了解汽车的“心脏”—发动机基本构造详解

汽车要在道路上行驶必须先有动力，而动力的来源就是发动机。发动机性能的好坏是决定汽车行驶性能的最大因素。目前汽车使用的发动机均属于内燃机，发动机的功能就是将燃料的化学能转成热能再转成机械能，而机械能也就是一般所谓的动力。发动机在将燃料转成动力的过程中会经过一定的工作程序，而且此程序是周而复始连续不断的循环。常见的车用发动机依种类、大小及用途等等的不同而有许多的分类方式。一、依工作循环方式：1、奥图循环(Ottocycle)：使用在汽油发动机。2、狄塞尔循环(Dieselcycle)：使用在柴油发动机。二、依使用燃料的种类：1、汽油发动机：主要使用在汽车、航空器。2、柴油发动机：主要使用在汽车、船、发电机。3、重油发动机：主要使用在船、发电机。4、燃气发动机：主要使用在汽车。三、依冷却方式分：1、气冷式发动机2、水冷式发动机四、依工作循环冲程分：1、二冲程发动机：二个冲程完成一个工作循环。2、四冲程发动机：四个冲程完成一个工作循环。五、依活塞运动的不同分：1、往复式活塞发动机(reciprocatingengine)2、回转式活塞发动机(rotaryengine)六、依点火方式分：1、压缩点火式发动机2、火花塞点火式发动机七、依气缸数量分：1、单气缸发动机2、多气缸发动机八、依气缸排列方式分：1、直列式发动机2、V型发动机3、W型发动机4、水平对置发动机现行汽车产品上所使用的发动机，主要为采用奥图循环、以汽油为燃料的往复式活塞四冲程多气缸自然进气发动机，依不同的排气量与工程需求，有直列四缸、V型六气缸等形式。各种型式的发动机所采用的零件，以及在发动机外部的次系统零组件，都非常的相似。接下来我们将为大家一一的介绍发动机的各项零件和次系统的原理及功能。（一）发动机的基本构造─缸径、冲程、排气量与压缩比发动机是由凸轮轴、气门、气缸盖、气缸体、活塞、活塞连杆、曲轴、飞轮、油底壳等主要组件，以及进气、排气、点火、润滑、冷却等系统所组合而成。以下将分别介绍在汽车型录的发动机规格表中常见的缸径、冲程、排气量、压缩比、SOHC、DOHC等名词。缸径：气缸体上用来让活塞做运动的圆筒空间的直径。冲程：活塞在气缸体内运动时的起点与终点的距离。一般将活塞在最靠近气门时的位置定为起点，此点称为上止点；而将远离气门时的位置称为下止点。排气量：将气缸的面积乘以冲程，即可得到气缸排气量。将气缸排气量乘以气缸数量，即可得到发动机排气量。以丰田花冠1.8L车型的直列4气缸发动机为例：缸径：79.0mm，冲程：91.5mm，气缸排气量：448.5cc；发动机排气量＝气缸排气量×气缸数量＝448.5cc×4＝1794cc。压缩比：最大气缸容积与最小气缸容积的比率。最小气缸容积即活塞在上止点位置时的气缸容积，也称为燃烧室容积。最大气缸容积即燃烧室容积加上气缸排气量，也就是活塞位于下止点位置时的气缸容积。丰田花冠1.8L发动机的压缩比为10：1，其计算方式如下：气缸排气量：448.5cc，燃烧室容积：49.83cc；压缩比＝(49.84＋448.5)：49.84＝9.998：1≈10：1。（二）发动机的基本构造─凸轮轴与气门凸轮轴：在一支轴上有许多宛如蛋形凸轮，其被安装在气缸盖的顶部，用来驱动进气气门和排气气门做开启与关闭的动作。在凸轮轴的一端会安装一个传动轮，以链条或皮带与位于曲轴上的传动轮连接。在以链条传动的系统中此传动轮为一齿轮；在以皮带传动的系统中此传动轮为一具齿槽的皮带轮。一般双顶置凸轮轴(DOHC)设计的发动机，其进气和排气的凸轮轴均挂上一个传动轮，由链条或皮带直接带动凸轮轴转动。有些发动机为了减少气门夹角，而将凸轮轴的传动方式改变成以链条传动方式带动进气或排气的凸轮轴，再藉由安装在进气和排气的凸轮轴上的齿轮以链条带动另外一支凸轮轴。丰田独特的TWINCAM设计方式，则是以链条或皮带去带动位于进气或排气的凸轮轴上的传动轮，之后再以安装在进气和排气的凸轮轴上的无间隙齿轮机构带动另外一支凸轮轴。气门：控制空气进出气缸的阀门。让空气或混合气进入的称为进气气门。让燃烧后的废气排出的称为排气气门。（三）发动机基本构造─SOHC单凸轮轴发动机发动机的凸轮轴装置在气缸盖顶部，而且只有一支凸轮轴，一般简称为OHC(顶置凸轮轴，OverHeadCamShaft)。凸轮轴透过摇臂驱动气门做开启和关闭的动作。在每气缸二气门的发动机上还有一种无摇臂的设计方式，此方式是将进气门和排气门排在一直在线，让凸轮轴直接驱动气门做开闭的动作。有VVL装置的发动机则会透过一组摇臂机构去驱动气门做开闭的动作。（四）发动机基本构造─DOHC双凸轮轴发动机此种发动机在气缸盖顶部装置二支凸轮轴，由凸轮轴直接驱动气门做开启和关闭的动作。仅有少数发动机是设计成透过摇臂去驱动气门做开闭的动作。有VVL装置的发动机则会透过一组摇臂机构去驱动气门做开闭的动作。DOHC较SOHC的设计来得优秀的主要原因有二：一是凸轮轴驱动气门的直接性，使气门有较佳的开闭过程，而提升气缸在进气和排气时的效率；另一则是火花塞可以装置在气缸盖中间的区域，使混合气在气缸内部可以获得更好、更平均的燃烧。直列发动机VSV型发动机直列发动机一如其名，直列发动机气缸排列成一条直线。发动机的所有气缸均排列在同一平面上，形成一直列的情形，称为直列发动机。以直列四气缸发动机为例，常见的标示方式有二种，一是取与排列外型相似的I做标示，就标示为I4。另外一种则是以英文Line做开头，而标示为Line4或L6以代表直列4气缸或是直列6气缸发动机之意。V型发动机气缸数增加，采用V型排列的发动机可以有效减少发动机提及，增加车内空间。发动机的气缸分别排列在二个平面上，此二个平面相互产生一个夹角。气缸呈V型排列的发动机会因气缸数量的不同，而有60、90、120度三种常见的角度。发动机气缸排列在两个相交的V型平面上，则称为W型发动机，而夹角为180度的发动机则另外称为水平对置式发动机。可变气门正时&可变长度进气岐管可变气门正时：曲轴经由齿状的传动装置带动凸轮轴转动，使气门在做开启与关闭的动作时会与曲轴的转动角度成一定的对应关系。由于气体流动的性质会随着发动机运转速度的快慢而改变，如何使气缸在不同的转速下都能够获得良好的进气效率？为此必须改变气门在开启与关闭时间。经由安装在凸轮轴前端的油压装置使凸轮轴可以另外做一小角度转动，以使进气门在转速升高时得以提早开启。可变长度进气岐管：为了使发动机在高、低转速时能够维持平稳的进气效率，如何制造出长度适合的进气管路就成了一件重要的课题。藉由在进气管路中设置阀门来使进气管路改变成长、短二种路径。以满足发动机在高转速运转时需要流速快、动能大的气流；并且在低转速时供给发动机适当流量的空气。这样就能够使发动机在高转速时获得较大的马力，而在较低转速时有较佳的油耗表现。详细图解汽车发动机机体组全面介绍机体是构成发动机的骨架，是发动机各机构和各系统的安装基础，其内、外安装着发动机的所有主要零件和附件，承受各种载荷。因此，机体必须要有足够的强度和刚度。机体组主要由气缸体、曲轴箱、气缸盖和气缸垫等零件组成。一.气缸体（图2-1）水冷发动机的气缸体和上曲轴箱常铸成一体，称为气缸体——曲轴箱，也可称为气缸体。气缸体一般用灰铸铁铸成，气缸体上部的圆柱形空腔称为气缸，下半部为支承曲轴的曲轴箱，其内腔为曲轴运动的空间。在气缸体内部铸有许多加强筋，冷却水套和润滑油道等。气缸体应具有足够的强度和刚度，根据气缸体与油底壳安装平面的位置不同，通常把气缸体分为以下三种形式。（图2-2)(1)一般式气缸体其特点是油底壳安装平面和曲轴旋转中心在同一高度。这种气缸体的优点是机体高度小，重量轻，结构紧凑，便于加工，曲轴拆装方便；但其缺点是刚度和强度较差(2)龙门式气缸体其特点是油底壳安装平面低于曲轴的旋转中心。它的优点是强度和刚度都好，能承受较大的机械负荷；但其缺点是工艺性较差，结构笨重，加工较困难。(3)隧道式气缸体这种形式的气缸体曲轴的主轴承孔为整体式，采用滚动轴承，主轴承孔较大，曲轴从气缸体后部装入。其优点是结构紧凑、刚度和强度好，但其缺点是加工精度要求高，工艺性较差，曲轴拆装不方便。为了能够使气缸内表面在高温下正常工作，必须对气缸和气缸盖进行适当地冷却。冷却方法有两种，一种是水冷，另一种是风冷（图2-3）。水冷发动机的气缸周围和气缸盖中都加工有冷却水套，并且气缸体和气缸盖冷却水套相通，冷却水在水套内不断循环，带走部分热量，对气缸和气缸盖起冷却作用。现代汽车上基本都采用水冷多缸发动机，对于多缸发动机，气缸的排列形式决定了发动机外型尺寸和结构特点，对发动机机体的刚度和强度也有影响，并关系到汽车的总体布置。按照气缸的排列方式不同，气缸体还可以分成单列式，V型和对置式三种（图2-4）。(1)直列式发动机的各个气缸排成一列，一般是垂直布置的。单列式气缸体结构简单，加工容易，但发动机长度和高度较大。一般六缸以下发动机多采用单列式。例如捷达轿车、富康轿车、红旗轿车所使用的发动机均采用这种直列式气缸体。有的汽车为了降低发动机的高度，把发动机倾斜一个角度。(2)V型气缸排成两列，左右两列气缸中心线的夹角γ＜180°，称为V型发动机，V型发动机与直列发动机相比，缩短了机体长度和高度，增加了气缸体的刚度，减轻了发动机的重量，但加大了发动机的宽度，且形状较复杂，加工困难，一般用于8缸以上的发动机，6缸发动机也有采用这种形式的气缸体。(3)对置式气缸排成两列，左右两列气缸在同一水平面上，即左右两列气缸中心线的夹角γ＝180°，称为对置式。它的特点是高度小，总体布置方便，有利于风冷。这种气缸应用较少。气缸直接镗在气缸体上叫做整体式气缸，整体式气缸强度和刚度都好，能承受较大的载荷，这种气缸对材料要求高，成本高。如果将气缸制造成单独的圆筒形零件(即气缸套)，然后再装到气缸体内。这样，气缸套采用耐磨的优质材料制成，气缸体可用价格较低的一般材料制造，从而降低了制造成本。同时，气缸套可以从气缸体中取出，因而便于修理和更换，并可大大延长气缸体的使用寿命。气缸套有干式气缸套和湿式气缸套两种（图2-5）。干式气缸套的特点是气缸套装入气缸体后，其外壁不直接与冷却水接触，而和气缸体的壁面直接接触，壁厚较薄，一般为1～3mm。它具有整体式气缸体的优点，强度和刚度都较好，但加工比较复杂，内、外表面都需要进行精加工，拆装不方便，散热不良。湿式气缸套的特点是气缸套装入气缸体后，其外壁直接与冷却水接触，气缸套仅在上、下各有一圆环地带和气缸体接触，壁厚一般为5～9mm。它散热良好，冷却均匀，加工容易，通常只需要精加工内表面，而与水接触的外表面不需要加工，拆装方便，但缺点是强度、刚度都不如干式气缸套好，而且容易产生漏水现象。应该采取一些防漏措施。二.曲轴箱气缸体下部用来安装曲轴的部位称为曲轴箱，曲轴箱分上曲轴箱和下曲轴箱。上曲轴箱与气缸体铸成一体，下曲轴箱用来贮存润滑油，并封闭上曲轴箱，故又称为油底壳图（图2-6）。油底壳受力很小，一般采用薄钢板冲压而成，其形状取决于发动机的总体布置和机油的容量。油底壳内装有稳油挡板，以防止汽车颠动时油面波动过大。油底壳底部还装有放油螺塞，通常放油螺塞上装有永久磁铁，以吸附润滑油中的金属屑，减少发动机的磨损。在上下曲轴箱接合面之间装有衬垫，防止润滑油泄漏。三.气缸盖（图2-7）气缸盖安装在气缸体的上面，从上部密封气缸并构成燃烧室。它经常与高温高压燃气相接触，因此承受很大的热负荷和机械负荷。水冷发动机的气缸盖内部制有冷却水套，缸盖下端面的冷却水孔与缸体的冷却水孔相通。利用循环水来冷却燃烧室等高温部分。缸盖上还装有进、排气门座，气门导管孔，用于安装进、排气门，还有进气通道和排气通道等。汽油机的气缸盖上加工有安装火花塞的孔，而柴油机的气缸盖上加工有安装喷油器的孔。顶置凸轮轴式发动机的气缸盖上还加工有凸轮轴轴承孔，用以安装凸轮轴。图2-7气缸盖一般采用灰铸铁或合金铸铁铸成，铝合金的导热性好，有利于提高压缩比，所以近年来铝合金气缸盖被采用得越来越多。气缸盖是燃烧室的组成部分，燃烧室的形状对发