发动机的研究

内燃发动机是汽车的心脏，为汽车的行走提供动力。简单讲发动机就是一个能量转换装置，即将汽油(柴油)或天然气的热能，通过在密封汽缸内燃烧气体体积膨胀，推动活塞作功，转变为机械能。这是发动机最基本原理。

内燃发动机的历史

1876年，德国人奥托设计并制造出第一台以煤气为燃料的火花点火式四冲程内燃机，在1878年的巴黎万国博览会上受到极高的评价。这种发动机体积小，重量轻，消耗的煤气少，每分钟可达200转。此后，越来越多的工厂都采用内燃机代替蒸汽机。1885年，德国机械工程师卡尔·本茨制成第一台用内燃机驱动的汽车。1897年，德国工程师狄塞尔制成柴油机，柴油机的输出功率大，可以用在船舶、火车机车和载重汽车上。1903年，美国人莱特兄弟在美国用自己制造的双翼飞机，进行了世界上首次带动力的飞行，预示着交通运输新时代的到来。此后，汽车发动机又不断得到改进，使用了废气涡轮加压技术，电子汽油喷射系统，副燃烧室的加入，以及混合动力的使用。这一切都表明，汽车内燃机正向着高效率低能耗的方向发展。

发动机的构造及工作原理

总体构造

由于发动机的工作原理相似，基本结构也就大同小异。汽油发动机通常是两大机构五大系统组成，柴油发动机通常是由两大机构四大系统组成（无点火系）。

发动机总成

曲柄连杆机构——实现热能转换的核心，也是发动机的装配基础。

配气机构——保证气缸适时换气。

燃料系——控制每循环投入气缸燃油的数量，以调节发动机的输出功率和转速

润滑系——减少摩擦力，延长发动机的使用寿命。

点火系——适时地向汽油发动机提供电火花（柴油发动机无点火系）

起动系——使曲轴旋转完成发动机起动过程。

冷却系——控制发动机的正常工作温度。

四冲程汽油机工作原理

汽油机是将空气与汽油以一定的比例混合成良好的混合气，在吸气冲程被吸入汽缸，混合气经压缩点火燃烧而产生热能，高温高压的气体作用于活塞顶部，推动活塞作往复直线运动，通过连杆、曲轴飞轮结构对外输出机械能。四冲程汽油机在进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程内完成一个工作循环。

(1) 吸气冲程

活塞在曲轴的带动下由上止点移至下止点。此时进气门开启，排气门关闭，曲轴转动180°。在活塞移动过程中，气缸容积逐渐增大，气缸内形成一定的真空度，空气和汽油的混合气通过进气门被吸入气缸，并在气缸内进一步混合形成可燃混合气。可燃混合气的温度，由于进气管、气缸壁、活塞顶、气门和燃烧室壁等高温零件的加热以及与残余废气的混合而升高到340～400K。

(2) 压缩冲程

压缩冲程时，进、排气门同时关闭。活塞从下止点向上止点运动，曲轴转动180°。活塞上移时，工作容积逐渐缩小，缸内混合气受压缩后压力和温度不断升高，到达压缩终点时，其压力可达800～2 000kPa，温度达600～750K。

(3) 做功冲程

当活塞接近上止点时，由火花塞点燃混合气，混合气燃烧释放出大量的热能，使气缸内气体的压力和温度迅速提高。最高压力达3 000～6 000kPa，温度达2 200～2 800K。高温高压的燃气推动活塞从上止点向下止点运动，并通过曲柄连杆机构对外输出机械能。随着活塞下移，气缸容积增加，气体压力和温度逐渐下降，在做功冲程，进气门、排气门均关闭，曲轴转动180°。

(4) 排气冲程

排气冲程时，排气门开启，进气门仍然关闭，活塞从下止点向上止点运动，曲轴转动180°。排气门开启时，燃烧后的废气一方面在气缸内外压强差作用下向缸外排出，另一方面通过活塞的排挤作用向缸外排气。活塞运动到上止点时，燃烧室中仍留有一定体积的废气，叫做残余废气。

四冲程柴油机工作原理

四冲程柴油机和汽油机一样，每个工作循环也是由进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程组成。由于柴油机以柴油作燃料，与汽油相比，柴油自燃温度低、黏度大不易蒸发，因而柴油机采用压燃式点火，其工作过程及系统结构与汽油机有所不同。

发动机的排量

排量,是发动机各缸工作容积的总和，即单缸排量和缸数的乘积。而汽缸工作容积则是指活塞从上止点到下止点所扫过的气体容积，又称为单缸排量，它取决于缸径和活塞行程。

发动机的缸数及排列方式

直列式发动机的优点是燃油效率高，动力输出也高。宝马和美国

通用等高级轿车通常使用这种发动机，缸数一般在6缸以下。

V型发动机的优点是转动更加平稳，发动机的高度更低，缸数一

般为6—12缸。10缸以上一般为赛车发动机。

水平对置发动机(H型发动机)的优点是震动可以达到最小，高度

达到最低，增加了汽车的稳定性，所以这种发动机常使用在F1赛车

以及高级轿跑车中，如：斯巴鲁，保时捷等。但其致命弱点是，由

于地球引力使得下部缸壁磨损严重，还有降低高度的同时宽度也被

迫加大。缸数一般为4—8缸。

W型发动机具有缸数多动力强的特点，其缸数一般为12缸，德

国大众汽车一般采用此种发动机。

F1赛车的发动机

F1赛场内的每一台赛车，都拥有一台超级发动机。目前，国际汽联规定F1赛车发动机的排量上限为3000cc，所以各车队就将赛车发动机的排量定为3000cc。

一部F1赛车的发动机大约有900个运动部件，其最高转速可以突破19000转/分，而普通轿车发动机的最高转速通常不会超过8000转/分。当F1赛车的发动机以最高速运转时，火花塞每秒点火150次，活塞往复循环300次，其加速度更高达8500G。如今F1赛场上功率最大的发动机已经突破900马力，约是民用1600cc排量发动机功率的10倍，是民用3000cc排量发动机的4倍。其质量却不会超过100kg，而普通的1600cc发动机的质量都要超过120kg。

F1赛车的发动机不但质量轻，尺寸同样精巧，以至于让人很难相信赛车的澎湃动力是来源于这样的“瘦小身躯”，而小巧的发动机无疑会对提升整部赛车的空气动力学特性十分有利。F1赛车的发动机普遍采用V10结构，每个气缸为4气门结构，这种结构目前在普通发动机上也被广泛采用。F1的发动机属于短冲程发动机，其活塞的直径都要大于其行程。此外F1赛车的发动机还应用了许多在普通发动机上见不到的技术与构造，比如气动气门，即用压缩机空气代替普通发动机上的金属气门弹簧。因为只有这样的设计，才能保证在发动机的超高速转动下，气门不至于脱落。F1赛车发动机的马力惊人，“胃口”也同样惊人，其油耗约为每百公里70升左右，几乎是普通轿车的7倍，不过其寿命却十分短暂，只有1站比赛几个小时的时间。