发动机地基本构造

从本章开始，准备介绍一下摩托车发动机的具体结构。

但是发动机和摩托车的性能密切
相关，如果不从摩托车整车来考虑，很难掌握好发动机的结构知识。

下面首先讲解一下发动
机的基本构造，这部分内容和一般汽车用发动机大体相同。

摩托车是一种精美的交通工具，高度重视乘坐时的各种细微感觉，而这一切都来源于各部分的技术水平，其中发动机的影响
尤其巨大。

发动机的基本构造
发动机的基本概念
产生动力的装置叫发动机。

我们日常接触最多的是汽油机。

此外还有许多其它种类的发
动机，如火箭发动机，原子发动机等等。

发动机这一术语最早来源于英语，正确的译意应是“产生动力的机械装置”。

但没有人把电动机叫做发动机。

一般来说，发动机通常定义为：
使用某种燃料产生动力的机械装置。

从燃料燃烧的角度，可以把发动机分为以下二大类。

其一为外燃机，这种发动机的特点
是燃料是在发动机外部燃烧，发动机利用其热能产生动力，蒸气机就是一种典型的外燃机，
火车曾广泛使用过蒸气机作为动力源。

另一种是内燃机，这种发动机的特点是燃料在发动机
内部燃烧，发动机利用其燃烧压力产生动力。

内燃机的种类也十分繁多，例如火箭发动机和喷气发动机。

这二种发动机，都是利用燃
料燃烧后产生的强大喷气来产生推力。

汽车和摩托车不能使用这种发动机，因为这种发动机
的动力不能直接传递给车轮。

当然有些汽车为了创造世界汽车车速新纪录，也装用过这种发
动机，但这总是极其特殊的例子。

此外，还有燃气轮机，这种发动机的工作特点是燃料在其
内部燃烧，燃气产生的压力推动燃气轮机的叶片旋转，从而输出动力。

燃气轮机使用范围很
广，但由于很难精细地调节输出的功率，所以汽车和摩托车很少使用燃气轮机，只有部分赛
车装用过燃气轮机。

人类在不断地发明各种各样的发动机，现在人们也在不断地研制各种新型发动机。

遗憾
的是，能在汽车和摩托车上应用的发动机十分有限。

特别是摩托车，由于各种条件的限制只
能装用往复式发动机。

往复式发动机
往复式发动机的重要零件有气缸、活塞和曲轴。

气缸呈圆筒形状，活塞在气缸内往复运
动，这和活塞泵极其相似。

实际上，往复式发动机也的确是从活塞泵演变过来的。

发动机工作时，使用一些机构把混合气吸进汽缸，然后采用某种方法点燃混合气，使混合气燃烧、膨
胀，利用燃气的压力推动活塞下行，通过连杆，把活塞的力传递给曲轴，并把活塞的往复力
转化成曲轴的旋转扭矩。

以上就是往复式发动机的工作原理。

往复式发动机尺寸紧凑、重量轻、输出的转速和功率容易控制。

其中特别是汽油机输出
功率高、尺寸小、重量轻，十分适用于摩托车。

此外，柴油机热能转换效率高，优点较多。

但由于柴油机排量功率低，转速控制较迟钝，所以摩托车不装用柴油机。

按工作循环分类，可将汽油机分为二冲程汽油机和四冲程汽油机，有关其具体工作原理
将在有关章节中进行介绍。

在汽车上，很少使用二冲程汽油机，所以在汽车发动机普及读物中，只介绍四冲程发动机。

摩托车则不同，摩托车大量采用二冲程汽油机，所以本书也将详
细地介绍一下二冲程汽油机。

转子发动机
转子发动机也是一种汽油机，但转子发动机不是往复发动机。

转子发动机的主要零件有
转子壳体、转子和偏心轴。

转子壳体断面成椭圆形状，三角形的转子在转子壳体内做旋转运动。

但转子并不是围绕固定轴心做旋转运动，所以转子的放置中心始终是变化的。

偏心轴的作用是给转子提供合理的旋转中心，使转子的三个尖角始终能与缸壁接触。

转子发动机工作
时，转子每转一周产生三次燃烧过程，同时在偏心轴上获得三次扭动扭矩。

转子发动机的工作原理比较复杂，只是通过例图和文字讲解很难理解，这一点我有深切的体会，接下来有机会见到实物之后才真正的弄懂了，在本书中也不想过多地介绍转子发动
机。

过去五十铃公司曾生产过转子发动机的摩托车，现在英国的诺顿摩托车仍然装用转子发
动机，松田公司在汽车上也采用了转子发动机，但从总的趋势来看，今后摩托车仍然不会广
泛地使用转子发动机。

在摩托车上为什么很少使用转子发动机呢？原因是转子发动机的转速控制迟钝，在这一点上，二冲程汽油机存在着同样的问题，但二冲程汽油机的情况和转子发动机又完全不同。

由于转子发动机生产厂家很少，这种发动机的改进工作很慢，技术进步迟缓，这直接影响了
转子发动机今后应用的前景。

我不是发动机的设计人员，但从我们日常接触的摩托车来看，根本见不到转子发动机的摩托车。

发动机和变速器的一体化结构
一般，人们常把发动机叫做动力装置，由于发动机是产生动力的装置，所以这种称呼完全正确。

特别是把摩托车的发动机叫做动力装置，更是恰当极了。

为什么这么说呢？原因也十分简单。

发动机本身是摩托车的动力源，为了使用发动机与摩托车的行驶条件相互匹配，必须装用变速器和离合器，以便改变发动机的转速和输出扭矩。

一般把变速器叫做一次减速装置。

为了减轻摩托车的重量，缩小摩托车的尺寸，往往把发动
机和其传动机构布置在一个壳体内，这就是发动机和变速器的组合结构。

由于发动机和传动机构一体化了，所以人们在谈论某某摩托车发动机的时候，多数也包括了一部分传动机构。

由于发动机和变速器一体化了，所以把摩托车发动机叫做动力装置是最恰当不过了。

当然，一体化的结构优点很多，它能使整个动力装置小型轻量化。

汽车大都采用独立结构的发动机和变速器。

因为汽车的变型车十分繁多，往往需要用一
种发动机和不同变速器匹配，装用在各种变型车上。

此外发动机研制的费用十分高昂，研制的霎时间也非常长。

所以能汽车发动机来说，当然应该采用独立结构的发动机了。

一般，汽车发动机曲轴和变速器纵向布置，这种结构十分简单明了。

但是从小型轻量化观点来看，汽车发动机和变速器的独立结构还是十分不利的。

摩托车则不同，摩托车本身就是一种小巧轻
量的交通工具，所以其小型轻量化工作十分有意义，在设计时应采取各种结构设计手段，努力使摩托车尽可能地小型轻量化。

在过去的摩托车上，发动机和变速器大都为独立式结构。

现在美国哈利戴维森摩托车也
还是如此，此外宝马公司的摩托车也是这样，即把变速器纵向布置在曲轴后端。

但随着技术的进步，在大多数摩托车上，发动机和变速器都一体化了。

发动机转速
发动机的转速单位是r/min，它表示在1分钟时间内曲轴转动多少次。

转速是发动机的
基本参数之一。

按使用条件分类，可将发动机分为固定式发动机和车用发动机。

使用发动机驱动发电机
组发电，这种发动机是典型的固定式发动机，固定式发动机工作时转速始终不变。

而车用发动机则不同，其工作期间转速时时刻刻都在变化着。

这一点十分重要，如果不能充分地理解
车用发动机的这个特点，就很难理解车用发动机的其它各项参数了，例如马力和扭矩等。

扭矩
马力和扭矩是发动机的重要参数，在各公司的产品目录上，都标明了各种发动机的最大
马力和扭矩。

下面首先介绍一下扭矩。

扭矩又叫转矩，是使轴旋转的力矩。

在日本，扭矩的常用单位是kg.m，国际标准单位
是N.m。

为了更好地理解扭矩的概念，下面举几个例子。

例如用扭力板手拧紧螺钉，，如果
扭扳手的长度为1m的话，在扭力扳手一端加上1kg的力，则螺钉的拧紧扭矩为Ikg.m。

如果扭手扳手的长度为0.5m的话，为了得到Ikg.m的扭矩，必须施加2kg的力。

反过来也是一样，如果驱动扭矩相同，距离旋转中心越远的位置，产生的力越小。

扭矩这一术语用于各种场合，在技术文件上常常可以看到一些规定，如“本螺钉的拧紧
扭矩应为XXkg.m ”。

在摩托车上，常使用扭矩来表示曲轴的驱动力矩大小，曲轴的扭矩是
摩托车驱动力的源泉。

在各种转速下，发动机产生的扭矩都各不一样。

在发动机运转过程中，发动机输出扭矩
和发动机的各个参数有关，如进气效率燃烧情况、排气效率、配气相位、化油器尺寸等。

而
这些参数大都与发动机的转速有关，所以发动机的扭矩和转速关系十分密切。

在摩托车转变时，许多技术熟练的摩托车骑手，都能利用身体感受到的发动机扭矩变化，巧妙回事并使摩托车后轮适当地打滑，从而减小摩托车的转弯半径。

在发动机实际运转过程中，使发动机转速变化能相应地引起扭矩的变化，并使输出的扭
矩值产生变化。

发动机型号不同，发动机扭矩和转速的相互关系也各不相同，一般常把扭矩和转速的关系叫做发动机的扭矩特性。

最大扭矩
在油门全开时，发动机能产生最大扭矩。

当然，在汽车和摩托车发动机油门全开时，发动机根本不可能保持某一固定转速。

例如
在油门全开加速时，发动机的转速将不断上升。

从整车来看，这相当于摩托车从正常行驶转为加速超车，当然，这时发动机的运转工况因具体条件而异，也不一定是从最大扭矩的转速开始加速。

在摩托车起步加速时，开始加速的转速将更低。

扭矩特性曲线大体可分为如下二大类，一种是平坦型，一种是陡峭型。

如果在很大的转
速范围内，发动机的扭矩变化不大，则这种发动机的扭矩特性比较平坦，最大扭矩值相对较低。

如果发动机最大扭矩的转速越高，与发动机最大功率点的转速越近，则这种发动机的功率转速范围就越窄，转速一旦下降，输出功率也随之而急剧下降，这种发动机的扭矩特性比
较陡峭。

当然，大量的发动机在各种转速都能获得很高的扭矩，排量越小的发动机扭矩越小，而且只能在进排气效率最高的转速条件下得到最大扭矩。

也就是说，小排量发动机的扭矩特
性比较第三，扭矩的转速特性比较陡峭。

和汽车发动机相比，摩托车发动机排量较小，低速扭矩偏小。

在小排量的条件下，为了
获得较大的马力，必须提高最大扭矩的转速，所以摩托车扭矩特性往往比较陡峭。

当然，尽管摩托车的低速扭矩较低，但由于摩托车重量很轻，所以其加速性能大部分十分优异。

当然，油门开度不同发动机的扭矩也不同。

在转速相同的条件下，油门开度越大，发动机的扭矩也越大。

实际上，油门开度变化之后，发动机的扭矩并不能立刻发生变化，二者之间总有一个时间差，这个时间差越大，说明该摩托车的油门响应性越差。

和汽车不同，摩托车是一种趣味性交通工具，所以对油门的响应性要求极高。

如果油门响应性过低，超过了人
们习惯的水平，就会感到摩托车操纵性极差。

对赛车来说，由于这是胜负的关键所在，所以要求更高。

从结构上来看，曲轴的扭矩不能直接驱动后轮，还必须通过齿轮减速才能驱动后轮。

如果减速比为2的话，那么后轮得到的驱动扭矩就相应增加一倍。

有关这部分内容请参见变速器的有关内容。

功率
功率是发动机的一个重要参数。

许多人可能并不了解这个词的含意，但在日常生活中都经常碰到这个术语。

功率表示了发动机单位时间做功能力的大小，即功率越大，发动机单位
时间所做的功越多，反之亦然。

在摩托车行驶过程中，驾驶者拧动油门手柄，通过油门拉线控制化湍器的节气阀开度，从而控制了进入气缸的混合气量，结果使驱动摩托车前进的扭矩发生变化。

但，只用扭矩一
个参数来评价发动机的性能是不够的。

这个原因也十分简单，因为扭矩的概念是属于力的范
围，由于扭矩使摩托车产生驱动力，驱使摩托车，在摩托车前进过程中，还会产生以下若干
术语，即摩托车移动的距离、时间、速度等。

从表面上看，扭矩的单位和物理书的“功”的单位相同，但二者是十个完全不同的概念，请务必予以充分注意。

对于直线运动的摩托车来说，其功率和驱动力、移动距离及时间有关，对于转动的发动机来说，其功率和扭矩及转速有关。

当把1kg重的物体举起1m高时，对该物体所做的功为Ikg.m。

功的概念和时间无关，例如无论是用1秒还是用1小时完成上述工作，二者所做的功都是相同的。

对于摩托车来说，如果用一个月时间登上某个坡道也没关系的话，那么只用扭矩一个参数就能充分表示摩
托车的性能。

实际上当然不是这么一回事儿，因为同时也应表示摩托车的速度和加速性，所以必须使用功率这一术语。

最早提出功率概念的是英国人瓦特，他因发明了蒸气机而享有盛名。

在使用蒸气机排出
煤矿坑道中的积水时，他在马的动力为标准提出了功率的单位——马力，即在1秒的时间内，把550磅的水提高1尺所消耗的功率为1马力。

这是英制马力，其代号为Hp.
目前，世界通用的功率单位是千瓦。

但在日本仍然使用法制马力，所以本书也采用法制
马力单位。

法制马力单位使用范围较广，其代号为ps。

标准规定1ps = 75kg.m/s，即在1
秒的时间内，把75公斤的重物提高1米所消耗的功率为1马力。

同样可使用下式，用扭矩和转速来计算发动机的功率，马力（ps ）=扭矩（kg.m ）x转速（r/min）/716 。

下面再详细
地介绍一下马力和扭矩的关系，以供诸位参考。

在教科书上，大都使用M来代表扭矩，用r代表作用力的作用距离，用F代表使物体转动的作用力。

当作用力推动物体转动一周时，受力点的移动距离为2冗r,则作用力所做的
功为2 n F。

如果在作用力的作用下，物体的转速为N，则该物体每秒的转速应为N/60。

使用作用力所做的功乘以转速就是功率，为了得到马力，该结果还应除以75。

即马力（ps ）= 2 n rF X N/ （75 X60）
考虑到扭矩为M = r X F
则马力（ps ）= 2 冗MN/ （75 X60 ）= MN/716
由上式可知，发动机的功率和扭矩及转速成正比。

假设有一台摩托车，其发动机的扭矩为5kg.m，转速为5000r/min ，通过变速器减速
之后驱动摩托车后轮旋转。

如果减速比为5的话，则后轮的转速为1000r/min ，同时后轮
的驱动扭矩也扩大五倍，变为25kg.m 。

设该发动机的扭矩仍为5kg.m，而转速升高为10000r/min ，则后轮的转速相应地变为2000r/mi n ，而驱动扭矩不变。

其结果使摩托车的车速增加了一倍。

假设该摩托车的减速比为 2.5，这时只要发动机转速为5000r/min ，后轮的转速就能达
到2000r/min ，摩托车也能高速行驶。

但由于此时后轮的驱动扭矩减小了一半，当摩托车的行驶阻力过大时，将使发动机的转速下降，摩托车不能达到所要求的车速。

为什么会出现
这种现象呢，因为这二种情况下的发动机功率不同。

5000r/min 的发动机功率为35ps，10000r/min 的发动机功率为70ps。

上面讲的都是极端简化的例子，但它所指出的原则十分重要。

总之，为了提高摩托车的
加速性，为了获得更高的车速，必须采用大功率的发动机。

为了提高发动机的功率，只有二
个途径，即提高发动机的扭矩和转速。

在摩托车行驶过程中，发动机并不能一直在最大功率点的转速上工作。

例如摩托车处于
某一变速档位，在发动机油门全开加速时，发动机转速急速上升，其变化幅度往往达到2000r/min 或4000r/min 。

转速的变化幅度越小，说明该摩托车的加速性不好，摩托车速度不能提高。

上面讲解了功率对发动机加速性的影响。

除此之外，由于发动机的功率和转速
有关，这就是常说的功率特性曲线（实际上也就是扭矩特性曲线），所以即使是二台最大功
率相同的发动机，由于二者的功率特性曲线不同，这二台发动机的加速性也会大不一样。

当然，如果发动机过分地追求大功率，必然强调高转速的扭矩，从而使低转速的扭矩变小，并
使大扭矩的转速范围变窄，在小排量的摩托车发动机上，这种倾向十分明显。

如上所述，对
于摩托车的加速性来说，最大功率固然重要，功率特性曲线的走势也十分重要。

最大功率
最大功率又叫发动机的额定功率。

在油门全开的条件下，随着转速的变化，实测的扭矩
值也在不断地变化。

和最大扭矩的转速相比，最大功率的转速要高得多。

因为随着转速的提高，扭矩虽然有所下降，但转速高得多，所以功率仍然比扭矩点的功率高。

一般，最大功率的转速比最大扭矩的转速越高，说明该发动机的扭矩特性曲线越平坦，扭矩随转速的提高下
降得较慢。

当然，排量越大的发动机，其最大功率也越高。

在日本为了减少交通事故，各摩托车生产厂家都对发动机的最大功率和升功率主动进行限制，具体限制规定如下。

例如不论发动机排量多大，摩托车发动机的最大功率均不得超过97马力。

一般将运动摩托车分为二档，过去规定250摩托车最大功率的上限为45马力，
现在降为40马力，过去规定400摩托车最大功率的上限为59马力，现在降为53马力。

由上述限制规定的变化，可以清楚地看到摩托车生产厂家承受的社会压力。

从摩托车爱好者角度来看，大都认为摩托车功率大小和危险性无关。

但从厂家，为了减
少交通事故必须降低最大功率。

就目前的技术水平而论，250ml的二冲程发动机很容易达
到70马力，但由于限制规定只能降为40马力，不得不说是一件极为遗憾的事。

在上述最
大功率的限制下，各生产厂家开始研制新的车型，以满足人们对摩托车的各种休闲要求。

实际上，在驾驶摩托车时很少使用最大马力，而且只是高车速也不能使人产生多大的乐趣。

升功率
升功率是表征发动机强化程序的一个重要指标，它等于发动机最大功率除以排量。

例如
有一台500ml排量的发动机，最大功率为100ps，则该发动机的升功率为200ps/l。

又如
有一台1000ml排量的发动机，最大功率也为100ps，则该发动机的升功率为100ps/l 。

二者相比较，明显是升功率大的发动机性能高。

为了提高发动机的动力性能，必须提高发动机的升功率。

一般来说，摩托车的升功率明显高于汽车，摩托车的升功率很少有低于100ps/l的。

例如250摩托车的功率上限为40ps，其升功率高达160ps/l。

赛车的升功率更高，某些500赛车的升功率竟接近400ps/l。

一般，无增压的汽车发动机升功率都比较低，大都不到
100ps/l。

所以会产生这样大的差异，主要是由于摩托车十分重视体育比赛的运动性。

此外摩托车发动机排量较小，容易提高动力性也是重要原因之一。

提高功率
高速大功率发动机
发动机扭矩相同时，转速愈高发动机功率愈大。

发动机的高速化有利于提高发动机的功
率，这种发动机叫高速大功率发动机。

在一定的排量条件下，为了提高发动机的功率，必须尽可能地提高发动机的转速，同时
相应地提高发动机的扭矩。

但从进气效率，燃烧过程来看，提高发动机热效率有一个不可逾越的界限。

而且随着转速的提高，发动机的磨擦损失也要大幅度地提高。

以前，由于技术水平所限，一些转
速并不很高的发动机往往也有许多问题，使其中低速性能大幅度下降。

装用这种发动机的车辆在公路上表现十分不好，不仅容易出现故障，而且车速也较低。

最近，技术进步十分迅速，例如某四冲程4缸250的汽油机，其最大功率转速高达
15000r/mi n ，而且在19000r/mi n 时，也运转得十分平稳。

该发动机中低速性能也十分良
好，可以从2000r/min 圆滑地加速到高转速。

从汽车的角度来看这简直是一台神乎其神的
发动机。

如果能自制一台这样的发动机，想来真是十分令人神往。

磨擦损失
如果能降低发动机的磨擦损失，也就能相应地提高发动机的功率。

对于某一特定发动机
来说，只要用心，降低 2 -3ps的磨擦损失是很容易的。

磨擦损失小的发动机优点很多，不
但能提高功率，降低油耗，而且能提高发动机的油门响应性，提高油门精细控制发动机的能力。

为此，必须采取各种结构设计手段，努力降低磨擦损失，此外，也必须选择合适材料，不断地提高加工精度。

摩托车功率比较小，略有改善对整车性能影响很大，所以从古至今，大都把减小磨擦损失作为一个重要课题进行研究。

功率区域
功率区域是摩托车爱好者经常使用的一个术语，它的概念十分含糊不清，一般是指功率
较大的区域。

在怠速时发动机功率很低，当发动机转速过高时，功率又将下降，只有在中高
转速时，摩托车的功率才比较大，驾驶者才感到发动机有劲。

所以功率区域大都是指这一区域，在这一区域内，摩托车可以在道路上高速行驶，车辆的加速性能也十分好。

大功率区域
大功率区域，基本是指发动机的额定转速附近，但其上限和下限转速范围并不十分明确。

其上限转速实际是发动机的超速区域，在此区域内，发动机的功率开始明显下降。

在汽车上，人们往往使用低速、中速、高速等一系列概念，这些概念也是界限十分含混
不清的。

而且发动机不同，各区域界限差别很大。

例如，对于额定转速6000r/mi n 的发动机来说，5000r/mi n 附近应为高速，1500r/mi n 应为低速。

如上所述，这些概念往往因人而异，到底哪个转速属于哪个区域实在令人莫衷一是。

此
外，许多摩托车骑手在交谈时，往往用这些概念表达自己的身心感受，其差异恐怕更大了，而且摩托车各类不同，其感觉的差异完全没有可比性。

油门的响应性必须符合人的感觉
响应性
摩托车的响应性包括各个方面。

对发动机来说，大都是指发动机转速是否跟上油门的变
化，这就是发动机的油门响应性。

摩托车骑手挑选摩托车时，十分重视摩托车的响应性，这
一性能比功率还重要。

在摩托车骑手用右手加大油门时，希望后轮能跟右手动作共同变化，这样才能使车随人
意。

为了提高车辆的响应性，首先需要骑手具有较高的技巧，能摸透摩托车各部的性能。

此外，摩托车的结构设计也十分重要，例如气缸内的燃烧状态，曲轴平衡重的大小和重量，化油器的性能等等。

最后，摩托车的响应性也和轮胎的地面附着力有关，和传动系以有前后悬挂有关。

除了发动机之外，方向把的响应性也是一个重要参数。

动态特性
在各部状态变化时，车辆的瞬态过渡特性叫摩托车的动态特性。

例如，当骑手拧动油门手柄不断加大供油量时，发动机的转速不断上升，从而改变了发
动机的扭矩和马力。

当然，骑手并不是按着理论计算去加大油门的，而是随心所欲地进行操作。

在这个过程中，发动机的运转状态不断地处于动态变化之中。

当油门一定时，改变摩托车的行驶阻力，可以获得各种转速变化。

这也是一种非稳定运转工况。

以上是发动机的动态特性。

此外，方向把的动态特性也十分重要。