自然辩证法

汽车发动机主要技术
回顾
摘要：回顾了汽车发动机自诞生以来一百多年历史进程中的主要技术，包括柴油发动机的发明、车用增压器的使用、电子计算机控制的汽油喷射系统的应用、可变气门正时技术以及直喷汽油发动机的诞生。

介绍了这五种技术的优点、功用和对汽车过去与未来发展的贡献作用。

关键词：汽车发动机、柴油机、增压器、电控喷油、可变气门正时、直喷汽油发动机
The main technical automotive engine
Review
Abstract: Recalling the car engine since a hundred years since the birth of the historical process of the main technologies, including the invention of the diesel engine, the car's supercharged with the use, application, computer-controlled variable valve fuel injection system timing technology as well as straight spray born gasoline engine. Describes the advantages of these five techniques, function and role of the car in the past and future contributions to the development.
Key words: automobile engines, diesel engines, turbocharger, electronically controlled fuel injection, variable valve timing, direct injection gasoline engine
发动机，作为汽车的心脏，是汽车上最重要、最核心的部件，已经伴随汽车工业走过了100多年的发展历程，真正意义上的第一台汽车发动机早在1876年，由德国人奥托(Nicolaus A.Otto）发明并投入使用，这台发动机由于开创性的采用了进气、压缩、做功和排气四个冲程，发动机的热效率从大气压力式发动机的11%提高到14%，而发动机的质量却降低了70%。

此后，往复活塞式四冲程发动机在汽车上得到广泛应用，发动机技术每一次大的创新与突破都给汽车工业乃至整个机械工业的发展带来重大机遇，使汽车工业产生出勃勃生机并成为许多国家的支柱性产业，而且在寻常百姓家的普及给人类带来巨大的便利。

本文整理出对汽车发展过程中有巨大影响的五个重大技术成果，这些技术创新后来使汽车发动机的发展出现大的转折与进步。

（一）柴油机：
1892年，年德国工程师鲁道夫·狄塞尔（Rudolf Diesel）发明了压燃式发动机（即柴油机），实现了内燃机历史上的第二次重大突破。

由于采用高压缩比和膨胀比，热效率比当时其他发动机提高了1 倍。

尽管柴油机由于存在种种缺陷，使得狄塞尔在有生之年都没能看到自己的发明大规模装载在汽车上，但后来者在柴油机上做出的各种改进最终使柴油机有了今天的巨大成功，为了纪念狄塞尔，人们把柴油发动机命名为Diesel。

相对于汽油机,柴油机有较高的压缩比,热效率高30%，节约能源、降低燃料成本；转矩高，功率大，寿命长，动力性能好；它排放产生的温室效应比汽油低45%；一氧化碳与碳氢排放也较低；柴油的冶炼比汽油节能。

通常，柴油发动机与汽油发动机相比热效率高30%，因而从节约能源、降低燃料成本角度上讲，柴油发动机轿车的推广使用具有重大意义。

柴油发动机与汽油发动机相比具有功率大，寿命长，动力性能好的特点，它排放产生的温室效应比汽油低45%，一氧化碳与碳氢排放也低，在整车的使用寿命期氮氧化合物排放略大于汽油机。

柴油机的不足之处是有害颗粒物排放大。

近年来，柴油发动机采用涡轮增压、中冷、直喷、尾气催化转换和颗粒捕集器等先进技术，柴油发动机汽车的排放已达到欧III、欧IV排放标准。

在欧洲，柴油轿车比较普及，随着环保与节能可持续发展的严格要求，今后汽车，特别是柴油小轿车将是一个发
展趋势。

目前我国一汽大众已经开发出捷达、宝来柴油轿车，并已在国内部分城市上市。

在美国、日本以及欧洲100%的重型汽车使用柴油机作为动力。

在欧洲90%的商用车及33%的轿车使用柴油车作为动力。

在美国90%的商用车为柴油车。

在日本38%的商用车为柴油车9.2%的轿车为柴油车。

经过多年的研究和大量新技术的应用柴油机最大的问题烟度和噪声取得了重大突破达到了汽油机的水平。

据专家预测在今后20年甚至更长的时间内柴油机将成为世界车用动力的主流。

（二）增压器：
1926年，瑞士人布希（A.Buchi）提出了废弃涡轮增压理论，利用发动机排出的废气能量来驱动压气机，给发动机增压。

当时主要应用于飞机发动机和坦克发动机，直到1961年美国通用汽车公司才将涡轮增压器试探性的装在其生产的某种车型上。

20世纪70年代成为了涡轮增压器的一个转折点，装配增压发动机的保时捷911问世。

但让涡轮增压技术焕发青春的非瑞典SAAB萨博公司莫属，它于1977年推出的SAAB99车型将涡轮增压技术传播的更广泛，但那时的涡轮增压器仅限于装配在小车的汽油发动机上面。

一直到80年代中期，欧美的卡车制造商才将涡轮增压技术应用在各自的柴油发动机上面，而国产车是在这10年才开始逐渐流行带涡轮增压器车型的。

涡轮增压的主要作用就是提高发动机进气量，从而提高发动机的功率和扭矩，让车子更有劲。

一台发动机装上涡轮增压器后，其最大功率与未装增压器的时候相比可以增加40%甚至更高。

废气涡轮增压技术开始在车用内燃机上逐渐得到应用，使发动机性能有很大提高，成为内燃机发展史上的第三次重大突破。

国外从60年代在车用大排量的柴油机上大量采用增压器，70年代后期，增压发动机的功率覆盖范围的下限不断向小排量和小功率延伸。

80年代，涡轮增压技术在汽车上的应用领域稳步扩大，增压器在设计、制造和材料上得到了长足的发展。

90年代以后，增压器的各项性能指标和可靠性指标均有较大的提高，二级增压、可变截面涡轮增压系统（VGT）、废气放气阀系列、顺序增压系统、充量转换系统、旁通补燃系统（Hyperbar）增压系统、动力涡轮以及谐振复合增压系统等多种新型增压系统逐渐出现，技术和工艺逐步完善。

目前国外重型柴油机几乎全
部配套增压器，小型柴油机60%以上都有增压器匹配，汽油机也逐渐有30%～40%的机型匹配增压器。

(三)电控喷油：
1967年德国博世（Bosch）公司首次推出由电子计算机控制的汽油喷射系统（ElectronicFuel Injection，EFI），开创了电控技术在汽车发动机上应用的历史。

经过30年的发展，以电子计算机为核心的发动机管理系统(Engine Management System，EMS）已逐渐成为汽车、特别是轿车发动机上的标准配置。

由于电控技术的应用，发动机的污染物排放、噪声和燃油消耗大幅度地降低，改善了动力性能，成为内燃机发展史上第四次重大突破。

而后又发展出了电控泵喷嘴技术和高压共轨喷射技术，后两种技术是现在最主要的柴油机电控喷射技术。

其中，电控泵喷嘴技术的喷油压力非常高，可以达到2050bar，并且泵和喷嘴装在一起，所以只需要很短的高压油引导部分，泵喷嘴系统也可以实现很小的预喷量，其喷油特性是三角形的，并采用了分段式预喷射，这是很符合发动机的要求(大众公司的
T D I发动机就是使用这种技术)。

但电控泵喷嘴技术的喷油压力受发动机转速影响，使用蓄压系统的高压共轨技术可以解决这个问题，但它的喷油压力低于泵喷嘴系统，能达到1600bar，有些公司看中了它对任意缸数的发动机喷油压力调节很宽泛的特点，对其大加采用(最早使用高压共轨的轿车是阿尔法罗密欧C级别车)。

共轨式电控燃油喷射技术通过共轨直接或间接地形成恒定的高压燃油，分送到每个喷油器，并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合，定时、定量地控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量，从而保证柴油机达到最佳的燃烧比和良好的雾化，以及最佳的点火时间、足够的点火能量和最少的污染排放。

共轨式燃油喷射技术有助于减少柴油机的尾气排放量，以及改善噪声、燃油消耗等方面的综合性能；它在有利于地球环境保护的同时，也必将促进柴油机工业、汽车工业及与之相关工业的发展。

（四）可变气门正时：
近几十年来，基于提高汽车发动机动力性、经济性和降低排污的要求，许多国家和发动机厂商、科研机构投入了大量的人力、物力进行新技术的研究与开发。

目前，这些新技术和新方法，有的已在内燃机上得到应用，有些正处于发展和完善阶段，有可能成为未来内燃机技术的发展方向。

发动机可变气门正时技术(VVT, Variable Valve Timing)是近些年来被逐渐应用于现代轿车上的新技术中的一种，发动机采用可变气门正时技术可以提高进气充量，使充量系数增加，发动机的扭矩和功率可以得到进一步的提高。

日本本田汽车公司在1989年推出了其自行研发的“VTEC”技术，英文全称“Variable Valve Timing and Valve Life Electronic Control System”，即“可变气门配气相位和气门升程电子控制系统”，是世界上第一个能同时控制气门开闭时间及升程的气门控制系统。

与普通4气门发动机相比，VTEC发动机同样是采用每缸4气门（2进2排），但却有着自己鲜明的特点，即它并未采用惯用的双凸轮轴结构，而是仍然采用了单凸轮结构，但在采用VTEC系统后，使得单凸轮轴原本简单的结构变得较为复杂。

虽然同样是采用凸轮轴和摇臂等元件，但凸轮与摇臂的数目及控制方法却较其他发动机有很大不同。

除了原有控制2个气门的一对凸轮和和一对摇臂外，该系统增加了一个较高的中间凸轮及相应的摇臂，3个摇臂内部装有由液压控制移动的小活塞。

发动机低速时，小活塞在原位置上3个摇臂分离，2个凸轮分别推动相应的2个摇臂，控制2个进气门的开闭，气门升程较小。

虽然中间凸轮也推动中间摇臂，但由于摇臂之间已分离，其它2个摇臂不受它的控制，所以不会影响气门的开闭状态。

但当发动机达到某一设定的高转速时，发动机电脑会指令电磁阀启动液压系统，推动摇臂内的小活塞，使3个摇臂连成一体，一起由中间凸轮驱动。

由于中间凸轮比其它凸轮高，升程大，所以进气门开启时间延长，升程随之增大。

当发动机转速降低到某一设定的低转速时，摇臂内的液压也随之降低，活塞在回位弹簧作用下退回原位，3个摇臂分开。

整个VTEC系统由发动机电脑控制，发动机电脑接收转速、进气压力、车速及冷却液温度等信息并进行处理，输出相应的控制信号，通过电磁阀调节摇臂活塞液压系统，从而使发动机在不同的转速工况下由不同的凸轮控制，改变进气门的开度和时间。

（五）直喷式汽油发动机：
FSI发动机，就是“缸内直喷发动机”，“直喷式汽油发动机”。

它最大地优化了进气混合效率，使高效节油和大功率输出不再矛盾。

奥迪FSI增加了火
花塞点燃式发动机的扭矩和输出，同时增加了15%的经济性，为降低排放奠定了基础。

与常规的点燃式发动机相比，FSI可将燃油直接喷入燃烧室，不再需要节气门，降低了发动机的热损失，从而增大了输出功率并降低了燃油消耗。

具体的说：FSI是Fuel Stratified Injection的字母简写，中文意思是燃料分层喷射技术，它代表着今后引擎的一个发展方向。

分层注油和均匀注油模式。

在发动机低速或中速运转时采用分层注油模式，此时节气门为半开状态，空气由进气管进入汽缸撞在活塞顶部，由于活塞顶部制作成特殊的形状从而在火花塞附近形成期望中的涡流。

当压缩过程接近尾声时，少量的燃油由喷射器喷出，形成可燃气体。

这种分层注油方式可充分提高发动机的经济性，因为在转速较低、负荷较小时除了火花塞周围需要形成浓度较高的油气混合物外，燃烧室的其它地方只需空气含量较高的混合气即可，而FSI使其与理想状态非常接近。

当节气门完全开启，发动机高速运转时，大量空气高速进入汽缸形成较强涡流并与汽油均匀混合。

从而促进燃油充分燃烧，提高发动机的动力输出。

电脑不断的根据发动机的工作状况改变注油模式，始终保持最适宜的供油方式。

燃油的充分利用不仅提高了燃油的利用效率和发动机的输出而且改善了排放。

FSI直喷发动机既然有如此多的技术优势，相应的其对发动机硬件或者油品的要求必然也很高。

首先，它的喷油器安装在燃烧室上的，汽油直接喷注到汽缸当中去，油路必须具备比缸内更高的压力才能把汽油有效的喷注到汽缸当中去。

燃油管道内的压力提高以后，管道的各个接头的密封处的强度也要随之提高。

这样，对喷油器的设计和制造工艺也提出了更高的要求。

而且由于喷油器是直接安装在燃烧室上的，那么必须需要喷油器有耐高温的能力。

其次，FSI直喷发动机的压缩比很高，达到了惊人的11.5，在这种情况下对油的标号和油质要求就很严格。

就目前中国的情况来说，必须使用98号的高清洁度汽油。

参考文献
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