汽车发动机理论
戴姆勒克莱斯勒公司供图
2003吉普大切诺基发动机
出于好奇，你可能想了解一下。或者，你可能想买辆新车。你听说过“3.0升V-6”、“双顶置凸轮轴”、“可调进气燃油喷射”之类的东西。它们是什么意思？
在本文中，我们将讨论发动机的基本概念，并详细了解发动机的所有组件、可能出现的问题以及如何提高发动机性能。
汽油机的作用是将汽油转化为动力，使汽车能够启动。目前把汽油变成运动最简单的方法就是在发动机里燃烧汽油。所以，汽车发动机是“内燃机”——燃烧发生在内部。有两件事需要注意:
有许多不同的内燃机。柴油机是一种，燃气轮机是另一种。见关于HEMI发动机，转子发动机，二冲程发动机的文章。每个引擎都有自己的优点和缺点。
还有一个外燃发动机。旧火车和轮船上的蒸汽机是外燃机。在蒸汽机中，燃料(煤、木柴、油等)。)在发动机外燃烧产生蒸汽，蒸汽在发动机内形成运动。内燃机的效率比外燃机高得多(每公里耗油少)，同样功率的内燃机比外燃机小得多。这就是为什么像福特和通用汽车这样的公司不使用蒸汽机。
典型汽车发动机的内部结构
目前几乎都是用车。复式内燃机，因为这种发动机有以下优点:
相对高效(与外燃发动机相比)
相对便宜(与燃气轮机相比)
相对容易加油(与电动汽车相比)
这些优点使它成为驾驶汽车的首选。
为了理解往复式内燃机的工作原理，对“内燃”的工作方式有一个直观的认识是很有帮助的。大炮就是一个很好的例子。你可能在电影里见过他们。士兵在枪里装满火药和炮弹，然后点火。这就是我们所说的内燃，但是很难想象发动机是如何完成这些过程的。
这里举一个比较形象的例子:假设有一根长塑料下水管，直径8厘米，长90厘米，然后在一端装上盖子。然后，喷一点WD-40或者在管子里滴几滴汽油。然后，在试管里放一个土豆。像这样:
这个不推荐！但是如果你这样做了，我们现在拥有的设备通常被称为土豆大炮。如果你在里面制造一个火花，你能点燃燃料。
有意思的是——而且讨论这样一个装置的目的是，土豆炮可以把土豆射到150米左右的地方！几滴汽油就能产生如此大的能量。
内部燃烧
土豆炮的基本原理与所有往复式内燃机完全一致:如果将一点高能燃料(如汽油)放在一个狭小的封闭空间内点燃，就会以气体膨胀的形式释放出巨大的能量。可以用这个能量把土豆扔到150米以外。在这个例子中，能量被转换成土豆的运动。你也可以用这些能量去完成更有趣的工作。举个例子，如果你能设置一个循环，让每分钟都能进行几百次爆炸，然后把能量用在有意义的事情上，现在你就接触到了汽车发动机的核心秘密！
目前几乎所有的汽车都采用四冲程燃烧循环，将汽油转化为运动。四冲程模式也被称为“奥托循环”，以纪念1867年发明它的尼克劳斯。尼古拉·奥托。这四种笔画如图1所示。它们是:
进气冲程
压缩冲程
燃烧冲程
排气冲程
循环过程
图中可以看到一个叫“活塞”的装置，代替了土豆炮里的土豆。活塞通过连杆与曲轴相连。曲轴转动时，它的作用相当于“给大炮复位”。在发动机循环期间，会发生以下情况:
典型汽车发动机的内部结构
1.活塞起初在顶部，排气阀打开，然后活塞向下移动，使发动机的气缸充满空气和汽油的混合物。这是吸气冲程。此时，只需要在空气中混合最少量的汽油。(图中的零件1)
2.然后，活塞向上返回压缩燃油/空气混合物。压缩过程使爆炸更加强大。(图中的第二部分)
当活塞到达冲程顶部时，火花塞发出火花点燃汽油。汽缸里的汽油爆炸，推动活塞向下。(图中的第三部分)
4.在活塞到达其冲程的底部后，排气门打开，废气从气缸排出并进入排气尾管。(图中的第4部分)
现在，发动机准备好下一个循环，再次吸入空气和汽油。
注意内燃机输出的运动是旋转运动，而土豆炮产生的运动是直线运动(直线)。在发动机中，活塞的直线运动转化为曲轴的旋转运动。旋转运动非常好，因为我们只是想让轮子转过来。
接下来，让我们看看所有协同工作以实现这一目标的组件。
发动机的核心是气缸和在气缸内上下运动的活塞。上述发动机只有一个气缸。这是大多数割草机的情况，但大多数汽车都有多个气缸(通常是四个、六个或八个气缸)。在多缸发动机中，通常有三种气缸排列方式:直列式、V型或水平式(也叫水平对置)，如下图所示。
图二。直列式——气缸排成一条直线。
图3。v型气缸以一定角度排成两排。
图4。水平气缸在发动机的两侧排成两排。
每种配置模式在流畅度、制造成本、外观特点等方面各有优劣。这些优缺点使它们分别满足某些特定车辆的要求。
排水量
燃烧室是发生压缩和燃烧过程的地方。随着活塞上下移动，可以看到燃烧室的容积也在变化。有最大音量和最小音量。最大体积与最小体积之差称为排气量，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是0.04升。
摩托车发动机的排量可以是0.5升或0.75升。
跑车发动机的排量可能是5升。
大多数标准汽车发动机的排量在1.5-4.0升之间。
如果是四缸发动机，每缸排量为0.5升，那么整个发动机就是“2.0升发动机”。如果每个气缸的排量是0.5升，6个气缸呈V字形排列，就是“3.0升V-6”发动机。
通常可以通过排量大致知道发动机的功率。0.5升排量的气缸比0.25升排量的气缸能装两倍的燃油和空气混合物，所以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。
发动机的排量可以通过增加气缸数量或增加所有气缸的燃烧室(或两者)来提高。
其他发动机零件
内燃机
火花塞
火花塞可以提供火花点燃空气/燃料混合物，使其燃烧。你必须在适当的时候迸发火花才能正常工作。
喷水孔
进气门和排气门在合适的时间打开，输入空气和燃料，排出废气。请注意，在压缩和燃烧过程中，两个阀门都是关闭的，以密封燃烧室。
活塞
活塞是一个金属圆柱形部件，可以在气缸内上下移动。
活塞环
活塞环在活塞外缘和气缸内径之间起滑动密封作用。活塞环有两个用途:
在压缩和燃烧期间，防止燃烧室中的燃料/空气混合物和废气泄漏到油箱中。
防止油箱中的油泄漏到燃烧区并在那里燃烧损失。
大多数“烧油”的车，每1.600公里必须加1升左右的油。原因是发动机老化，活塞环无法再起到正确的密封作用。
连杆
连杆将活塞连接到曲轴上。当活塞移动和曲轴旋转时，它的两端可以旋转以改变角度。
机轴
曲轴把活塞的上下运动转化为圆周运动，就像恶棍打开盒子时玩具盒上的曲柄一样。
油槽
油槽围绕着曲轴。含有一定量的油，集中在底部(油底壳)。
让我们来看看发动机可能出现的一些问题。
发动机常见问题
一天早上你想出门，发动机转了几圈却没有启动。怎么了?既然你知道了发动机是如何工作的，你应该能够理解是什么导致了发动机的故障。可能有三个原因:燃油混合不良、压缩不足或点火失败。除此之外，还有很多其他原因可能导致问题，但以上三个原因是主要因素。下面以我们讨论的简单发动机为例，简单讨论一下这些问题对发动机的影响:
燃油混合不良:燃油混合不良可能由以下原因引起:
缺少燃料，所以发动机只有空气，没有燃料。
进气不畅，只有燃油没有足够的空气。
燃油系统可能供应过多或过少的燃油，从而导致不正确的燃烧。
燃油中可能有杂质(比如油箱里有水)，导致燃油无法燃烧。
压缩不足:如果进入的空气和燃料不能被正确压缩，燃烧过程将不能令人满意。压缩不足可能由以下原因引起:？活塞环磨损(压缩过程中空气/燃油混合物从活塞中泄漏)。
进气门或排气门密封不良，导致压缩时漏气。
圆柱体上有一个洞。
气缸最常见的“孔”出现在气缸顶部(用来安装气门和火花塞，也称“气缸盖”)和气缸本身。通常在气缸和气缸盖螺栓之间有一层薄垫片，以保证密封效果。如果垫片损坏，气缸和气缸盖之间会出现许多小孔，导致泄漏。
不点火:没有火花或火花微弱，主要是由于:
如果火花塞或电线磨损，火花就会变弱。
如果电线断裂或丢失，或用于打火的系统不正常工作，就不会产生火花。
如果火花在循环中出现过早或过晚(例如点火正时关闭)，燃油将不会在正确的时间点火，从而导致各种问题。
其他方面也可能有问题。比如:？如果电池没电，发动机就不能启动和运行。
如果让曲轴自由转动的轴承磨损，曲轴将无法转动，从而导致发动机故障。
如果气门不能在合适的时间打开或关闭(或者根本不能打开或关闭)，那么空气就进不去，废气就排不出去，导致发动机不能运转。
如果有人在你的排气管里放一个土豆，废气就无法从气缸排出，导致发动机停止运转。
如果机油已经用完，活塞将无法在气缸中自由上下移动，从而堵塞发动机。
在正常运转的发动机中，上述因素都在允许范围内。
如你所见，发动机需要大量的系统帮助来完成将燃料转化为运动的工作。大部分子系统可以通过不同的技术实现，使用的技术越先进，发动机的性能越好。在下一节中，我们将介绍现代发动机中使用的各种子系统。
大多数发动机子系统可以通过不同的技术进行改进，更好的技术可以提高发动机的性能。接下来，我们将从气门机构看一下现代发动机中使用的各种子系统。
气门机构由气门和用于打开和关闭气门的机构组成。开启和关闭系统被称为凸轮轴。凸轮轴上有一个凸轮来上下移动气门。
图5。凸轮轴
大多数现代发动机都有一种称为顶置凸轮轴的机械装置。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或通过一根短连杆控制气门。旧款发动机使用的凸轮轴位于曲轴附近的油槽中。用横杆将下凸轮连接到气门上方的气门挺杆上。这种方法使用更多的运动部件，并且会导致凸轮启动气门的动作滞后于气门的后续运动。使用正时皮带或正时链条连接曲轴和凸轮轴，以便气门和活塞可以同步。凸轮轴的连接方式使其转速是曲轴转速的一半。许多高性能发动机每个气缸有四个气门(两个进气门和两个排气门)。这种布置要求每组气缸有两个凸轮轴，所以称为“双顶置凸轮轴”。
有关更多信息，请参见凸轮轴的工作原理。
点火和冷却系统
点火系统(图6)可以产生高压电荷，并通过点火线将其输送到火花塞。电荷首先流向分电器，这在大多数汽车的引擎盖下很容易找到。在分配器的中心，有一根导线用于输入电流，四根、六根或八根导线用于输出电流(取决于气缸的数量)。这些点火导线可以向每个火花塞输送电荷。发动机的设置使得一次只有一个气缸从分电器获得点火火花。这样，可以获得最大的平滑度。
图6。点火系统
更多信息请参考汽车点火系统的工作原理。
在下一节，我们将看看你的汽车如何启动，冷却和循环空气。
发动机的冷却、进气和起动系统
冷却系统
大多数汽车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，然后流过散热器冷却气缸。在少数车辆(最著名的是大众的甲壳虫车型)和大部分摩托车、割草机中，发动机都是风冷的(风冷发动机可以通过安装在每个气缸外面的散热鳍片来识别)。空气冷却使发动机更轻但更热，这通常会降低发动机的使用寿命和整体性能。
冷却系统的示意图显示了所有管道的连接方式。
更多信息请参考汽车冷却系统的工作原理。
进气和起动系统
大多数汽车使用自然吸气发动机，这意味着空气通过空气滤清器直接流入气缸。高性能发动机可以采用涡轮增压或机械增压，即空气在进入发动机之前被压缩(这样可以将更多的空气/燃料混合物压入每个气缸)以提高性能。增压的量称为“增压”。涡轮增压器利用一个连接在排气管上的小涡轮推动进气流中的压缩涡轮旋转。增压器直接连接到发动机上来转动压缩机。
照片由加勒特提供
详细请参考涡轮增压器的工作原理。
提高你的发动机性能是好的，但是当你转动钥匙启动发动机的时候发生了什么？
起动系统由一个电子起动马达和一个起动电磁开关线圈组成。转动点火钥匙时，起动电机会使发动机旋转几次，以便开始燃烧过程。它使用一个强大的马达来驱动一个冷的引擎。起动机必须克服:
活塞环引起的所有内部摩擦
任何气缸在压缩冲程中产生的压缩压力。
用凸轮轴打开和关闭气门所需的能量。
其他直接与发动机相连的部件，如水泵、油泵、交流发电机等。
因为需要这么多的能量，而汽车使用的是12V的电气系统，需要向启动电机传输数百安培的电流。起动机的电磁开关线圈实际上是一个大的电气开关，可以处理大电流。当点火钥匙转动时，它将激活电磁开关线圈，向电机供电。
接下来，让我们看看发动机中控制进气口(机油和燃油)和排气口(废气和其他排放物)的子系统。
发动机的润滑、燃油、排气和电气系统
润滑和燃料系统
石油扮演着重要的角色。润滑系统可以确保发动机中的所有运动部件都能得到机油而轻快地运转。需要机油的两个主要零件是活塞(这样活塞可以在气缸中轻松滑动)和所有轴承(这样曲轴和凸轮轴等零件可以自由转动)。在大多数汽车中，机油是由机油泵从油箱中吸出，流经机油滤清器除去杂质，然后在高压下喷在轴承和气缸壁上。然后，油落入油箱，在那里被收集和再利用。
燃油系统
说到汽车的日常保养，你首先关心的可能是车内还剩多少油。你加到油箱里的油是如何启动气缸的？
燃油系统将汽油从油箱中抽出，然后与空气混合，这样适当的空气/燃油混合物就能进入气缸。一般来说，燃油输送有以下三种方式:雾化、进气燃油喷射和直接燃油喷射。
在雾化模式下，当空气进入发动机时，一种叫做化油器的装置用来混合汽油和空气。
在燃油喷射发动机中，适量的燃油喷射到每个气缸中，或者在进气门上方(进气燃油喷射)，或者直接喷射到气缸中(直接燃油喷射)。
详情请参考燃油喷射装置的工作原理。
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，你会听到排气管里成千上万的小爆炸声。消音器可以减弱这种声音。排气系统还包括催化转化器。有关更多信息，请参考催化转化器的工作原理。
废气排出控制
现代汽车的排放控制系统由催化转化器、一组传感器和执行器以及用于监控和调节的计算机组成。例如，催化转换器使用催化剂和氧气来燃烧废气中未使用的燃料和一些其他化学物质。排气系统中的氧传感器可以确保为催化剂提供足够的氧气，并可以在必要时进行调整。
有关更多信息，请参考催化转化器的工作原理。
除了汽油，还有什么能给你的车提供动力？答案是电气系统。
电气系统
电气系统由电池和交流发电机组成。交流发电机通过皮带与发动机相连，可以发电给电池充电。蓄电池可为车内所有电气设备(点火系统、收音机、大灯、雨刮器、电动车窗和座椅、车载电脑等)提供12伏电压。)通过电路。
从上面，我们可以知道如何使用许多不同的方法，使发动机性能更好。汽车制造商不断尝试通过以下方法来提高发动机功率和降低油耗。
加大排量:排量越大，功率越大，因为发动机每循环燃烧的汽油越多。可以通过增加气缸数量或增加更多气缸来提高排量。在实际应用中，12个柱面似乎是一个极限。
提高压缩比:在一定范围内，压缩比越高，产生的功率越大。然而，空气/燃料混合物被压缩得越多，在火花塞被点燃之前发生自燃的可能性就越大。高辛烷值汽油可以防止这种过早燃烧。这也是高性能汽车通常需要使用高辛烷值汽油的原因——为了获得更大的动力，这些汽车的发动机具有更高的压缩比。
增加气缸的进气量:给定尺寸的气缸，如果能压入更多的空气(相应地能装更多的燃油)，就能从气缸中获得更多的动力(和增加气缸容积的效果一样)。涡轮增压器和增压器对进入气缸的空气加压，从而有效地迫使更多的空气进入气缸。详细请参考涡轮增压器的工作原理。
冷却进来的空气:压缩空气会使空气变热。然而，你希望缸内的空气越冷越好，因为空气越热，燃烧时膨胀越小。所以很多涡轮增压和机械增压的车都配备了中冷器。中冷器是一种特殊的散热器，在压缩空气进入气缸之前对其进行冷却。更多信息请参考汽车冷却系统的工作原理。
平稳进气:在进气冲程中，活塞向下运动时，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，可以大大降低空气阻力。一些较新的汽车也使用抛光进气歧管，以消除这一领域的空气阻力。更大的空气过滤器也可以改善气流。
平稳排气:如果由于空气阻力导致气缸内的废气难以排出，发动机的功率就会降低。你可以通过给每个气缸增加第二个排气门来降低空气阻力(在一辆有两个进气门和两个排气门的汽车中，每个气缸有四个气门，这将提高汽车的性能——如果你看到一个广告说一辆汽车有四个气缸和十六个气门，那么广告实际上是说发动机的每个气缸都有四个气门)。排气管过小或者消声器内的空气阻力过大，都会产生背压，也会降低发动机的功率。高性能排气系统使用排气歧管、大尾管和气流顺畅的消声器来消除排气系统中的背压。如果你听说一辆车有“双排气”，它的目的是通过两根排气管而不是一根来提高废气的顺畅流动。
减轻零件重量:轻的零件有助于提高发动机的性能。活塞每次改变方向，都要消耗能量来停止一个方向的冲程，并开始另一个方向的冲程。活塞越轻，消耗的能量越少。
燃油喷射:燃油喷射可以非常精确地测量进入每个气缸的燃油量。这可以提高性能并降低油耗。详情请参考燃油喷射装置的工作原理。
在接下来的部分，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:
汽油机和柴油机有什么区别？柴油发动机没有火花塞。反之，将柴油喷入气缸，压缩冲程产生的热量和压力会将其点燃。柴油的能量密度高于汽油，因此柴油的行驶里程更长。更多信息请参考柴油机工作原理。
二冲程发动机和四冲程发动机有什么区别？大多数链锯和船用发动机使用二冲程发动机。二冲程发动机没有移动气门，当活塞到达每个循环的顶部时，火花塞点火。气缸壁的下部有一个孔，空气和燃油通过这个孔进入气缸。当活塞向上运动时，混合气被压缩，火花塞点燃混合气，废气通过气缸的另一个孔排出。在二冲程发动机中，机油会与汽油混合，因为气缸壁上的孔使得无法用密封圈密封燃烧室。一般来说，二冲程发动机可以产生与其体积相对应的功率，因为每个循环有两个燃烧循环。但是二冲程发动机消耗的汽油和机油比较多，所以污染非常大。
你在这篇文章中提到的蒸汽机、蒸汽机和其他外燃机的优点是什么？蒸汽机的主要优点是任何可燃物质都可以用作燃料。例如，蒸汽机可以使用煤、报纸或木柴作为燃料，而内燃机需要纯净、高质量的液体或气体燃料。更多信息请参考蒸汽机的工作原理。
汽车发动机中除了奥托循环还有其他循环形式吗？二冲程发动机不一样，上面说的柴油循环也不一样。马自达千年的发动机使用米勒循环，这是一个改进的奥托循环。燃气轮机使用布雷顿循环。汪克尔转子发动机采用奥托循环，但其工作方式与四冲程活塞发动机有很大不同。
为什么有些发动机有八个气缸？为什么不用排量等于八缸之和的大缸来代替呢？大型4.0升发动机包含八个0.5升气缸而不是大型4.0升气缸的原因有很多。主要原因是流畅度。V-8发动机更稳定，因为它有八次均匀间隔的爆炸，而不是一次大爆炸。另一个原因是启动扭矩。当启动V-8发动机时，只需要驱动两个气缸(1升)来完成它们的压缩冲程，但对于大气缸来说，反而需要压缩4升气体。
下面是一些其他的问题。点击问题找到答案:
为什么大型柴油机和赛车发动机的额定功率差别很大？
化油器的工作原理
万磁王的工作原理是什么？
直列发动机和V型发动机有什么区别？
为什么有些发动机使用干油底壳润滑油系统？
为什么哈雷的摩托车听起来不一样？
一氧化二氮如何帮助发动机运转？
车内的氧传感器是如何工作的？
本田发动机的VTEC系统有什么作用？
赛车用的燃料和普通车一样吗？
米勒循环发动机的工作原理是什么？
排气歧管如何提高发动机性能？
发动机油箱上的一致性是什么意思？
汽车能用压缩空气驱动吗？
涡轮增压器和增压器有什么区别？
车载电脑的功能是什么？
汽油、煤油、柴油有什么区别？
什么是辛烷值？
为什么冬天很难发动汽车？
什么是催化转化器，它的工作原理是什么？