【文章內(nèi)容簡介】 柴油機。 汽油與柴油相比較，汽油的沸點低、容易汽化，汽油發(fā)動機通過氣缸壓縮，將吸入的汽油氣化，并與缸內(nèi)空氣相混合，形成可燃混合氣體，最后由火花塞放電點燃氣體推動汽缸活塞作功；柴油的特點是自燃溫度低，所以柴油發(fā)動機無需要火花塞之類的點火裝置，它采用壓縮空氣的辦法提高空氣溫度，使空氣溫度超過柴油的自燃測試，這時再噴入柴油、柴油噴霧和空氣混合的同時自己點火燃燒。兩種發(fā)動機相比較而言，一般來說，因為汽油發(fā)動機需要對汽油的噴入量、噴入時間以及點火時間控制得十分準確，因此結(jié)構(gòu)往往比柴油機更復(fù)雜精密一些，而柴油機由于汽缸的壓力大于汽油機，因而對材料的結(jié)構(gòu)強度和剛度則要求更高一些。 從性能上說，汽油發(fā)動機的長處是最大功率及轉(zhuǎn)速高，運轉(zhuǎn)安靜平順，排放低，而柴油發(fā)動機的優(yōu)點則是燃燒效率高、油耗低，并且低轉(zhuǎn)速扭矩及最大扭矩遠遠超過汽油機。體現(xiàn)在駕駛感受上，人們會發(fā)現(xiàn)柴油驅(qū)動的轎車起步十分迅速，在山路及坡道上后勁十足，然后在中后段的加速性以及最高車速方面又會遜于同檔次的汽油機版本。國內(nèi)傳統(tǒng)柴油機一直給人以體積笨重、振動噪聲大以及排放污染嚴重的印象，因此國產(chǎn)轎車基本都采用汽油發(fā)動機，然而近年來，國外知名車商開始將一些最新的柴油機技術(shù)引入到中國，大大改善了國人對柴油機的偏見，譬如一汽大眾剛剛推出TDI柴油發(fā)動機寶來，其環(huán)保性、動力性以及平順性都不遜于汽油機，同時又具有柴油機特有的巨大扭力和超低油耗，市場前景十分看好。4 發(fā)動機的工作原理發(fā)動機是一種能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)，它將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變成機械能。那么，它是怎樣完成這個能量轉(zhuǎn)換過程呢？也就是說它是怎樣把熱能轉(zhuǎn)換成機械能的呢？要完成這個能量轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過進氣，把可燃混合氣(或新鮮空氣)引入氣缸；然后將進入氣缸的可燃混合氣(或新鮮空氣)壓縮，壓縮接近終點時點燃可燃混合氣(或?qū)⒉裼透邏簢娙霘飧變?nèi)形成可燃混合氣并引燃)；可燃混合氣著火燃燒，膨脹推動活塞下行實現(xiàn)對外作功；最后排出燃燒后的廢氣。即進氣、壓縮、作功、排氣四個過程。 把這四個過程叫做發(fā)動機的一個工作循環(huán)，工作循環(huán)不斷地重復(fù)，就實現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)換，使發(fā)動機能夠連續(xù)運轉(zhuǎn)。把完成一個工作循環(huán)，曲軸轉(zhuǎn)兩圈(720176。)，活塞上下往復(fù)運動四次，稱為四行程發(fā)動機。而把完成一個工作循環(huán)，曲軸轉(zhuǎn)一圈(360176。)，活塞上下往復(fù)運動兩次，稱為二行程發(fā)動機。下面介紹一下四行程發(fā)動機的工作原理和工作過程。 柴油發(fā)動機工作原理柴油發(fā)動機的工作循環(huán)為進氣、壓縮、作功、排氣四個行程。但由于柴油機用的燃料是柴油，其粘度比汽油大，不易蒸發(fā)，而其自燃溫度卻較汽油低，因此可燃混合氣的形成及點火方式都與汽油機不同。　　柴油機在進氣行程中吸入的是純空氣。在壓縮行程接近終了時，柴油經(jīng)噴油泵將油壓提高到10MPa以上，通過噴油器噴入氣缸，在很短時間內(nèi)與壓縮后的高溫空氣混合，形成可燃混合氣。由于柴油機壓縮比高（一般為1622），同時溫度高達7501000K（，溫度達600700K），大大超過柴油的自燃溫度。因此柴油在噴入氣缸后，在很短時間內(nèi)與空氣混合后便立即自行發(fā)火燃燒。氣缸內(nèi)的氣壓急速上升到69MPa，溫度也升到20002500K。在高壓氣體推動下，活塞向下運動并帶動曲軸旋轉(zhuǎn)而作功，廢氣同樣經(jīng)排氣管排入大氣中?！　? 普通柴油機的是由發(fā)動機凸輪軸驅(qū)動，借助于高壓油泵將柴油輸送到各缸燃油室。這種供油方式要隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化而變化，做不到各種轉(zhuǎn)速下的最佳供油量。而現(xiàn)在已經(jīng)愈來愈普遍采用的電控柴油機的共軌噴射式系統(tǒng)可以較好解決了這個問題?！　」曹墖娚涫焦┯拖到y(tǒng)由高壓油泵、公共供油管、噴油器、電控單元（ECU）和一些管道壓力傳感器組成，系統(tǒng)中的每一個噴油器通過各自的高壓油管與公共供油管相連，公共供油管對噴油器起到液力蓄壓作用。工作時，高壓油泵以高壓將燃油輸送到公共供油管，高壓油泵、壓力傳感器和ECU組成閉環(huán)工作，對公共供油管內(nèi)的油壓實現(xiàn)精確控制，徹底改變了供油壓力隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化的現(xiàn)象。其主要特點有以下三個方面：　?。ㄒ唬娪驼龝r與燃油計量完全分開，噴油壓力和噴油過程由ECU適時控制。（二）、可依據(jù)發(fā)動機工作狀況去調(diào)整各缸噴油壓力，噴油始點、持續(xù)時間，從而追求噴油的最佳控制點。　?。ㄈ?、能實現(xiàn)很高的噴油壓力，并能實現(xiàn)柴油的預(yù)噴射?！　∠啾绕鹌蜋C，柴油機具有燃油消耗率低（平均比汽油機低30％），而且柴油價格較低，所以燃油經(jīng)濟性較好；同時柴油機的轉(zhuǎn)速一般比汽油機來得低，扭距要比汽油機大，但其質(zhì)量大、工作時噪音大，制造和維護費用高，同時排放也比汽油機差。但隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，柴油機的這些缺點正逐漸的被克服，現(xiàn)在的不是高級轎車都已經(jīng)開始使用柴油發(fā)動機了。 汽油發(fā)動機工作原理 四行程汽油機的工作原理四行程汽油機的運轉(zhuǎn)是按進氣行程、壓縮行程、作功行程和排氣行程的順序不斷循環(huán)反復(fù)的?！?（一）進氣系統(tǒng)（如圖41）進氣系統(tǒng)圖41由于曲軸的旋轉(zhuǎn)，活塞從上止點向下止點運動，這時排氣門關(guān)閉，進氣門打開。進氣過程開始時，活塞位于上止點，氣缸內(nèi)殘存有上一循環(huán)未排凈的廢氣，因此，氣缸內(nèi)的壓力稍高于大氣壓力。隨著活塞下移，氣缸內(nèi)容積增大，壓力減小，當壓力低于大氣壓時，在氣缸內(nèi)產(chǎn)生真空吸力，空氣經(jīng)空氣濾清器并與化油器供給的汽油混合成可燃混合氣，通過進氣門被吸入氣缸，直至活塞向下運動到下止點。在進氣過程中，受空氣濾清器、化油器、進氣管道、進氣門等阻力影響，進氣終了時，氣缸內(nèi)氣體壓力略低于大氣壓，～，同時受到殘余廢氣和高溫機件加熱的影響，溫度達到370～400K。實際汽油機的進氣門是在活塞到達上止點之前打開，并且延遲到下止點之后關(guān)閉，以便吸入更多的可燃混合氣。 （二）壓縮行程（如圖42）壓縮行程圖42曲軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，活塞從下止點向上止點運動，這時進氣門和排氣門都關(guān)閉，氣缸內(nèi)成為封閉容積，可燃混合氣受到壓縮，壓力和溫度不斷升高，當活塞到達上止點時壓縮行程結(jié)束。此時氣體的壓力和溫度主要隨壓縮比的大小而定，～，溫度可達600～700K。 壓縮比越大，壓縮終了時氣缸內(nèi)的壓力和溫度越高，則燃燒速度越快，發(fā)動機功率也越大。 但壓縮比太高，容易引起爆燃。所謂爆燃就是由于氣體壓力和溫度過高，可燃混合氣在沒有點燃的情況下自行燃燒，且火焰以高于正常燃燒數(shù)倍的速度向外傳播，造成尖銳的敲缸聲。會使發(fā)動機過熱，功率下降，汽油消耗量增加以及機件損壞。輕微爆燃是允許的，但強烈爆燃對發(fā)動機是很有害的，汽油機的壓縮比一般為ε＝6～10。 （三）作功行程（如圖43）作功行程圖43 作功行程包括燃燒過程和膨脹過程，在這一行程中，進氣門和排氣門仍然保持關(guān)閉。當活塞位于壓縮行程接近上止點(即點火提前角)位置時，火花塞產(chǎn)生電火花點燃可燃混合氣，可燃混合氣燃燒后放出大量的熱使氣缸內(nèi)氣體溫度和壓力急劇升高，最高壓力可達3～5MPa，最高溫度可達2200～2800K，高溫高壓氣體膨脹，推動活塞從上止點向下止點運動，通過連桿使曲軸旋轉(zhuǎn)并輸出機械功，除了用于維持發(fā)動機本身繼續(xù)運轉(zhuǎn)外，其余用于對外作功。隨著活塞向下運動，氣缸內(nèi)容積增加，氣體壓力和溫度降低，當活塞運動到下止點時，作功行程結(jié)束。 （四）排氣系統(tǒng)（如圖44）排氣系統(tǒng)圖44可燃混合氣在氣缸內(nèi)燃燒后生成的廢氣必須從氣缸中排出去以便進行下一個進氣行程。當作功接近終了時，排氣門開啟，進氣門仍然關(guān)閉，靠廢氣的壓力先進行自由排氣，活塞到達下止點再向上止點運動時，繼續(xù)把廢氣強制排出到大氣中去，活塞越過上止點后，排氣門關(guān)閉，排氣行程結(jié)束。實際汽油機的排氣行程也是排氣門提前打開，延遲關(guān)閉，以便排出更多的廢氣。由于燃燒室容積的存在，不可能將廢氣全部排出氣缸。受排氣阻力的影響，排氣終止時，氣體壓力仍高于大氣壓力，～，溫度約為900～1200K。曲軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，活塞從上止點向下止點運動，又開始了下一個新的循環(huán)過程?？梢娝男谐唐蜋C經(jīng)過進氣、壓縮、作功、排氣四個行程完成一個工作循環(huán)，這期間活塞在上、下點往復(fù)運動了四個行程，相應(yīng)地曲軸旋轉(zhuǎn)了兩圈。 多缸發(fā)動機的工作原理　前面介紹的是單缸發(fā)動機的工作過程，而現(xiàn)代汽車發(fā)動機都是多缸四行程發(fā)動機，那么，多缸四行程發(fā)動機與單缸四行程發(fā)動機的工作過程有什么區(qū)別呢？就能量轉(zhuǎn)換過程，發(fā)動機的每一個氣缸和單缸機的工作過程是完全一樣的，都要經(jīng)過進氣、壓縮、作功和排氣四個行程?！　〉菃胃装l(fā)動機的四個行程中只有一個行程作功，其余三個行程不作功，即曲軸轉(zhuǎn)兩圈，只有半圈作功，所以運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性較差，功率越大，平穩(wěn)性就越差。為了使運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，單缸機一般都裝有一個大飛輪。而多缸發(fā)動機的作功行程是差開的，按照工作順序作功，即曲軸轉(zhuǎn)兩圈交替作功，因此，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，振動小。缸數(shù)越多，作功間隔角越小，同時參與作功的氣缸越多，發(fā)動機運轉(zhuǎn)越平穩(wěn)。多缸機使用最多的有四缸發(fā)動機，六缸發(fā)動機和八缸發(fā)動機。5 發(fā)動機的主要性能指標 發(fā)動機的最大功率 發(fā)動機的輸出功率同轉(zhuǎn)速關(guān)系很大，隨著轉(zhuǎn)速的增加，發(fā)動機的功率也相應(yīng)提高，但是到了一定的轉(zhuǎn)速以后，功率反而呈下降趨勢。一般在汽車使用說明中最高輸出功率用每分鐘轉(zhuǎn)速來表示（r/min），如100ps/5000r/min，即在每分鐘5000轉(zhuǎn)時最高輸出功率100馬力。 同時，發(fā)動機最大功率時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，基本上就是發(fā)動機的最高轉(zhuǎn)速。轎車或者客車發(fā)動機最大功率時的轉(zhuǎn)速要高于載貨汽車，以便適應(yīng)其高速行駛的需要。功率的物理定義是指機器在單位時間里所做的功。功的數(shù)量一定，時間越短，功率值就越大。功率的計算公式為：功率＝力距離／時間。力的常用單位是牛頓（N），距離的單位是米（m），時間的單位是秒(s)。所以功率的單位就是Nm/s。但對于汽車的功率，傳統(tǒng)上人們喜歡用馬力為單位表達，字母為PS?，F(xiàn)在廠家在產(chǎn)品說明說明書中通常也給出千瓦（KW）值。它們之間的換算關(guān)系如下：1PS=75Nm/s=,1KW=102Nm/s=。最大功率是汽車發(fā)動機最重要的參數(shù)之一。他的大小主要取決于發(fā)動機氣缸排量的大小，燃燒的燃料量和發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。功率值永遠分發(fā)動機轉(zhuǎn)速結(jié)合在一起，表明在該轉(zhuǎn)速下所發(fā)出的功率。由于發(fā)動機內(nèi)部摩擦損耗和帶動其他機器的需要，實際有效功率數(shù)字總是小于規(guī)定值。有效功率跟標定功率的比值叫做發(fā)動機的效率。發(fā)動機功率只能通過專業(yè)的功率測試臺測得。測試臺的工作原理大同小異：將發(fā)動機飛輪通過中間軸跟一個電子渦流或水渦流阻尼裝置相連。發(fā)動機帶動阻尼裝置，其阻力可以無級調(diào)節(jié)?！白枇亍被蚪小皠x車力矩”通過一個拉臂裝置只是在標有相應(yīng)刻度的指示儀表上，如此便測出了不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下的功率值。在車輛滾動測試臺上進行的測試雖然也能給出發(fā)動機功率值，但這個結(jié)果受變速箱、軸和輪胎滾動阻力的影響，所以只能作為參考值。世界各國遵循的工業(yè)標準不同，測試的方法也不同。德國工業(yè)標準（DIN）的測試原則是：發(fā)動機處于正常運行狀態(tài)，即帶所有附屬設(shè)備，包括進氣濾清器和排氣裝置等。美國等一些國家則按照SAE（汽車工程師協(xié)會）標準進行功率測試，不包括空濾和排氣裝置等附屬設(shè)備，也就是說，它是由外界動力驅(qū)動的。所以SAE功率值較之DIN要高出15％～20％。在意大利還有一種CUNA標準測量測量法，它的條件是包括部分附屬設(shè)備，但不包括進氣濾清器和排氣裝置，因此其功率值會比DIN數(shù)值高5％～10％。一般不能通過重新進行發(fā)動機標定來提升功率，原因是現(xiàn)代的量產(chǎn)發(fā)動機出廠時幾乎都已經(jīng)做了功率上限值標定。但如果能夠承受較大的費用，那么提高單位功率數(shù)是有些辦法的。首先是加大進氣量，方法是平順及擴大進排氣通道，加大發(fā)動機氣門橫截面，提升壓縮比，改變汽門開閉時間等；其次可以對進排氣系統(tǒng)進行技術(shù)調(diào)試，甚至更換壓縮機系統(tǒng)。所有這些意在提高功率的措施都會導(dǎo)致發(fā)動機轉(zhuǎn)速水平的整體提高，所以必須采用高級材料，使活動部件輕量化，同時提高加工精度，使之能夠承受較大的負荷。還要采用更堅固的氣門彈簧，甚至非接觸式點火系統(tǒng)。經(jīng)過這一系列的改造，量產(chǎn)發(fā)動機的功率有可能增加一倍以上。 發(fā)動機的最大扭矩扭矩是發(fā)動機性能的一個重要參數(shù)，是指發(fā)動機運轉(zhuǎn)時從曲軸端輸出的平均力矩，俗稱為發(fā)動機的“轉(zhuǎn)勁”。扭矩越大，發(fā)動機輸出的“勁”越大，曲軸轉(zhuǎn)速的變化也越快，汽車的爬坡能力、起步速度和加速性也越好。扭矩隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化而不同，轉(zhuǎn)速太高或太低，扭矩都不是最大，只在某個轉(zhuǎn)速時或某個轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)才有最大扭矩，這個區(qū)間就是在標出最大扭矩時給出的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)速區(qū)間。最大扭矩一般出現(xiàn)在發(fā)動機的中、低轉(zhuǎn)速的范圍，隨著轉(zhuǎn)速的提高，扭矩反而會下降。扭矩的單位是牛頓米（Nm）或公斤米（Kgm）。發(fā)動機的最大扭矩與發(fā)動機的進氣系統(tǒng)、供油系統(tǒng)和點火系統(tǒng)的設(shè)計有關(guān)，在某一轉(zhuǎn)速下，這些系統(tǒng)的性能匹配達到最佳，就可以達到最大扭矩。另外，發(fā)動機的功率、扭矩和轉(zhuǎn)速是相關(guān)聯(lián)的，具體關(guān)系為：功率=K扭矩轉(zhuǎn)速，其中K是轉(zhuǎn)換系數(shù)。選擇發(fā)動機時也要權(quán)衡一下怎樣合理使用、不浪費現(xiàn)有功能。比如，北京冬夏都有必要開空調(diào)，在選擇發(fā)動機功率時就要考慮到不能太小；只是在城市環(huán)路上下班交通用車，就沒有必要挑過大馬力的發(fā)動機。盡量做到經(jīng)濟、合理選配發(fā)動機。 發(fā)動機的最低燃油消耗量 　 燃油消耗量：　　燃油消耗量的基本定義是：發(fā)動機在某個功率狀態(tài)下每小時消耗的燃油量，用字母Gt表示，單位是：千克/小時（kg/h）?！　∪加拖牧靠梢酝ㄟ^對發(fā)動機進行臺架試驗時測量單位時間內(nèi)的耗油量精確獲得。但實際使用過程中，由于發(fā)動機工作狀態(tài)的不斷變化和使用環(huán)境的變化，一般無法獲得準確的每小時燃油消耗量。取而代之的是100千米油耗，但它不是一個定數(shù)，是隨運行環(huán)境和狀態(tài)的變化而變化的。運行環(huán)境惡劣或載荷量大，燃油消耗量就會增加，反之，則減小。但是，只要運行環(huán)境和狀態(tài)相同，其數(shù)值就會相差無幾。 燃油消耗率：　　燃油消耗率的基本定義是：燃油消耗率是一個相對指標，它表示發(fā)動機每千瓦功率每小時的燃油消耗