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第二章 内燃机

2.1 工作原理

使用煤气作燃料、成功地以四冲程工作循环进行工作的最早的内燃机由尼古拉斯·奥古斯特·奥托于1876年研制成功。奥托是一位在道依茨公司（许多年来，一直是世界上最大的内燃机制造商）工作的自学成才的德国工程师。奥托的助手之一戈特利布·戴姆勒后来研制成功了一台使用汽油的发动机，1885年的4315号专利对该发动机进行了描述。戴姆勒首次将这种发动机用于汽车上。

汽油机将空气与汽油的可燃混合气吸入气缸，当这些混合气得到压缩后，通过一个定时的火花将可燃混合气点燃。因此，这样的发动机有时也被称为点燃式（S.I.）发动机。

为了完成一个工作循环，这些发动机的活塞需要走过四个行程：离开气缸盖向外运动，从而吸入空气与燃油的进气行程；向里朝向气缸盖运动，从而使混合气得到压缩的压缩行程；向外运动的做功行程以及向里的排气行程。

进气行程。进气门开启，排气门关闭。活塞下行，离开气缸盖（见图2-1a）。活塞沿着气缸的快速运动导致了压力降低或叫做低压。在该行程完成三分之一时，此低压会达到低于大气压力约0.3巴的最大值。实际上产生的低压将取决于发动机的转速和负荷，而一个典型的平均值为低于大气压力0.12巴。这个低压会将按照10~17份空气与1份汽油的比例（重量比）进行混合的新鲜空气与雾化汽油的混合物吸入气缸。

一种利用缸内低压来实现进气的发动机被称为“通常进气”或“自然吸气”式发动机。

压缩行程。进、排气门都关闭。活塞开始上行，朝向气缸盖运动（见图2-1b）。在活塞达到最内的位置时，进入气缸的混合气会被压缩到原始气缸容积的1/8~1/10。这种压缩使空气和雾化的汽油分子会靠的更近，并且不仅提高了缸内气体压力，而且还提高了温度。一般，在节气门全开、发动机运转在大负荷下，最大的气缸压缩压力范围在8~14巴之间。

做功行程。进、排气门全关闭，并且就在活塞到达压缩行程的上止点之前，火花塞将浓可燃混合气点燃（见图2-1c）。到活塞到达其行程的最内的位置时，混合气已经开始燃烧，产生热量，并在气体作用力超过活塞运动阻力之前，使缸内压力迅速提高。然后，燃烧气体膨胀，从而改变了活塞的运动方向，推动活塞朝向最外位置移动。

缸内压力从全负荷时的大约60巴的最大压力逐渐下降，接近活塞运动的最外位置时压力约为4巴。

排气行程。在做功行程终了时，进气门保持关闭，而排气门开启。活塞改变其运动方向，从最外位置移向最内的位置（见图2-1d）。废气依靠残余压力能自行排出，返回的活塞将推动剩余废气，使其经过排气门排到大气中。

2.2 发动机的分类

今天的汽车发动机可以按照下列结构特点以不同的方式进行分类：

·按照工作循环进行分类。可分为二冲程和四冲程两种。四冲程发动机广泛用于道路车辆。然而，某些老车型已经使用二冲程发动机，并且某些未来汽车也将使用二冲程发动机。

·按照气缸数目进行分类。目前的发动机设计有3、4、5、6、8、10和12缸发动机。

·按照气缸布置进行分类。可分为水平对置式、直列式和V型。另有一些更加复杂结构型式也已经得到应用，见图2-2。

·按照配气机构的型式进行分类。发动机的配气机构或为顶置凸轮轴（OHC）式，或为下置凸轮轴顶置气门式（OHV）。有些发动机进气门与排气门使用各自独立的凸轮轴。这些发动机以OHC型式为基础，因而被称为双顶置凸轮轴（DOHC）发动机（见图2-3）。因此，DOHC V型发动机具有四根凸轮轴，每侧两根。

图2-1 四冲程循环汽油机

A）进气行程 B）压缩行程 C）做功行程 D）排气行程

·按照混合气点燃方式进行分类。有两种点燃方式：点燃与压燃。汽油机使用点火系统，因而属于点燃式发动机。在点燃式发动机中，空气燃油混合气通过电火花来点燃。柴油机即压燃式发动机没有火花塞。汽车柴油机利用空气被压缩期间所产生的热量，来点燃空气燃油混合气。

·按照冷却方式进行分类。可以将目前使用的发动机分为风冷式和水冷式。几乎今天所有的发动机都采用水冷。

·按照所用的燃料进行分类。汽车发动机目前所用的燃料有多种类型，其中包括汽油、天然气、甲醇、柴油和丙烷。虽然某些新型燃料正在试验中，但汽油仍是最常用的燃料。

图2-2 各种气缸布置型式

图2-3 顶置凸轮轴（OHC）（a图）和顶置气门（OHV）（b图）发动机 2.3 气缸体与气缸盖

2.3.1 气缸体

气缸体是一台发动机上安装所有零部件的刚性金属基础件（见图2-4）。气缸体内由气缸，气缸体还用来支撑曲轴和凸轮轴。附件和离合器壳都用螺栓连接在气缸体上。气缸体或用铸铁制造或用铝制造。

气缸是在气缸体上加工成形的圆孔。气缸对活塞的起导向作用，并用作完成混合气吸入、压缩、点燃和废气排出的场所。气缸可用钢或铸铁制成，到目前为止，铸铁仍是最流行的汽缸材料。当希望在铝质气缸体上有钢质的气缸时，这些气缸就会以气缸套（圆形管状衬套）的形式安装在气缸体上。这些缸套或铸入或压入气缸体上。有些发动机采用可拆卸式缸套。当气缸磨损后，将旧缸套拉出，再压入新缸套。

图2-4 气缸体、气缸盖和凸轮轴

2.3.2 气缸盖

气缸盖固定在气缸体的顶部（见图2-4），其下侧与活塞顶一起构成燃烧室。轻型货车的直列式发动机的所有气缸共用一个气缸盖，大型直列式发动机可以采用两个或更多的气缸盖。与气缸体一样，气缸盖可以用铸铁或铝合金制造。

2.4 活塞、连杆与曲轴

2.4.1 活塞与连杆 为了产生真空，将含油混合气吸入气缸，活塞必须从气缸中向下运动。然后，在向上运动，对吸入的混合气进行压缩。在混合气被点燃之后，气体膨胀的压力作用于活塞顶部，以强大的推力推动活塞在气缸内向下运动，从而将气体膨胀的能量传递给曲轴。然后，活塞再在气缸内向上运动，将燃烧后的废气排出气缸。

活塞通常用铝制成。铝活塞常常镀锡，以便在发动机投入使用之后，能进行适当的磨合。铝活塞可以用锻造制造，但是更常使用铸造。对于低速发动机活塞，铸铁是一种很好的材料。它具有优异的耐磨特性，并会提供良好的性能。

顾名思义，连杆用于连接活塞和曲轴（见图2-5）。连杆的上端孔，活塞销从此孔中穿过。连杆大端的底部必须移走，这样才能使连杆安装在曲轴轴颈上（见图2-6）。这个被移走的部分叫做连杆盖。连杆通常用合金钢制造。制造时，先经锤锻，再进行机械加工。

2.4.2 曲轴

发动机曲轴（见图2-7）提供一个恒定的旋转力给车轮。曲轴上具有连接连杆所用的曲柄，曲轴的作用是将活塞的往复运动转变成驱动车轮的旋转运动。

曲轴借助一系列的主轴承保持在一定的位置上。一根曲轴的主轴颈最大数目比气缸数大1。主轴颈数目还可以小于缸数。多数发动机都使用结构与连杆轴承相同的精密镶嵌轴承作主轴承，但是，它们的尺寸较大。有一个主轴承除了支承曲轴外，还要控制曲轴的前后运动。

图2-5 活塞、连杆与曲轴

图2-6 连杆

图2-7 曲轴

2.5 配气机构

凸轮轴必须以曲轴一半转速旋转。凸轮轴与曲轴相连有三种方式：带传动、链传动和齿轮传动。配气机构的主要组成有：

凸轮轴。凸轮轴用于打开和关闭气门。在大多数发动机上一般只有一根凸轮轴。新型的发动机上越来越多地装有两根甚至更多的凸轮轴（见图2-8）。

气门。通常，发动机的每个气缸有两个气门。然而，现代发动机经常使用每缸四气门结构（每缸两个进气门和两个排气门）。为了防止气门烧坏，气门必须将所吸收的热量传给气门座和传给气门导管。气门必须与气门座保持良好接触，并且必须在气门导管内保持最小的间隙。

气门挺杆。机械式气门挺杆曾用于老式发动机上。大多数带有机械挺杆的配气机构都有某种调节气门间隙的装置。液力式气门挺杆的作用与机械式气门挺杆相同。然而，液力挺杆具有间隙自行调节功能，工作中无挺杆-摇臂间隙，并且利用具有压力的发动机油来工作。液力挺杆工作噪声小。

图2-8 由同步齿形带驱动的双顶置凸轮轴（DOHC）

2.6 汽油机电子控制燃油喷射系统

2.6.1 间歇式燃油喷射系统的类型

在电子控制燃油喷射系统中，喷油器靠电信号来开启和关闭。这种系统就是间歇式燃油喷射系统。

间歇式燃油喷射系统通常采用电子控制。尽管在各种间歇式燃油喷射系统之间存在许多设计差异，但它们的工作原理极为相似。

节气门体喷射系统（见图2-9左图）使用了装有一只或两只喷油器的一个燃油喷射总成。该总成安装在进气歧管的入口处，并将燃油喷射在节气门的前面。这些系统也叫做单点喷射（SPI）系统或叫做中央喷射系统。多点喷射（MPI）系统（见图2-9右图）在发动机进气道处靠近进气门的位置为发动机输送燃油。

图2-9 单点喷射（左图）和多点喷射（右图）系统

2.6.2 间歇式燃油喷射系统零件

典型的间歇式燃油喷射系统（见图2-10）可分为三个子系统：

空气供给系统。该系统由空气滤清器、节气门体和进气歧管组成（见图2-10）。节气门体部分内含节气门，驾驶员通过打开和关闭节气门来控制进入到进入进气歧管的空气量。

燃油供给系统。该系统（见图2-10）的作用是提供与空气混合所需要的燃油。该系统的主要组成部件见图2-11和图2-12。系统的压力由电动燃油泵提供。

图2-10 一种典型的间歇式燃油喷射系统

图2-11 燃油供给系统

（a）

(b)

图2-12 一辆汽车的燃油供给系统

电子控制系统。只要发动机运转，计算机便会接收来自多个传感器的信号（见图2-13）。根据这些输入信息，计算机计算发动机的燃油需求量，并对喷油器的喷油脉宽进行相应调节。除了控制喷油器外，现代计算机还控制着许多其他的发动机系统（见图2-10）。

图2-13 发动机电子控制系统

传感器用于监测发动机的各种功能，并将这些信息提供给计算机。传感器的数目和型式因系统而异。

氧传感器监测发动机排气中的氧含量。计算机利用来自氧传感器的信号来控制空燃比。氧传感器一般安装在排气歧管上。

发动机转速传感器监测发动机转速。许多转速传感器安装在分电器内。在另外一些系统中，发动机转速传感器的安装位置能使该传感器监测到曲轴或者凸轮轴的转动。这些转速传感器还能指示曲轴和凸轮轴的位置，这样在进气门开启之前，计算机就能打开喷油器。

节气门位置信息通过节气门位置传感器传送给计算机。节气门位置传感器安装在节气