【汽车科普】汽车构造与原理 3.1 发动机-基本构造

汇总

目录

1.引言

Engine
如果汽车有生命，发动机就是它的“心脏”，是它的动力之源。
人的心脏差别较小，但汽车不同.
汽车心脏不仅大小不一，而且构造差别也很大，导致力量和性格都千差万别，甚至排出的废气都不是一个味儿

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2.发动机基本原理

Engine Principle

2.1 汽车动力来源

气缸

  • 汽车动力来源：发动机。
  • 发动机的“心脏”：气缸！
  • 气缸：是产生汽车驱动力的源头，一切动力都来自气缸内部
    • 由燃料在气缸内部燃烧后推动活塞运动；
    • 再通过连杆、曲轴、变速器、传动轴、差速器和半轴等，将动力传递到车轮上
    • 从而推动汽车前进。

汽油发动机构造剖视图

直列4缸汽油发动机构造图

2.2 气缸数不能太多

气缸数增加的好处

  • 在同样功率的要求下，缸数越多，缸径就可越小，转速就可提高，发动机的运转平衡性也更好。

气缸数增加的弊端

  • 随着气缸数的增加，发动机的零部件数也成比例增加
  • 从而使发动机结构更复杂、可靠性降低、重量增加、制造成本和使用费用增加、油耗增加等。

气缸数选择

  • 汽车发动机的气缸数都是根据 车型定位、发动机用途和性能要求 等，在权衡各种利弊之后做出的合适选择。
  • 随着增压技术和燃油喷射技术的进步，现在汽车发动机的 气缸数有减少的趋势，最少的汽车发动机气缸数只有3缸。

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3.气缸排列形式

Cylinder Arrangement

3.1 内燃机和外燃机

外燃机

  • 利用燃料在发动机气缸的外部燃烧来产生动力的。
  • 如早期的蒸汽机，它利用燃料（木材、煤、煤气、柴油等）烧开锅炉中的水，使之产生高压蒸汽并进入气缸内，利用蒸汽压力推动活塞做功，从而产生动力。
  • 比如原来火车上用的蒸汽机，发电厂和轮船上使用的汽轮机等，都是外燃机。

内燃机

  • 是相对外燃机而言的，它的燃料在气缸内燃烧。
  • 现在，汽车上用的汽油发动机和柴油发动机，都是内燃机。

外燃机(左)和内燃机(右)工作原理图示

  • -------

3.2 发动机气缸的排列形式

3种气缸排列形式

  • 在往复式活塞发动机中，汽车发动机一般由多个圆筒状的气缸组成，每个气缸可以独立工作。
  • 所有气缸的动力汇合在一起，共同驱动汽车前进。
  • 气缸可按不同形式组合，从而产生出不同形式的发动机。
  • 目前，最常见的有3种气缸排列形式：直列、V形和水平对置。
    • 注：W形气缸排列形式，较为少见，且与V形发动机较为相似

3种气缸的演变

  • V形发动机和水平对置发动机，都可看成是由直列发动机演变而来的。
  • V形发动机：
    • 将所有气缸分成两组，把相邻气缸以一定的夹角布置在一起（一般为90°），从侧面看气缸呈V字形
  • 水平对置发动机：
    • 将V形发动机的夹角继续扩大到180°，让相邻气缸成对立设置

直列发动机气缸排列示意图

水平对置发动机气缸排列示意图

宝马V8发动机构造示意图

3.3 V形发动机的优缺点

优点：

  • 高度和长度相对直列发动机较小，在汽车上布置起来较为方便 (发动机舱盖更低，驾驶舱更大)
  • 气缸成一角度对向布置，还可以抵消一部分振动

缺点：

  • 必须使用两个气缸盖，结构较为复杂。
  • 宽度加大后，发动机两侧空间较小，不易再安排其他装置。

3.4 W形发动机应用少

W形发动机的构成

  • 将V形发动机的每侧气缸再进行小角度的错开（如大众汽车W8发动机为15 °），就成了W形发动机。

与V形发动机相比，W形发动机

  • 发动机和曲轴更短，能节省空间，减轻重量。
  • 但是，宽度更大，使得发动机舱更满

W形发动机最大的问题:

  • 发动机由一个整体被分割为两个部分，在运作时引起的振动更大
  • 现在应用极少。

针对这一问题，大众汽车:

  • 在W形发动机上设计了两个反向转动的平衡轴，让两个部分的振动在内部相互抵消。
  • 现在，只有大众汽车集团某些品牌车型采用W形发动机，如W8、W12和W16等发动机

3.5 W形发动机构造图

  • 奥迪W12发动机构造图
  • W形发动机气缸夹角示意图
  • W12发动机气缸排列示意图
  • W12发动机气缸体

3.6 水平对置发动机

水平发动机

  • Boxer Engine，“拳击手发动机”，简称为B型发动机。比如B6、B4发动机，分别代表水平对置6缸和4缸发动机
  • 所有气缸呈水平对置排列，就像是拳击手在搏斗，活塞就是拳击手的拳头

水平发动机的优点：

  • 相邻两个气缸水平对置，相互抵消振动，使发动机运转更平稳。
  • 重心低，能让车头设计得又扁又低，增强行驶稳定性。
  • 发动机左右对称，变速器等可放置在车身正中，让汽车左右重量对称
    • 而大多数汽车的重心偏向一侧
  • 动力输出轴方向与传动轴方向一致，不需要改变动力传递方向，直接与离合器、变速器对接，提高动力传递效率，起动和加速更迅猛。

水平发动机的缺点：

  • 维修不方便，而且各缸点火间隔不一致，使其排气声音比较怪异。
  • 普通汽车极少装配水平对置发动机，现在只有保时捷、斯巴鲁和丰田等仍在生产和使用这种发动机

水平对置6缸发动机构造图

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4.发动机工作过程

Engine Working Process

4.1 发动机动力来自于爆炸

汽车的动力来源

  • 汽车的动力来源：
    • 来自于汽油或柴油燃烧时产生的爆炸力。
  • 汽车发动机的原理设计：
    • 如果在一个密封容器中装入汽油和空气，然后点燃它们，便会产生爆炸现象。

合适的燃烧比例

  • 汽油和空气按照最适合的燃烧比例（1∶14.7）混合，并大力压缩使温度上升
  • 此时点燃它们就会产生更大的爆炸力
  • 将这种力量通过一系列的机构“引导”到车轮上，便会推动汽车前进。

汽油在气缸内燃烧爆炸示意图

4.2 动力与排量

发动机排量

  • 气缸排气量是指活塞 从下止点到上止点 所扫过的气体容积，它取决于缸径和活塞行程。
  • 发动机排量是各气缸排量的总和，一般用cc（立方厘米）、mL（毫升）或L（升）来表示。
  • 发动机排量可近似标示为2.0L、2.4L等
    • 由于气缸体是圆柱体，它的容积不太可能正好是整升数。

排量与动力成正比

  • 发动机的排量越大，每次吸入的可燃混合气就越多，燃烧时产生的动力就越强。

发动机排气量和压缩比计算方式

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5.发动机燃烧原理

Engine Combustion Principle

5.1 发动机燃烧反应的化学物质转换

燃油和氧气一起燃烧爆炸，释放能量来驱动汽车前进，同时还排放出水和二氧化碳等物质

  • 汽油中最主要的成分是碳氢化合物。
  • 在汽油爆炸燃烧时，碳氢化合物与氧产生反应，生成 二氧化碳和水分子。
  • 吸入空气量不足时，会生成一部分 一氧化碳。
  • 另外，高温使得 氮原子被氧化生成 一氧化氮和二氧化氮。
  • 因此，汽车排气中的主要成分就是 一氧化碳、二氧化碳、一氧化氮和二氧化氮 等。

5.2 汽油蕴含巨大能量

  • 同等重量情况下，汽油所含能量大约是糖的3倍，木头的5倍，电池的200倍。
  • 要想用电池取代汽油，还需要电池技术研发人员加倍努力。

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6.发动机工作循环

Engine Working Cycle

6.1 气缸结构及相关概念

  • 上止点与下止点：
    • 活塞在气缸中上下移动（默认如图倒扣状）
    • 活塞下行到的最低点叫下止点，上行到顶点的位置称为上止点。
  • 行程：
    • 上止点与下止点之间的距离称为行程。
  • 燃烧室：
    • 当活塞在上止点时，活塞顶端的空间称为燃烧室。
  • 气缸结构示意图：

6.2 工作循环与四个行程

工作循环与四个行程

  • 一个工作循环：
    • 活塞在气缸中要完成 吸气、压缩、燃烧和排气 四个行程
  • 活塞和曲轴：各2次
    • 在此期间，活塞要在气缸内上下各两次，曲轴则同时要旋转两周。

汽车转速表与工作循环

  • 转速表的指针指向6：
    • 表明发动机转速为每分钟6000转，合计每秒钟100转，
    • 一个活塞每秒钟完成50个工作循环（一个工作循环内曲轴要转2周）
    • 一个气缸内要爆炸50次。
    • 如果是一台4缸发动机，那么在1秒内4个气缸则要产生200次爆炸。
  • 转速表指针指向3：
    • 表明发动机转速为每分钟3000转，合计每秒钟50转，
    • 一个活塞每秒完成25个工作循环，
    • 一个气缸内要爆炸25次。
    • 如果是一台4缸发动机，那么在1秒内4个气缸则要产生100次爆炸
  • 转速表含义
    • 转速表表面上是发动机转速，实际是发动机气缸内爆炸次数的体现。
    • 转速越高，说明发动机内发生的爆炸次数越多，动力输出就越大

进气行程

  • 活塞在气缸内自上止点向下行到下止点时，进气门打开，排气门关闭
  • 气缸内可以产生部分的真空，将新鲜的空气和汽油的混合气吸进气缸内

压缩行程

  • 进气门和排气门都关闭，活塞由下止点上行移动到上止点，将气缸的混合气压缩
  • 进入气缸的混合气越多，活塞越接近上止点位置，压缩力越大。
    • 在压缩行程内，气缸中混合气的最大压力称为压缩力。
  • 将混合气压缩是为了使混合气混合得更均匀，且提高温度易于燃烧，得到较大的动力。

做功行程

  • 进气门和排气门都关闭
  • 火花塞跳出高压电火花适时将混合气点燃，使其燃烧并爆发出强大压力，将活塞从上止点推到下止点。
    • 火花塞的高压电火来自高压线圈，它能将火花能量放大，
    • 再由控制电脑（ECU）将高压火按顺序分配到各个气缸，从而点燃被压缩的混合气。

排气行程

  • 活塞自下止点上行到上止点，此时进气门关闭，排气门打开
  • 气缸中已经燃烧过的废气由活塞向上移动时，经排气门和排气歧管排入大气。
  • 燃烧过的废气经过消声器的消声后，才不会产生太大的噪声

发动机工作原理示意图

6.3 冲程

四冲程发动机

  • 活塞在气缸中移动四个行程，曲轴转720°（2周）才完成一次动力输出。

二冲程发动机

  • 活塞在气缸中移动两个行程，曲轴转360°（1周）就可完成一次动力输出。
  • 二冲程发动机的 进气和压缩 在一个行程中完成，燃烧做功和排气 在另一个行程完成。
  • 二冲程发动机现在只在摩托车上使用。

发动机内部构造图

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7.进气和排气系统

Intake and Exhaust System

7.1 发动机进气和排气

发动机进气系统

  • 作用：为发动机燃烧提供新鲜而充足的空气。
  • 进气系统主要包括两大部件：
    • 一是空气滤清器，它主要滤清空气，去除空气中的杂质；
    • 二是进气道，它将空气与燃油的混合气引入气缸。
  • 空气由进气口进入，通过空气滤清器过滤后，经进气歧管进入气缸，
  • 进气歧管内布置有 节气门 和 空气流量计 来控制和调节进气量。

发动机排气系统

  • 作用：将已燃烧的废气排入大气。
  • 它主要由 排气歧管、排气管和排气消声器 组成，并在排气管段布置有 三元催化转化器，以净化排气

汽油发动机进气和排气系统构造图

7.2 节气门

节气门的作用

  • 在进气道中有节气门，它可控制进入气缸的混合气的多少。

节气门与加速踏板

  • 节气门与驾驶人脚下的加速踏板（俗称“油门踏板”）直接相连，
  • 加速踏板踏下越深，节气门开度越大，混合气进入就越多，发动机的转速就越高。

电子节气门

  • 当加速踏板和节气门是通过电信号控制的，那么就称其为 电子节气门（俗称“电子油门”）
    • 而不是加速踏板和节气门通过拉索硬性连接时

节气门图示

  • 节气门体
  • 节气门体和进气歧管
  • 节气门在发动机上的位置图
  • 进气歧管系统实物

7.3 理想空燃比

理想空燃比

  • 空气与汽油的混合比也称空燃比。
  • 理想空燃比：值大概在 14.7∶1左右 (单位：kg)
  • 按体积比：大概为 9000∶1，就是说要燃烧1升的汽油，必须吸入9000升的空气。
    • 即，汽车每分钟要吸入3000～5000升的空气

提高进气量

  • 要想增强发动机的动力输出，让更多的汽油充分燃烧，就要加大进气量
  • 各种方法：增大发动机的排气量、采用进气歧管可变技术、采用气门可变技术、配备增压器等。
  • 可以说，现在的发动机技术，基本就是指怎样精确调节进气的技术
    • 使发动机顺畅呼吸，让燃油得到充分燃烧，从而提高动力，节省燃油，降低排放

7.4 进气歧管

进气歧管的位置

  • 进气歧管是指从空气滤清器到气缸进气道那段弯弯曲曲的管子
  • 为调节进气量，进气歧管可调节

可调节的进气歧管

  • 长度可变：
    • 根据需要 打开或关闭 进气歧管中的一些阀门，改变进气行程，从而调节 进气量和进气速率
  • 粗细可变：
    • 根据进气需求关闭副进气歧管，以改变进气歧管“粗细”。
  • 可变进气歧管长度示意图
  • 可变进气歧管发动机

7.5 排气歧管和排气管

排气歧管

  • 排气歧管是指从排气门出来的七扭八歪的那部分金属管。
  • 设计排气歧管时要遵循四项基本原则：
    • 1）排气歧管要尽可能长。
    • 2）各缸排气歧管要尽可能等长。
    • 3）各缸排气歧管要尽可能独立，互不干涉。
    • 4）排气歧管内表面要尽可能光滑
  • 发动机排气歧管图示

排气管

  • 排气管是指从排气歧管一直到车尾排气口的那部分金属管。
  • 排气管上的部件：氧传感器（2个）、三元催化转化器（1～2个）、消声器（1～2个），等

氧传感器

  • 氧传感器：测量排气中氧气含量的部件
    • 当排气中氧气含量高于或低于规定时（也就是空燃比偏离理想值时），氧传感器就会向发动机ECU报告
    • ECU就会根据情况自动调节喷油量。
  • 氧传感器与三元催化转化器的位置排布
    • 两个氧传感器，在三元催化转化器前后方各有一个
    • 前方氧传感器的作用：
      • 检测发动机不同工况的空燃比，同时ECU根据该信号调整喷油量和计算点火时间。
    • 后方氧传感器的作用：
      • 主要是检测三元催化转化器的工作好坏，即催化器的转化率。
      • 通过与前氧传感器数据的比较，来检测三元催化转化器是否工作正

发动机排气系统图示

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8.气门和气门正时

Valve and Valve Timing

8.1 气缸构造与气门示意图

  • 进气门与排气门
  • 气缸内部构造图

8.2 进气门比排气门大

气门开合结构

  • 气门由凸轮负责压开，气门弹簧负责关闭。
  • 气门构造及其辅助零件

进气门比排气门大的设计

  • 进气比排气更困难：
    • 进气是被“吸”进去的，而排气是被“推”出去的
  • 进气越多，燃烧得越好，发动机的性能也越好
  • 更有多一个进气门的设计：3气门（2进1排）和5气门（3进2排）

气门数不宜过多

  • 多气门发动机：具有高转速、高效率的优点
    • 由于气门较多，高转速时进排气效果较好，且火花塞放在中央可提高压缩比，因此发动机性能也较好。
  • 多气门设计的缺点：
    • 较复杂，气门驱动方式、燃烧室构造和火花塞位置都要精密安排
    • 制造成本高，工艺要求先进，维修也较困难
    • 效果并不是特别明显，或者说不太划算
    • 现在多采用更为流行的每缸4气门设计。

汽油发动机构造图

8.3 凸轮轴

凸轮轴原理

  • 功能：
    • 凸轮轴是一根可以不断旋转的金属杆，具有控制进气门和排气门开启和关闭的功能
  • 原理：
    • 在凸轮轴上，有数个圆盘形的凸轮。
    • 当凸轮轴旋转时，凸轮便会依序下压而使气门运动，使发动机产生四行程循环运动。
    • 同时，通过灵活控制凸轮轴的运行，还可调节气门的升程和正时，从而提高发动机的性能。

顶置凸轮轴

  • 顶置凸轮轴 OHC
    • 凸轮轴位于 气缸的顶部
    • Over Head Camshaft，简称OHC
  • 单顶置凸轮轴 SOHC
    • 在顶部只有 一根 凸轮轴 同时 负责进气门和排气门的开关的凸轮轴
    • Single Over Head Camshaft，简称SOHC
    • 一根凸轮轴为了控制分布在左右两边的进气门和排气门，必须使用 摇臂 间接地操纵气门的开启
    • 不能灵活地控制气门的开启，也对燃烧室的形状有影响
  • 双顶置凸轮轴 DOHC
    • 在顶部有 两根 凸轮轴 分别 负责进气门和排气门的开关，
    • Double Over Head Camshaft，简称DOHC
    • 增大了进气门面积，改善了燃烧室形状，提高了气门运动速度，非常适合高速汽车使用

凸轮轴示意图

  • 双顶置凸轮轴（DOHC）构造图
  • V12发动机双顶置凸轮轴（DOHC）构造图

8.4 发动机正时

发动机正时的必要性

  • 在进气、压缩、做功和排气四个行程中，曲轴要转两周，而进气门或排气门只动作一次。
  • 因此，凸轮轴的转速必须是曲轴转速的一半，才能上下合拍，也就是 达到正时。
  • 因此，凸轮轴齿（带）轮齿数是曲轴齿（带）轮齿数的两倍，以使它的转速慢下一半来。

正时示意图

  • 配气正时机构示意图
  • 奥迪V6发动机正时机构示意图

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9.可变气门技术

Variable Valve Technolog

9.1 可变气门技术的需求

为什么需要可变气门？

  • 发动机高转速时，需要吸入更多的空气（混合气）：
    • 改变升程：把气门提得更高些
    • 改变正时：延长气门的打开时间
  • 发动机低速时：
    • 降低气门的升程 或 缩短打开时间：
    • 少吸入混合气，从而节省燃料。
  • 可变气门的优点：
    • 使气门在低速时进排气少点，在高速时进排气多点
    • 从而使供给的燃料不浪费，也不亏欠，使燃烧更完全
    • 这对 动力、节油和排放 都有好处。

可变气门的实现原理

  • 气缸的进气量或排气量：
    • 主要取决于气门的升程和正时
  • 作用基本原理：
    • 控制气门的升程或正时，
    • 或对气门正时和升程同时进行控制

宝马V12发动机可变气门发动机

9.2 不同车型的可变气门实例

宝马的Valvetronic电子气门机构

  • 利用一个 步进电动机 来控制一个偏心轴
    • 以实现一个由转速到角度的转换，从而使偏心轴更精确地转动，
  • 再由它控制一个异形中间臂
    • 中间臂的运动轨迹同时受凸轮轴运动的影响，
    • 中间臂再带动进气门摇臂动作，可以实现对进气门的无级调节。
  • 当驾驶人踩加速踏板：
    • 步进电动机根据所收集的信号进行适当的运转，
    • 然后驱动偏心轴、异形中间臂、可变正时凸轮轴和气门摇臂
    • 对进气门的正时和升程进行无级调节
  • 宝马Valvetronic电子气门示意图
  • 宝马Valvetronic电子气门构造图

奥迪AVS可变气门

  • 气门的运动是由凸轮轴来控制的，而凸轮轴上的凸轮形状决定了气门工作的正时和升程。
  • 奥迪AVS可变气门机构：
    • 在凸轮轴上装备两级不同的凸轮，以实现对气门运动特性的调节
  • AVS的核心部件有两个：
    • 两组不同角度的凸轮，负责控制进气门的凸轮轴；
    • 负责改变升程的螺旋沟槽套筒
      • 螺旋沟槽套筒由电磁驱动器加以控制，以切换使用两组不同的凸轮，改变进气门的正时和升程。
  • 奥迪发动机可变气门构造图
  • 奥迪发动机可变气门AVS工作原理
    • 发动机高负载：
      • AVS将凸轮向右推动7毫米，使角度较大的凸轮得以推动气门顶杆。
      • 在此情况下，气门升程可达到11毫米，以提供燃烧室最佳的进气流量和进气流速，实现更加强劲的动力输出。
    • 发动机低负载：
      • 为了追求发动机的节油性能，AVS将凸轮推到左侧，以较小角度的凸轮推动气门顶杆。
      • 此时，气门升程可在2～5.7毫米间进行调整
    • 图示

本田VTEC可变气门

  • 本田的可变气门简称VTEC，在常规只有两个凸轮的地方设计了三个凸轮：
    • 一个高转角凸轮在中间；
    • 两个高度相同的低转角凸轮在两侧
  • 工作原理：关键是摇臂串联与否
    • 当发动机低速运转时（图A）：
      • 三个摇臂相互独立运动，其中高转角凸轮对应的摇臂悬空不工作，低转角凸轮正常工作，
      • 发动机的气门升程很小，进气量减小
    • 转速升高后：
      • 高转角凸轮的摇臂和低转角凸轮的摇臂“串”为一体（图C）
      • 低转角凸轮不起作用了，而是由高转角凸轮来带动摇臂控制气门升程。
      • 此时，气门升程也就自然而然地变大了，进气量增大。

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10.可变气缸

Variable Cylinder

10.1 可变气缸技术

  • 可变气缸技术（或称可变排量技术）：
    • 当日常使用的低负载时：关闭一部分气缸的工作，以减少燃油的消耗；
    • 当需要加速而深踩加速踏板时：自动开启更多或全部气缸开始工作，以提高动力输
  • 可变气缸技术一般用于：
    • 多气缸大排量的发动机，如V6、V8、W12等发动机。
  • 可变气缸技术的关闭气缸方法：
    • 基本采用 关闭气门 和 停止喷油 的方式来关闭气缸的

10.2 排气凸轮轴与可变气缸

  • 在进排气凸轮轴上安装一套 零行程 的凸轮
  • 当需要关闭部分气缸时：
    • 指挥步进电动机使凸轮轴左右移动，使部分气门处于零行程的工作状态，也就是停止工作，使对应的气缸也停止工作

10.3 奥迪气缸按需运行系统 COD

  • 奥迪气缸按需运行系统（Cylinder on Demand）
  • 当发动机冷却液处于30℃以上、变速器处于3档以上、车辆对转矩的需求处于发动机最大转矩的25%～40%时：
    • 会自动将发动机由 8气缸切换到4气缸 工作状态，相当于一台2.0升排量的V4发动机。
  • 该系统可以最大限度地改善8缸发动机在经济工况下的表现
  • 奥迪可变气缸发动机构造示意图：

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11.涡轮增压器

Turbocharger

11.1 涡轮增压的原理

增压器的作用

  • 配备增压器的根本原因：提高进气压力也可以让 发动机吸入更多空气
  • 同样体积下，密度越高，其氧气含量也越高。
  • 将进气压缩后再吸入气缸，可以大幅增大进气量，从而提高发动机的动力输出。

涡轮增压（Turbocharger）发动机

  • 是指利用排气冲击涡轮来压缩进气的增压发动机，简称Turbo或T。
  • 排气的冲击力：来自活塞上升时挤压燃烧废气的力量
    • 当燃烧废气被“挤出”气缸时，废气就会带有一定的冲击力
  • 如果在一些轿车尾部看到字母Turbo或T，就表明该车采用涡轮增压发动机
  • 大众汽车涡轮增压发动机构造图：
  • 奥迪2.5升直列5缸涡轮增压发动机：

涡轮增压的过程

  • 发动机排放出废气的能量：冲击装在排气系统中的涡轮，使之高速旋转
  • 高速旋转的涡轮：通过一根转轴带动进气涡轮以同样的速度高速旋转，使之压缩进气
  • 强制将增压后的进气压送入气缸。
  • 发动机功率与进气量成正比，因此可提高发动机功率。
  • 利用发动机排出的废气，整个过程基本不消耗发动机本身的动力
  • 涡轮增压发动机原理示意图：

涡轮增压的优缺点

  • 优点：
    • 涡轮增压拥有良好的加速持续性，即后劲十足
    • 最大转矩输出的转速范围宽广，转矩曲线平直。
  • 缺点：
    • 低速时由于涡轮不能及时介入，导致动力性稍差

中冷器

  • 气体的特性：
    • 当受到压缩时：随着密度增加，温度会上升，从而影响发动机的充气效率。
    • 如果想要进一步提高增压发动机的充气效率，就要降低进气温度。
  • 未经冷却的增压空气进入燃烧室，造成的负面影响：
    • 影响发动机的充气效率；
    • 导致发动机燃烧温度过高，造成爆燃等非正常燃烧；
    • 增加废气中氮氧化物的含量，加重排放污染。
  • 中冷器：作为散热器
    • 放置在通风良好的位置，吸收进气被压缩时产生的热量，从而降低进气温度
  • 有中冷器的涡轮增压器工作原理示意图：
    • 褐色：代表气体的温度较高，蓝色：代表气体的温度较低
    • 中冷器对压缩后的气体进行冷却，然后气体以常温、高压的形式进入发动机气缸

11.2 双涡管单涡轮增压器

宝马直列6缸3.0升发动机最先采用 “双涡管单涡轮增压” 技术

  • 把三个气缸分成一组，每组在排气歧管和涡轮增压器中都有单独的气道，
  • 当废气将要进入涡轮增压器时，两组废气合成一个涡管，共同吹动同一个涡轮旋转，驱动涡轮对进入气缸中的空气进行压缩。
  • 发动机原理示意图

双涡管单涡轮增压系统

  • 将发动机排气管道按点火时刻相邻气缸的排气管道分成两组，具有更强的脉冲增压，而且排气更为充分。
  • 相对于普通的涡轮增压发动机的优势：
    • 有效缓解低速时的迟滞性，使得发动机峰值转矩爆发得更早，燃油经济性更佳。

宝马直列4缸双涡管单涡轮发动机

  • 将点火时间相邻的两个气缸的排气歧管两两分开（1和4一组，2和3一组）
    • 这样当3缸完成做功进行排气时，1缸进入进气行程。
    • 由于1缸和3缸的排气歧管不相连，3缸的排气不会影响1缸的进气效果。
    • 其他缸工作时原理相同。
  • 点火相邻的两个缸的进排气不受干涉影响，可以提高各个气缸的进排气量，从而有效提高发动机的效率
  • 直列4缸双涡管单涡轮增压器构造示意图：

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12.机械增压器

Supercharge

12.1 机械增压的原理

原理

  • 通过 发动机曲轴 的动力带动一个 机械式的空气压缩机 旋转来压缩进气
    • 压缩机是通过两个转子的相对旋转来压缩进气的。
  • 机械增压会对 发动机输出的动力 造成一定程度的损耗
    • 因为需要通过曲轴转动的能量来压缩进气

原理图示

  • 机械增压发动机工作原理示意图：
  • 机械增压器构造图：

12.2 机械增压器的特性

优势

  • 发动机低 转速 时，其转矩输出就十分出色：
    • 由于机械增压器始终在“增压”
  • 整个发动机运转过程与自然吸气发动机极为相似，加速过程呈线性
    • 由于进气压缩量完全是 按照发动机转速线性上升 的
    • 因此没有涡轮增压发动机在涡轮介入那一刻的唐突，以及低速迟滞。

劣势

  • 高转速时，其作用就不太明显了
    • 因为高转速时机械增压器对发动机动力的损耗巨大

相关发动机构造图示

  • 奔驰机械增压发动机构造图
  • 带中冷器的机械增压发动机进气示意图

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END

posted @ 2023-11-15 15:27  anliux  阅读(498)  评论(0)  编辑  收藏  举报