第一節(jié) 發(fā)動機的分類和基本構(gòu)造  1. 分類  車用內(nèi)燃機（internal combustion engine），根據(jù)其將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的主要構(gòu)件的型式，可分為活塞式內(nèi)燃機和燃氣輪機兩大類。前者又可按活塞運動方式分為往復(fù)活塞式內(nèi)燃機（reciprocating engine）和旋轉(zhuǎn)活塞式內(nèi)燃機兩種。往復(fù)活塞式內(nèi)燃機在汽車上應(yīng)用最為廣泛,是本課研究的重點。汽車（automobile）發(fā)動機（主要指車用往復(fù)活塞式內(nèi)燃機）分類方法很多，按照不同的分類方法可以把汽車發(fā)動機分成不同的類型，下面是其分類情況。  (1) 按照所用燃料分類  內(nèi)燃機按照所使用燃料的不同可以分為汽油機（gasoline engine）和柴油機(diesel engine)(圖1-1)。使用汽油為燃料的內(nèi)燃機稱為汽油機；使用柴油機為燃料的內(nèi)燃機稱為柴油機。汽油機與柴油機比較各有特點；汽油機轉(zhuǎn)速高，質(zhì)量小，噪音小，起動容易，制造成本低；柴油機壓縮比大，熱效率高，經(jīng)濟性能和排放性能都比汽油機好。  
  (2) 按照行程(stroke)分類  內(nèi)燃機按照完成一個工作循環(huán)(operating cycle)所需的行程數(shù)可分為四行程內(nèi)燃機(four - stroke cycle engine)和二行程內(nèi)燃機(two - stroke cycle engine) (圖1-2 )。把曲軸轉(zhuǎn)兩圈(720°)，活塞在氣缸內(nèi)上下往復(fù)運動四個行程，完成一個工作循環(huán)的內(nèi)燃機稱為四行程內(nèi)燃機；而把曲軸轉(zhuǎn)一圈(360°)，活塞在氣缸內(nèi)上下往復(fù)運動兩個行程，完成一個工作循環(huán)的內(nèi)燃機稱為二行程內(nèi)燃機。汽車發(fā)動機廣泛使用四行程內(nèi)燃機。  
  (3) 按照冷卻方式分類  內(nèi)燃機按照冷卻方式不同可以分為水冷發(fā)動機　(liquid - cooled engine)　和風(fēng)冷發(fā)動機(air - cooled engine)(圖1-3)。水冷發(fā)動機是利用在氣缸體和氣缸蓋冷卻水套中進行循環(huán)的冷卻液(coolant)作為冷卻介質(zhì)進行冷卻的；而風(fēng)冷發(fā)動機是利用流動于氣缸體與氣缸蓋外表面散熱片(fins)之間的空氣作為冷卻介質(zhì)進行冷卻的。水冷發(fā)動機冷卻均勻，工作可靠，冷卻效果好，被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代車用發(fā)動機。  
  (4) 按照氣缸(cylinder)數(shù)目分類  內(nèi)燃機按照氣缸數(shù)目不同可以分為單缸發(fā)動機(single - cylinder engine)和多缸發(fā)動機(multi - cylinder engine )(圖1-4)。僅有一個氣缸的發(fā)動機稱為單缸發(fā)動機；有兩個以上氣缸的發(fā)動機稱為多缸發(fā)動機。 如雙缸、三缸、四缸、五缸、六缸、八缸、十二缸等都是多缸發(fā)動機。現(xiàn)代車用發(fā)動機多采用四缸、六缸、八缸發(fā)動機。  
  (5) 按照氣缸排列方式分類  內(nèi)燃機按照氣缸排列方式不同可以分為單列式和雙列式(圖1-5)。單列式發(fā)動機(inline engine)的各個氣缸排成一列，一般是垂直布置的，但為了降低高度，有時也把氣缸布置成傾斜的甚至水平的；雙列式發(fā)動機把氣缸排成兩列，兩列之間的夾角<180°(一般為90°)稱為V型發(fā)動機(V-type engine)，若兩列之間的夾角=180°稱為對置式發(fā)動機(opposed engine)。  
  (6) 按照進氣系統(tǒng)是否采用增壓方式分類  內(nèi)燃機按照進氣系統(tǒng)是否采用增壓方式可以分為自然吸氣(非增壓)式發(fā)動機[naturary aspirated engine(non - supercharged engine)]和強制進氣(增壓式)發(fā)動機(supercharged engine )(圖1-6)。汽油機常采用自然吸氣式；柴油機為了提高功率有采用增壓式的。  
  2. 基本構(gòu)造  發(fā)動機是一種由許多機構(gòu)和系統(tǒng)組成的復(fù)雜機器。無論是汽油機，還是柴油機；無論是四行程發(fā)動機，還是二行程發(fā)動機；無論是單缸發(fā)動機，還是多缸發(fā)動機。要完成能量轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)工作循環(huán)，保證長時間連續(xù)正常工作，都必須具備以下一些機構(gòu)和系統(tǒng)。  (1) 曲柄連桿機構(gòu) (圖1-7)  曲柄連桿機構(gòu)是發(fā)動機實現(xiàn)工作循環(huán)，完成能量轉(zhuǎn)換的主要運動零件。它由機體組、活塞連桿組和曲軸飛輪組等組成。在作功行程中，活塞承受燃氣壓力在氣缸內(nèi)作直線運動，通過連桿轉(zhuǎn)換成曲軸的旋轉(zhuǎn)運動，并從曲軸對外輸出動力。而在進氣、壓縮和排氣行程中，飛輪釋放能量又把曲軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成活塞的直線運動。  
  (2) 配氣機構(gòu)（圖1-8）  配氣機構(gòu)的功用是根據(jù)發(fā)動機的工作順序和工作過程，定時開啟和關(guān)閉進氣門和排氣門，使可燃混合氣或空氣進入。  氣缸,并使廢氣從氣缸內(nèi)排出,實現(xiàn)換氣過程。配氣機構(gòu)大多采用頂置氣門式配氣機構(gòu)，一般由氣門組、氣門傳動組和氣門驅(qū)動組組成。  
  (3) 燃料供給系統(tǒng)（fuel suppling system）（圖1-9）  汽油機燃料供給系的功用是根據(jù)發(fā)動機的要求，配制出一定數(shù)量和濃度的混合氣，供入氣缸，并將燃燒后的廢氣從氣缸內(nèi)排出到大氣中去；柴油機燃料供給系的功用是把柴油和空氣分別供入氣缸，在燃燒室內(nèi)形成混合氣并燃燒，最后將燃燒后的廢氣排出。  
  4) 潤滑系統(tǒng)(lubricating system)（圖1-10）  潤滑系的功用是向作相對運動的零件表面輸送定量的清潔潤滑油，以實現(xiàn)液體摩擦，減小摩擦阻力，減輕機件的磨損。并對零件表面進行清洗和冷卻。潤滑系通常由潤滑油道、機油泵、機油濾清器和一些閥門等組成。  
  (5) 冷卻系統(tǒng)(cooling system)（圖1-11）  冷卻系的功用是將受熱零件吸收的部分熱量及時散發(fā)出去，保證發(fā)動機在最適宜的溫度狀態(tài)下工作。水冷發(fā)動機的冷卻系通常由冷卻水套、水泵、風(fēng)扇、水箱、節(jié)溫器等組成。  
  (7) 點火系統(tǒng)(igniting system)（圖1-12）  在汽油機中，氣缸內(nèi)的可燃混合氣是靠電火花點燃的，為此在汽油機的氣缸蓋上裝有火花塞，火花塞頭部伸入燃燒室內(nèi)。能夠按時在火花塞電極間產(chǎn)生電火花的全部設(shè)備稱為點火系，點火系通常由蓄電池、發(fā)電機、分電器、點火線圈和火花塞等組成。  
  (8) 起動系統(tǒng)(starting system)（圖1-13）  
  要使發(fā)動機由靜止?fàn)顟B(tài)過渡到工作狀態(tài)，必須先用外力轉(zhuǎn)動發(fā)動機的曲軸，使活塞作往復(fù)運動，氣缸內(nèi)的可燃混合氣燃燒膨脹作功,推動活塞向下運動使曲軸旋轉(zhuǎn)。發(fā)動機才能自行運轉(zhuǎn),工作循環(huán)才能自動進行。因此，曲軸在外力作用下開始轉(zhuǎn)動到發(fā)動機開始自動地怠速運轉(zhuǎn)的全過程，稱為發(fā)動機的起動。完成起動過程所需的裝置，稱為發(fā)動機的起動系。  汽油機由以上兩大機構(gòu)和五大系統(tǒng)組成，即由曲柄連桿機構(gòu)，配氣機構(gòu)、燃料供給系、潤滑系、冷卻系、點火系和起動系組成；柴油機由以上兩大機構(gòu)和四大系統(tǒng)組成,即由曲柄連桿機構(gòu)、配氣機構(gòu)、燃料供給系、潤滑系、冷卻系和起動系組成，柴油機是壓燃的，不需要點火系。

 

第二節(jié) 發(fā)動機常用術(shù)語  如圖1-14所示:    活塞在氣缸里作往復(fù)直線運動時，當(dāng)活塞向上運動到最高位置，即活塞頂部距離曲軸旋轉(zhuǎn)中心最遠的極限位置，稱為上止點TDC(Top Dead Center)。  活塞在氣缸里作往復(fù)直線運動時，當(dāng)活塞向下運動到最低位置，即活塞頂部距離曲軸旋轉(zhuǎn)中心最近的極限位置，稱為下止點BDC(Bottom Dead Center)。  活塞從一個止點到另一個止點移動的距離，即上、下止點之間的距離稱為活塞行程。一般用Ｓ表示，對應(yīng)一個活塞行程，曲軸旋轉(zhuǎn)180°  曲軸旋轉(zhuǎn)中心到曲柄銷中心之間的距離稱為曲柄半徑，一般用R表示。通?；钊谐虨榍霃降膬杀叮?nbsp;S =2R 。  活塞從一個止點運動到另一個止點所掃過的容積，稱為氣缸工作容積。一般用Vh表示：  式中：D－氣缸直徑，單位mm；  S－活塞行程，單位mm；  活塞位于下止點時，其頂部與氣缸蓋之間的容積稱為氣缸總?cè)莘e。一般用Va表示，顯而易見，氣缸總?cè)莘e就是氣缸工作容積和燃燒室容積之和，即Va＝Vc＋Vh。  多缸發(fā)動機各氣缸工作容積的總和，稱為發(fā)動機排量。一般用VL表示：  式中：Vh－氣缸工作容積；  i － 氣缸數(shù)目。  壓縮比(compression ratio)是發(fā)動機中一個非常重要的概念，壓縮比表示了氣體的壓縮程度，它是氣體壓縮前的容積與氣體壓縮后的容積之比值，即氣缸總?cè)莘e與燃燒室容積之比稱為壓縮比。一般用ε表示。  式中：Va － 氣缸總?cè)莘e；  Vh － 氣缸工作容積；  Vc － 燃燒室容積；  通常汽油機的壓縮比為6～10，柴油機的壓縮比較高，一般為16～22。  每一個工作循環(huán)包括進氣、壓縮、作功和排氣過程，即完成進氣、壓縮、作功和排氣四個過程叫一個工作循環(huán)。

 

 

多圖詳解大眾1.4tsi發(fā)動機

 

　　一款1.4L排量小型化的發(fā)動機是如何與“渦輪增壓+機械增壓+缸內(nèi)直噴“技術(shù)協(xié)調(diào)運用的？下面我們以多圖來解讀一下這款大眾1.4TSI發(fā)動機的工作原理。

　　大眾1.4TSI發(fā)動機的數(shù)據(jù)非常簡單，它是大眾的一款1.4升汽油發(fā)動機，最大功率125kw，最大扭矩240Nm/1750rpm~4500rpm，搭載這款發(fā)動機的大眾高爾夫GT百公里綜合油耗僅為7.2升，在優(yōu)良路況中油耗甚至可降至5.9升?！?.4L的排量油耗低而輸出功率超過許多2.3L發(fā)動機。在國外，這類強力發(fā)動機通常是用在性能版車型上的，在提升性能的同時價格也不菲。在大眾，1.4TSI就被用在了強調(diào)操控性的高爾夫GT上。

　　

　　紅色的Golf在1.4TSI的驅(qū)動下，猶如紅色旋風(fēng)

　　把它“掏出來”看清楚點(下圖)——的確，它比普通發(fā)動機要復(fù)雜多了。

　　

　　從前后兩個方向看大眾1.4TSI發(fā)動機

　　為什么這款發(fā)動機會有這么復(fù)雜？因為這同它的功能有關(guān)。首先來看TSI的組成，T代表Turbo-charging(廢氣渦輪增壓)，S代表Super-charging(機械增壓)，I代表Fuel Stratified Injection(燃油分層直噴)?！耙宰畹偷挠秃墨@得最大的功率”是對TSI發(fā)動機優(yōu)點的準(zhǔn)確概括，TSI發(fā)動機將小型化技術(shù)與傳統(tǒng)的機械增壓技術(shù)和渦輪增壓技術(shù)巧妙組合，兼顧了低速時的扭矩輸出和高速時的功率輸出，解決了兩種技術(shù)各自的不足。

　　也就是說，TSI比普通發(fā)動機多了廢氣渦輪增壓和機械增壓這兩項配置，還包括燃油直噴的功能，所需的機件自然要多。其次，為了讓這些附加的裝置能夠正常地工作，還會有其他附屬零件的配置。這樣才能做到“1+1>2”，也難怪1.4TSI會比較復(fù)雜了。那么它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如何呢？它又是怎么工作的呢？

1.4TSI發(fā)動機幾大部件分解圖

　　增壓，顧名思義就是增加壓力。那么，它是增加哪里的壓力，有什么作用，又是怎么增壓的呢？

　　

　　1.4TSI上大名鼎鼎的廢氣渦輪增壓套件

　　渦輪增壓。渦輪增壓是目前全世界汽車廠商運用最為廣泛的發(fā)動機增壓技術(shù)，它可以利用發(fā)動機排出廢氣產(chǎn)生的能量，來大幅度提高發(fā)動機的動力輸出。其工作原理是，發(fā)動機排出的廢氣驅(qū)動廢氣渦輪高速旋轉(zhuǎn)，廢氣渦輪再帶動進氣渦輪以同樣的速度旋轉(zhuǎn)，以遠遠高于大氣的壓力將空氣壓縮到氣缸內(nèi)助燃。由于空氣的易壓縮性，因此在渦輪增壓下的進氣量要遠遠超過自然吸氣的進氣量，這樣就提高了引擎的功率輸出。

　　換句話說就是，發(fā)動機排出的熱廢氣是帶有能量的，渦輪增壓就相當(dāng)于廢物利用，重新收集了一部分廢熱，增加輸出功率。因此，要得到同樣的功率，有增壓的發(fā)動機就能做得更小，也就更輕，從而提高了操控降低了油耗。

　　但是，渦輪增壓有個先天的缺陷，就是渦輪遲滯，即發(fā)動機必須達到一定的轉(zhuǎn)速才能啟動渦輪，現(xiàn)在換用小渦輪后解決了一部分時滯問題。除此之外，渦輪增壓發(fā)動機的壓縮比通常還得降低，比如到6.5:1以下，來避免氣缸過熱。這樣做的結(jié)果就是在低速渦輪沒有介入的情況下，發(fā)動機輸出甚至還不如自然吸氣機型。另一個問題是達到渦輪介入的轉(zhuǎn)速后，增壓導(dǎo)致動力輸出陡增，破壞了動力的平穩(wěn)輸出和操控的準(zhǔn)確性。為了解決這些缺陷，汽車工業(yè)發(fā)展出了不少方法：使用帶旁通的渦輪增壓套件減小遲滯，采用中冷器提高壓縮比改善低轉(zhuǎn)速的動力輸出，采用新材料渦輪降低運動慣性，雙渦輪增壓以及機械增壓等。

　　

　　中冷器結(jié)構(gòu)圖及中冷器散熱片的組成示意圖

　　1.4TSI發(fā)動機是有中冷器的，即在渦輪增壓器和發(fā)動機之間引入了一個中冷器。這是因為發(fā)動機直接排出的廢氣溫度通常高達8、9百度，會造成渦輪本體、進氣溫度升高，加之壓縮空氣時做功，增壓壓縮進氣缸的氣體就有可能過熱而造成汽油預(yù)燃而發(fā)生爆震，影響動力輸出；同時，高溫也是引擎的隱形殺手。所以，增壓發(fā)動機通常會引入中冷器來降低進氣溫度。一般來說，使用中冷后能減小50～60度的進氣溫度（離開臨界值），可以適當(dāng)?shù)奶岣甙l(fā)動機壓縮比，改善低轉(zhuǎn)速時的動力輸出；同時由于冷空氣的密度大，所以在相同條件下，這種設(shè)計可以提高發(fā)動機的進氣密度，因此發(fā)動機工作效率更高。

　　機械增壓技術(shù)。機械增壓的歷史比較悠久，在上世紀60年代渦輪增壓技術(shù)出現(xiàn)以前，機械增壓是當(dāng)時發(fā)動機的主流增壓技術(shù)。機械增壓的壓縮機直接被發(fā)動機的曲軸帶動，它的優(yōu)點是響應(yīng)性好（完全沒有遲滯）。但是它本身需要消耗一部分能量，因此機械增壓不能產(chǎn)生特別強大的動力，尤其是在高轉(zhuǎn)速時，因為它會產(chǎn)生大量的摩擦，損失能量，從而影響到發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高。不過，機械增壓器在中低轉(zhuǎn)速時，對發(fā)動機的動力輸出有明顯改善，但峰值功率出現(xiàn)較早，發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速較低。另外，配置機械增壓的發(fā)動機可以在任何時候，都能輸出源源不斷的扭力，大大減小換擋頻率。

　　機械增壓在發(fā)動機中低轉(zhuǎn)速時效果好，而渦輪增壓則能在高速時起到很大的提升作用；因此，如果能夠把它們結(jié)合起來就能避免各自的不足，很自然地在寬范圍內(nèi)提供所需的動力了：

　　1.4TSI發(fā)動機工作示意圖

　　注：其中紅色是廢氣通道，藍色是進氣系統(tǒng)，機械增壓和渦輪增壓串聯(lián)

　　1.在低轉(zhuǎn)速時，由機械增壓提供大部分的增壓壓力，這些壓力也用來驅(qū)動渦輪增壓器，因此渦輪增壓器的啟動更平順，響應(yīng)速度更快。

　　2.在1500rpm時，兩個增壓器同時提供增壓壓力，其總增壓值達到2.5bar（如果渦輪增壓器單獨工作，只能產(chǎn)生1.3bar的增壓壓力）。隨著轉(zhuǎn)速的提高，渦輪增壓器能使發(fā)動機獲得更大的功率，與此同時，機械增壓器的增壓壓力逐漸降低。

　　3.在轉(zhuǎn)速超過3500rpm時，由渦輪增壓器提供所有的增壓壓力，此時機械增壓器在電磁離合器的作用下完全與發(fā)動機分離，防止消耗發(fā)動機功率。

　　

　　機械增壓及渦輪增壓的不同階段工作情況示意圖

　　為了讓駕駛者更為明白地掌握發(fā)動機所處工況，廠家還比較人性化地在儀表臺提供了一個Boost表，描述的是渦輪機即時增壓狀況。這樣，有沒有增壓，表針動沒動一目了然；表針越向右擺，表示此刻增壓比越高，非常直觀。

　　FSI燃油直噴技術(shù)。FSI直噴的噴油嘴共有6個噴油孔，其噴油壓力高達150bar！FSI即發(fā)動機利用一個高壓泵，使汽油通過一個分流軌道（共軌）到達電磁控制的高壓噴射氣門。它共有兩種運行方式，發(fā)動機按照負荷工況，自動進行選擇，以保證足夠的燃油經(jīng)濟性：

　　

　　汽油直噴示意圖

　　低負荷時的特點是在進氣道中已經(jīng)產(chǎn)生可變渦流，此時節(jié)氣門為半開狀態(tài)，空氣由進氣管進入汽缸撞在活塞頂部，由于活塞頂部制作成特殊的形狀從而在火花塞附近形成期望中的渦流。然后，進氣流形成最佳的渦流形態(tài)進入燃燒室內(nèi)，以由濃至稀的分層填充的方式推動，使混合氣體集中在位于燃燒室中央的火花塞周圍。因為稀燃技術(shù)的混合比達到25：1以上，按照常規(guī)是無法點燃的，所以最內(nèi)層要易于點火，混合比大概在12：1左右，然后一層一層地向外燃燒。這樣能夠節(jié)約燃料。而在高負荷中所進行的均質(zhì)理論空燃比（14.6-14.7）燃燒中，大量空氣高速進入汽缸形成較強渦流，燃油則是在進氣沖程中噴射。

　　應(yīng)用FSI技術(shù)要求提高壓縮比，而使用渦輪則要求降低壓縮比，這二者在配置了我們上面談到的中冷器后達到了平衡，即10:1。另外，F(xiàn)SI 發(fā)動機由于噴射器的加入導(dǎo)致了對設(shè)計和制造的要求都相當(dāng)?shù)母?，如果布置不合理、制造精度達不到要求導(dǎo)致剛度不足甚至漏氣只能得不償失。另外FSI發(fā)動機對燃油品質(zhì)的要求也比較高。但是，在應(yīng)用了“渦輪增壓＋機械增壓＋燃油直噴”技術(shù)之后，這款引擎發(fā)生了質(zhì)的變化。大眾是在EA 111的1.4 FSI發(fā)動機（1390cc, 66Kw/88Hp, 4缸4氣門）基礎(chǔ)上進行的雙增壓設(shè)計，而這款發(fā)動機（1.4TSI發(fā)動機）與我們所熟悉的POLO GP上的那個1.4 4v 55kw是一樣的不過動力輸出的確是天壤之別：前者是后者的一倍還要多

　　型號 1.4TSI 1.4FSI 1.4V

　　排量mm 1390 1390 1390

　　缸徑X沖程mm 75.6X76.5 76.5X75.6 76.5X75.6

　　壓縮比 10:1 10.5:1

　　最大功率Kw/rpm 125 66 55

　　最大扭矩Nm·rpm 240 150 135

　　從1.4TSI的工況圖上可以看到發(fā)動機轉(zhuǎn)速在1000轉(zhuǎn)時，輸出的扭矩就已經(jīng)高達176NM，要知道好多1.6或1.8甚至2.0的發(fā)動機的最大扭矩也就這個水平。低速大扭矩帶來大操控感受果然非同尋常，配置1.4TSI的Golf GT的0~100km/h加速時間小于8s。

　　1.4TSI的發(fā)動機工況圖

　　Golf GT裝載1.4TSI的參數(shù)：

　　最大車速：220kM/h

　　0--100kM/h : 7.9s

　　80--120kM/h: 8.0s

　　使用98#超級汽油時的油耗為：

　　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的綜合表現(xiàn)雖然很好，但正如前面所講，廠家推出1.4TSI幾乎就榨干了這臺發(fā)動機的所有潛力，其活塞連桿等恐怕再難承受更大的壓力了，要玩改裝可別選它了。