用燃料分类 内燃机按照所使用燃料的不同可以分为汽油机

(gasoline engine )和柴油机(diesel engine)(图1-1)。使用汽油为燃料的内燃机称为汽油机;使用柴油机为燃料的内燃机称为柴油机。汽油机与柴油机比较各有特点;汽油机转速高,质量小,噪音小,起动容易,制造成本低;柴油机压缩比大,热效率高,经济性能和排放性能

都比汽油机好。

(2) 按照行程(stroke)分类 内燃机按照完成一个工作循环(operating cycle)所需的行程数可分为四行程内燃机(four - stroke cycle engine)和二行程内燃机(two - stroke cycle engine) (图1-2 )。把曲轴转两圈(720°),活塞在气缸内上下往复运动四个行程,完成一个工作循环的内燃机称为四行程内燃机;而把曲轴转一圈(360°),活塞在气

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缸内上下往复运动两个行程,完成一个工作循环的内燃机称为二行程内燃机。汽车发动机广

泛使用四行程内燃机。 (3) 按照冷却方式分类 内燃机按照冷却方式不同可以分为水冷发动机 (liquid - cooled engine) 和风冷发动机(air - cooled engine)(图1-3)。水冷发动机是利用在气缸体和气缸盖冷却水套中进行循环的冷却液(coolant)作为冷却介质进行冷却的;而风冷发动机是利用流动于气缸体与气缸盖外表面散热片(fins)之间的空气作为冷却介质进行冷却的。水冷发动机冷却均匀,工作可靠,冷却效果好,被广泛地应用于现代车用发动机。

(4) 按照气缸(cylinder)数目分类 内燃机按照气缸数目不同可以分为单缸发动机(single - cylinder engine)和多缸发动机(multi - cylinder engine )(图1-4)。仅有一个气缸的发动机称为单缸发动机;有两个以上气缸的发动机称为多缸发动机。 如双缸、三缸、四缸、五缸、六缸、八缸、十二缸等都是多缸发动机。现代车用发动机多采用四缸、六缸、八缸发U n R e g i s t e r e d

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动机。

(5) 按照气缸排列方式分类 内燃机按照气缸排列方式不同可以分为单列式和双列式(图1-5)。单列式发动机(inline engine)的各个气缸排成一列,一般是垂直布置的,但为了降低高度,有时也把气缸布置成倾斜的甚至水平的;双列式发动机把气缸排成两列,两列之间的夹角<180°(一般为90°)称为V 型发动机(V-type engine),若两列之间的夹角=180°称为对置式发动机(opposed engine)。

(6) 按照进气系统是否采用增压方式分类 内燃机按照进气系统是否采用增压方式可以分为自然吸气(非增压)式发动机[naturary aspirated engine(non - supercharged engine)]和强制进气(增压式)发动机(supercharged engine )(图1-6)

。汽油机常采用自然吸气式;柴油机U n R e g i s t e r e d

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为了提高功率有采用增压式的。

2. 基本构造 发动机是一种由许多机构和系统组成的复杂机器。无论是汽油机,还是柴油机;无论是四行程发动机,还是二行程发动机;无论是单缸发动机,还是多缸发动机。要完成能量转换,实现工作循环,保证长时间连续正常工作,都必须具备以下一些机构和系统。 (1) 曲柄连杆机构 (图1-7) 曲柄连杆机构是发动机实现工作循环,完成能量转换的主要运动零件。它由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成。在作功行程中,活塞承受燃气压力在气缸内作直线运动,通过连杆转换成曲轴的旋转运动,并从曲轴对外输出动力。而在进气、压缩和排气行程中,飞轮释放能量又把曲轴的旋转运动转化成活塞的直线运动。

(2) 配气机构(图1-8) 配气机构的功用是根据发动机的工作顺序和工作过程,定时开启和关闭进气门和排气门,使可燃混合气或空气进入。 气缸,并使废气从气缸内排出,实现换气过程。配气机构大多采用顶置气门式配气机构,一般由气门组、

气门传动组和气门驱动组U n R e g i s t e r e d

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组成。

(3) 燃料供给系统(fuel suppling system )(图1-9) 汽油机燃料供给系的功用是根据发动机的要求,配制出一定数量和浓度的混合气,供入气缸,并将燃烧后的废气从气缸内排出到大气中去;柴油机燃料供给系的功用是把柴油和空气分别供入气缸,在燃烧室内形成混合气并燃烧,最后将燃烧后的废气排出。

4) 润滑系统(lubricating system)(图1-10) 润滑系的功用是向作相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油,以实现液体摩擦,减小摩擦阻力,减轻机件的磨损。并对零件表面进行清洗和冷却。润滑系通常由润滑油道、机油泵、机油滤清器和一些阀门等组成。 (5) 冷却系统(cooling system)(图1-11) 冷却系的功用是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去,保证发动机在最适宜的温度状态下工作。

水冷发动机的冷却系通常由冷却水套、U n R

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水泵、风扇、水箱、节温器等组成。 (7) 点火系统(igniting system)(图1-12) 在汽油机中,气缸内的可燃混合气是靠电火花点燃的,为此在汽油机的气缸盖上装有火花塞,火花塞头部伸入燃烧室内。能够按时在火花塞电极间产生电火花的全部设备称为点火系,点火系通常由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈和火花塞等组成。

(8) 起动系统(starting system)(图1-13) 要使发动机由静止状态过渡到工作状态,必须先用外力转动发动机的曲轴,使活塞作往复运动,气缸内的可燃混合气燃烧膨胀作功,推动活塞向下运动使曲轴旋转。发动机才能自行运转,

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工作循环才能自动进行。因此,曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动地怠速U n R e g i s t e r e d

运转的全过程,称为发动机的起动。完成起动过程所需的装置,称为发动机的起动系。 汽油机由以上两大机构和五大系统组成,即由曲柄连杆机构,配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系、点火系和起动系组成;柴油机由以上两大机构和四大系统组成,即由曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系和起动系组成,柴油机是压燃的,不需要点火系。

第二节 发动机常用术语 如图1-14所

示: 活塞在气缸里作往复直线运动时,当活塞向上运动到最高位置,即活塞顶部距离曲轴旋转中心最远的极限位置,称为上止点TDC(Top Dead Center)。 活塞在气缸里作往复直线运动时,当活塞向下运动到最低位置,即活塞顶部距离曲轴旋转中心最近的极限位置,称为下止点BDC(Bottom Dead Center)。 活塞从一个止点到另一个止点移动的距离,即上、下止点之间的距离称为活塞行程。一般用S表示,对应一个活塞行程,曲轴旋转180° 曲轴旋转中心到曲柄销中心之间的距离称为曲柄半径,一般用R 表示。通常活塞行程为曲柄半径的两倍,即 S =2R 。 活塞从一个止点运动到另一个止点所扫过的容积,称为气缸工作容积。一般用Vh 表示: 式中:D -气缸直径,单位mm ; S -活塞行程,单位mm ; 活塞位于下止点时,其顶部与气缸盖之间的容积称为气缸总容积。一般用Va 表示,显而易见,气缸总容积就是气缸工作容积和燃烧室容积之和,即Va =Vc +Vh 。 多缸发动机各气缸工作容积的总和,称为发动机排量。一般用VL 表示: 式中:Vh -气缸工作容积; i - 气缸数目。 压缩比(compression ratio)是发动机中一个非常重要的概念,压缩比表示了气体的压缩程度,它是气体压缩前的容积与气体压缩后的容积之比值,即气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比。一般用ε表示。 式中:Va - 气缸总容积; Vh - 气缸工作容积; Vc - 燃烧室容积; 通常汽油机的压缩比为6~10,柴油机的压缩比较高,一般为16~22。 每一个工作循环包括进气、压缩、作功和排气过程,即完成进气、压缩、作功和排气四个过程叫一个工作循环。 U n R e g i s t e r e d

多图详解大众1.4tsi 发动机

一款1.4L 排量小型化的发动机是如何与“涡轮增压+机械增压+缸内直喷“技术协调运用的?下面我们以多图来解读一下这款大众1.4TSI 发动机的工作原理。

大众1.4TSI 发动机的数据非常简单,它是大众的一款1.4升汽油发动机,最大功率125kw ,最大扭矩240Nm/1750rpm~4500rpm ,搭载这款发动机的大众高尔夫GT 百公里综合油耗仅为7.2升,在优良路况中油耗甚至可降至5.9升。——1.4L 的排量油耗低而输出功率超过许多2.3L 发动机。在国外,这类强力发动机通常是用在性能版车型上的,在提升性能的同时价格也不菲。在大众,1.4TSI 就被用在了强调操控性的高尔夫GT 上。

红色的Golf 在1.4TSI 的驱动下,犹如红色旋风把它“掏出来”看清楚点(下图)——的确,它比普通发动机要复杂多了。

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从前后两个方向看大众1.4TSI 发动机

为什么这款发动机会有这么复杂?因为这同它的功能有关。首先来看TSI 的组成,T 代表Turbo-charging(废气涡轮增压),S 代表Super-charging(机械增压),I 代表Fuel Stratified Injection(燃油分层直喷)。“以最低的油耗获得最大的功率”是对TSI 发动机优点的准确概括,TSI 发动机将小型化技术与传统的机械增压技术和涡轮增压技术巧妙组合,兼顾了低速时的扭矩输出和高速时的功率输出,解决了两种技术各自的不足。 也就是说,TSI 比普通发动机多了废气涡轮增压和机械增压这两项配置,还包括燃油直喷的功能,所需的机件自然要多。其次,为了让这些附加的装置能够正常地工作,还会有其他附属零件的配置。这样才能做到“1+1>2”,也难怪1.4TSI 会比较复杂了。那么它的内部结构如何呢?它又是怎么工作的呢?

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1.4TSI 发动机几大部件分解图

增压,顾名思义就是增加压力。那么,它是增加哪里的压力,有什么作用,又是怎么增压的呢?

1.4TSI 上大名鼎鼎的废气涡轮增压套件 涡轮增压。涡轮增压是目前全世界汽车厂商运用最为广泛的发动机增压技术,它可以利用发动机排出废气产生的能量,来大幅度提高发动机的动力输出。其工作原理是,发动机排出的废气驱动废气涡轮高速旋转,废气涡轮再带动进气涡轮以同样的速度旋转,以远远高于大气的压力将空气压缩到气缸内助燃。由于空气的易压缩性,因此在涡轮增压下的进气量要远远超过自然吸气的进气量,这样就提高了引擎的功率输出。

换句话说就是,发动机排出的热废气是带有能量的,涡轮增压就相当于废物利用,重新收集了一部分废热,增加输出功率。因此,要得到同样的功率,有增压的发动机就能做得更小,也就更轻,从而提高了操控降低了油耗。 但是,涡轮增压有个先天的缺陷,就是涡轮迟滞,即发动机必须达到一定的转速才能启动涡轮,现在换用小涡轮后解决了一部分时滞问题。除此之外,涡轮增压发动机的压缩比通常还得降低,比如到6.5:1以下,来避免气缸过热。这样做的结果就是在低速涡轮没有介入的情况下,发动机输出甚至还不如自然吸气机型。另一个问题是达到涡轮介入的转速后,增压导致动力输出陡增,破坏了动力的平稳输出和操控的准确性。为了解决这些缺陷,汽车工业发展出了不少方法:使用带旁通的涡轮增压套件减小迟滞,采用中冷器提高压缩比改善低转速的动力输出,采用新材料涡轮降低运动惯性,双涡轮增压以及机械增压等。

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中冷器结构图及中冷器散热片的组成示意图

1.4TSI 发动机是有中冷器的,即在涡轮增压器和发动机之间引入了一个中冷器。这是因为发动机直接排出的废气温度通常高达8、9百度,会造成涡轮本体、进气温度升高,加之压缩空气时做功,增压压缩进气缸的气体就有可能过热而造成汽油预燃而发生爆震,影响动力输出;同时,高温也是引擎的隐形杀手。所以,增压发动机通常会引入中冷器来降低进气温度。一般来说,使用中冷后能减小50~60度的进气温度(离开临界值),可以适当的提高发动机压缩比,改善低转速时的动力输出;同时由于冷空气的密度大,所以在相同条件下,这种设计可以提高发动机的进气密度,因此发动机工作效率更高。

机械增压技术。机械增压的历史比较悠久,在上世纪60年代涡轮增压技术出现以前,机械增压是当时发动机的主流增压技术。机械增压的压缩机直接被发动机的曲轴带动,它的优点是响应性好(完全没有迟滞)。但是它本身需要消耗一部分能量,因此机械增压不能产生特别强大的动力,尤其是在高转速时,因为它会产生大量的摩擦,损失能量,从而影响到发动机转速的提高。不过,机械增压器在中低转速时,对发动机的动力输出有明显改善,但峰值功率出现较早,发动机最高转速较低。另外,配置机械增压的发动机可以在任何时候,都能输出源源不断的扭力,大大减小换挡频率。

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机械增压在发动机中低转速时效果好,而涡轮增压则能在高速时起到很大的提升作用;因此,如果能够把它们结合起来就能避免各自的不足,很自然地在宽范围内提供所需的动力了:

1.4TSI 发动机工作示意图

注:其中红色是废气通道,蓝色是进气系统,机械增压和涡轮增压串联

1.在低转速时,由机械增压提供大部分的增压压力,这些压力也用来驱动涡轮增压器,因此涡轮增压器的启动更平顺,响应速度更快。

2.在1500rpm 时,两个增压器同时提供增压压力,其总增压值达到2.5bar (如果涡轮增压器单独工作,只能产生1.3bar 的增压压力)。随着转速的提高,涡轮增压器能使发动机获得更大的功率,与此同时,机械增压器的增压压力逐渐降低。

3.在转速超过3500rpm 时,由涡轮增压器提供所有的增压压力,此时机械增压器在电磁离合器的作用下完全与发动机分离,防止消耗发动机功率。

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机械增压及涡轮增压的不同阶段工作情况示意图

为了让驾驶者更为明白地掌握发动机所处工况,厂家还比较人性化地在仪表台提供了一个Boost 表,描述的是涡轮机即时增压状况。这样,有没有增压,表针动没动一目了然;表针越向右摆,表示此刻增压比越高,非常直观。

FSI 燃油直喷技术。FSI 直喷的喷油嘴共有6个喷油孔,其喷油压力高达150bar !FSI 即发动机利用一个高压泵,使汽油通过一个分流轨道(共轨)到达电磁控制的高压喷射气门。它共有两种运行方式,发动机按照负荷工况,自动进行选择,以保证足够的燃油经济性:

汽油直喷示意图

低负荷时的特点是在进气道中已经产生可变涡流,此时节气门为半开状态,空气由进气管进入汽缸撞在活塞顶部,

由于活塞顶部制作成特殊的形状从而在火花塞附近形成期望中的U n R e g i s t e r e d

涡流。然后,进气流形成最佳的涡流形态进入燃烧室内,以由浓至稀的分层填充的方式推动,使混合气体集中在位于燃烧室中央的火花塞周围。因为稀燃技术的混合比达到25:1以上,按照常规是无法点燃的,所以最内层要易于点火,混合比大概在12:1左右,然后一层一层地向外燃烧。这样能够节约燃料。而在高负荷中所进行的均质理论空燃比(14.6-14.7)燃烧中,大量空气高速进入汽缸形成较强涡流,燃油则是在进气冲程中喷射。

应用FSI 技术要求提高压缩比,而使用涡轮则要求降低压缩比,这二者在配置了我们上面谈到的中冷器后达到了平衡,即10:1。另外,FSI 发动机由于喷射器的加入导致了对设计和制造的要求都相当的高,如果布置不合理、制造精度达不到要求导致刚度不足甚至漏气只能得不偿失。另外FSI 发动机对燃油品质的要求也比较高。但是,在应用了“涡轮增压+机械增压+燃油直喷”技术之后,这款引擎发生了质的变化。大众是在EA 111的1.4 FSI 发动机(1390cc, 66Kw/88Hp, 4缸4气门)基础上进行的双增压设计,而这款发动机(1.4TSI 发动机)与我们所熟悉的POLO GP 上的那个1.4 4v 55kw 是一样的不过动力输出的确是天

壤之别:前者是后者的一倍还要多

型号 1.4TSI 1.4FSI 1.4V

排量mm 1390 1390 1390

缸径X 冲程mm 75.6X76.5 76.5X75.6 76.5X75.6

压缩比 10:1 10.5:1

最大功率Kw/rpm 125 66 55 最大扭矩Nm·rpm 240 150 135

从1.4TSI 的工况图上可以看到发动机转速在1000转时,输出的扭矩就已经高达176NM ,要知道好多1.6或1.8甚至2.0的发动机的最大扭矩也就这个水平。低速大扭矩带来大操控感受果然非同寻常,配置1.4TSI 的Golf GT 的0~100km/h 加速时间小于8s 。 U n R e g i s t e r e d

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1.4TSI 的发动机工况图 Golf GT 装载1.4TSI 的参数:

最大车速:220kM/h

0--100kM/h : 7.9s

80--120kM/h: 8.0s

使用98#超级汽油时的油耗为:

城市道路:9.6L/100kM;

良好道路:5.9L/100kM;

平均:7.2L/100kM;

CO2(二氧化碳)排放量:173mg/km

最后要指出的是,1.4TSI 的综合表现虽然很好,但正如前面所讲,厂家推出1.4TSI 几乎就榨干了这台发动机的所有潜力,其活塞连杆等恐怕再难承受更大的压力了,要玩改装可别选它了。

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