解读汽车发动机展及技术Word文件下载.docx

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但一直没有样机诞生。

1876年奥托制造了一台新型的，以煤气为燃料的四冲程内燃机。

这台机器对汽车发动机来讲意义极大：

直至现在，汽油发动机的运转仍延续这种形式——奥托循环。

在后文中我们会着重介绍这种循环的特点。

从古至今，四冲程汽油机都是按照这四个步骤运转的

1883年曾是奥托公司工程师的戴姆勒，和好友迈巴赫制成了第一台四冲程往复式汽油机，并以极富创意的使用白炽灯为发动机点火，这样就将发动机转数提升到了每分钟1000转。

而当时奥托发动机仅为两百转。

次年戴姆勒将改良了的发动机装在了自行车上，成为史上首辆摩托车。

1886年1月29日德国的卡尔•本茨将之前自行研发的二冲程汽油发动机，安装在一辆三轮车上，并注册专利。

该车具备现代汽车的一些基本特点，所以人们一致认为该车为历史上第一辆标准的汽车。

第一辆汽车是这样的

1897年 

柴油机出世。

德国工程师狄塞尔（Diesel）设想将吸入气缸的空气高度压缩，使其温度超过燃料的自燃温度，再用高压空气将燃料吹入气缸，使之着火燃烧。

他首创的压缩点火式内燃机（柴油机）于1897年研制成功，为内燃机的发展开拓了新途径，柴油和柴油机也以发明者而命名为diesel。

当出现Diesel牛仔裤的广告，有人问你是什么牌子的时候，你可以淡定的回答：

柴牌！

就这样，汽油机和柴油机诞生了。

时至今日，虽然现代发动机在功率、油耗、稳定性等性能都有很大程度提高，但基本工作原理完全没有变化。

有关发动机的历史先介绍到这里，下篇我们会详细介绍汽油机和柴油机的工作原理和特性，敬请期待！

解读汽车发动机

（二）汽油机VS柴油机

能量：

物质运动的一种度量。

对应于物质的各种运动形式，能量也有各种形式，彼此可以互相转换，但总量不变。

热力学中的能量主要指热能和由热能转换而成的机械能。

我们汽车的发动机，正是将化石燃料中蕴含的化学能转化成机械能，从而推动汽车行驶。

前文提到很多四冲程发动机，（点击进入：

解读汽车发动机

（一）内燃机的诞生）我们将其归为两类：

奥托循环特性的燃气机和汽油机，狄赛尔循环特性的柴油机。

现代燃气发动机基本等同于汽油机，缸内直喷汽油机虽结构有变化，但做功机制仍属奥托循环范围之内。

为了方便解读，下文都称之为汽油机和柴油机。

说到发动机的原理，很多读者都会脱口而出：

四冲程发动机分为吸气、压缩、做功、排气四个阶段。

汽油机吸入混合气，然后压缩至上止点，火花塞跳火点燃混合气，燃烧做工把活塞推至下止点，随即向上排出废气；

柴油机区别在于吸入纯空气，在上止点位置将柴油喷入被压缩的热空气内点燃做功。

但我们是否曾经疑问过，汽油机为什么要有火花塞？

柴油机为什么不能喷入汽油？

为什么说柴油机更有力，更省油但平顺性却不理想？

好吧，小编在此文中用对比的方式，解读汽汽油机和柴油机的工作原理。

表面上看，两种热机在进气和燃料的引燃方式有着区别，虽然看起来都是烧油，发力，但就是在活塞处于顶端，燃烧的一霎那，几个毫秒之内发生的事儿，让两种机器有着不同的特质。

这也就是小编经常提起的奥托循环和狄赛尔循环的差异。

两种循环工作状态和对应的p-v图 

左侧为奥托循环，右侧为狄赛尔循环

两种循环的工作程序

我们先说左侧的奥托循环。

如上图所示，p代表缸内压力，v代表缸内容积，A-B吸气冲程，活塞向下吸气，此时燃气的压强几乎保持不变；

B-C绝热压缩冲程，活塞向上运动压缩，使气体压强增加，这时活塞对气体做功，消耗了机械能，增加了气体的内能（温度升高）；

C-D等容燃烧过程，气体突然燃烧，压强激增，在这瞬间体积还来不及变化，所以可把它看作是等容变化，D-E绝热做功冲程，气体压强增加后作绝热膨胀推动活塞向下做功，同时消耗本身的内能转变为机械功，压强逐渐减小；

E-B等容排气过程，做功冲程终了时，排气阀开放，气体压强突然降低而体积还来不及变化；

B-A排气冲程，活塞由于惯性作用继续向上运动，同时排除废气，这时压强不变。

而作为等压燃烧的狄赛尔循环，C-D-E为做功冲程。

第一阶段C-D为等压燃烧过程，柴油正在燃烧中，活塞在一定的压强下移动压强不变而容积增加，燃油一边推动活塞做功一边燃烧，D-E为绝热做功冲程。

其他阶段同上。

当然，图中p-v曲线是一种理想状态，实际工况有一定的差异，而作为乘用车的高速柴油机介于两种循环之间，燃烧过程分两个阶段，前半程为等容燃烧，后半程为等压燃烧，满足高转速同时也沿袭经典柴油机的特点。

你知道吗？

柴油其实比汽油更容易引燃

汽油机与柴油机长期共存的理由，就是是因为有汽油和柴油两种燃料的存在，从而存在两种能把不同燃料充分发挥特性的内燃机。

这看似废话，却也验证了那句“存在即是合理”。

汽油和柴油，都是由成分为碳和氢两种元素的烃类化合物组成的。

汽油是由5-9个碳分子的烃类组成，而组成柴油的烃类的碳原子数则有10-20个，由于汽油分子比柴油要小，所以汽油的挥发性更好，燃烧速度也更快，但长链结构的柴油更容易被氧化，所以柴油自燃点要低于汽油。

柴油比汽油更容易引燃？

看起来很难以理解，但这是事实。

我们把烃类比作很常见的木头，那么汽油就好比一堆木屑，可以被吹散在空气中慢慢飘落，而柴油则好像牙签，怎样扔起来都会做自由落体运动；

木屑用火柴很难点燃，但牙签很容易被点燃；

但把木屑扔在火堆中，瞬间就化成一团火，而牙签至少可以烧几秒。

两种发动机不是简单的压燃与点燃的区别，这仅仅是开始

正是因为有了这些差异，两种发动机也有了区别和特性

·

汽油比柴油挥发更快，所以汽油可以混合气状态在吸气行程进入气缸，而柴油不易挥发，不容易形成混合气，所以只能在做功行程开始前直接喷入缸内。

柴油的自燃点比汽油更低，所以柴油可以在高温高压的汽缸中自燃；

而汽油机如果采用压燃方式，就必须要有更高的压力，从而得到更高的温度才能点燃，但因为汽油容易挥发，挥发时又会吸收大量的热，这就再次增加了压燃的难度，所以用火花塞点燃是最适合的方式。

汽油比柴油燃烧的更快，所以把汽油放在高温高压的环境下太威猛，机体受不了这种火药脾气，所以要降低气缸的压力，而用火花点燃时，缸内火焰是以“波”的形式蔓延燃烧，这也就避免了爆燃形成的冲击；

而柴油在高温高压空气中，多处同时燃烧形成火焰，也就是以爆燃的方式（和汽油机的“爆震”相似）做功，工作状态比较粗暴，但因为柴油燃烧较慢，所以虽然燃烧的开始很剧烈，但燃烧时间还是要长于汽油机的。

题外话：

此油门非彼油门

汽油机通过油门踏板改变节气门的开度，控制混合气进入汽缸的数量，以达到不同功率的输出；

而柴油机控制功率输出完全依靠喷油的多少，是真正意义上的油门，取消了节气门，发动机进气就更充足，燃烧也就更充分，这也是柴油机热效率较高的原因之一。

同为2011款途锐，左侧柴油机最高为6000转，基本不可达到

而右侧汽油机，6000转仅仅是红线开始

汽油机和柴油机优劣分析

汽油机内混合气体点燃后，瞬间燃烧，并爆发出能量，所以可以在单位时间内可以多次重复该循环，用高转速输出高功率，因而很小的体积，轻盈的体重，就能拥有较高性能和更快的响应速度，宽泛的转速区间也能够带来更好的操控感觉。

但汽油机的压缩比往往只有柴油机的一半，做功行程时缸内温度和压力比柴油机低很多，所以热效率比较低，也就是俗称的“费油”。

柴油机喷入燃料后，燃烧需要一定的时间，所以适合较低转速下让燃油充分燃烧以带来大扭矩，而为了对抗气缸内高压和大扭矩，柴油机的汽缸和活塞的连杆等零件都要比汽油机强壮，所以较汽油机更笨重。

但也正是柴油机因为高压缩比低转速的特性，能把热量更好的转化成动能，所以柴油机有着更好的热效率，也就是更好的油耗表现。

这就是通常轿车和赛车使用汽油机，而公交车、卡车等大型车辆使用柴油机的原因。

为了适应柴油机工况，目前国内乘用车柴油机的缸体还都采用厚重的铸铁制造

柴油机现状

随着技术的发展，柴油机在平顺性和体积上都有很大改善，高强度的铝制缸体制造工艺，减轻了发动机的重量；

废气后处理与颗粒物回收有效降低尾气污染；

燃油高压共轨喷射以及较低压缩比（相对于传统柴油机）有效抑制噪声；

平衡轴的应用提升了平顺性；

VGT可变截面涡轮和中冷器提升了发动机功率，众多优良的设计逐渐装备于乘用车之上（点击进入：

高效强劲环保乘用车柴油机技术浅析），让柴油机有了可以和汽油机竞争的资本，而其较低的碳排放以及出色的低速扭矩，被众多SUV甚至轿车所接受。

在欧洲，柴油车在乘用车中的比重已经达到40%，而国内柴油机主要搭配在SUV车型当中，就在最近，国产自主品牌柴油轿车也已经上市。

但目前国内的柴油品质还不够好，导致柴油机在国内未被重视。

主要问题在于十六烷值不够高（燃烧性不好），硫含量过高（损害发动机零部件增加尾气污染），多环芳香烃过多（也就是杂质过多，燃烧不好会结焦积碳）等，假如中国柴油的品质可以提升的话，相信在飞涨的油价和日益恶化的环境面前，国人也会逐渐接受柴油车。

大众奥迪公用的3.0T涡轮增压柴油发动机，体重和汽油机相差无几

功率与汽油机相比略逊一筹，但扭矩更为强大

讲到这里，本文已经接近尾声了。

不过很多同学看完第一篇文章之后，对结尾“Diesel”的广告图片颇感兴趣，这样，小编再放另一张原图让大家一看究竟。

这仨老头就是大名鼎鼎的二战三巨头——丘吉尔、罗斯福、斯大林

解读汽车发动机（三）爆震成因及预防

春节的爆竹声此起彼伏，给人以欢乐的气氛。

然而在发动机中放爆竹的话，显然不是那么让人满意。

提到爆震，也许所有人见到这两个字都会心生厌恶之情。

本篇会尽可能的解读在汽油发动机上，爆震产生的原理、导致爆震的因素、对发动机的危害、和解决的方法。

在解读之前，我们先来了解一下，汽油发动机中，燃料是怎样的燃烧过程。

汽油与空气的混合气进入气缸之后，活塞会将其压缩，气缸内温度和压力升高后，混合气密度和分子分子运动速度也随之提高，混合气会更容易、更快的燃烧，从而获得更好的动力性和经济性。

气缸在下止点时的最大体积与气缸在上止点时最小体积之比，即为压缩比，通常情况下，相同排量的发动机，压缩比越高，其动力性和经济性越好（涡轮增压发动机的压缩比偏低，特性我们会在以后着重介绍）。

在压缩之后，混合气在气缸内点燃，正常情况下，其火焰是由点火中心开始，以一个球面为前锋，带着高温高压气体向四周扩散，最终冲向活塞，并使之向下做功，火焰传播速度为30-80m/s，所以从点火到油气完全燃烧，要经过点火期（火花塞跳火）、滞燃期（火核形成并以锋面开始传播）、速燃期（大部分混合气燃烧，速燃期结束时缸内压力最大）、和后燃期（残余混合气燃烧，对汽油机来说意义不大）这几个阶段。

而就是因为点火期和滞燃期，混合气没有很好的燃烧，才让发动机有了一个数值：

点火提前角。

骑过自行车的朋友都知道，在脚蹬通过最高点之后过一点点，我们再向下踩，这样骑车最有劲儿，而对于活塞和曲轴来说也是如此，通常认为在上止点后曲轴10°

左右的相位时（工况不同，其数值也会有所变化），缸内出现最大压力值并推动活塞向下做工，此时性能最佳。

但我们刚才讲到，混合气燃烧需要一个过程，如果在上止点时才点燃混合气就来不及了，所以我们要抢先点火，让点火期和滞燃期尽早开始，使速燃期结束之时，曲轴在10°

相位附近，这就是所谓的点火提前角。

点火提前角在合理范围值内，越提前，越能压榨出发动机的动力。

假设混合气燃烧至速燃期结束，时间为0.001秒，那么在发动机转速为3000转时，曲轴在旋转18°

的时间内，燃烧可达压力最大值。

这时的点火提前角就应为8°

。

而随着转速的提升，点火提前角也随之提升。

配气相位图，请注意点火时刻出现在上止点之前

图片内其他信息为配气方面的知识，如欲了解请点击李毅同学的另一篇文章：

《呼吸之道解析可变气门正时/升程技术》

通过这两条补充知识，我们了解到两点：

压缩比越高，混合气压缩越充分，燃烧速度越快；

点火提前角越提前，发动机做功越积极。

所以现代发动机的往往将压缩比设置很高（10:

1以上），点火提前角在高负荷时也调教的较为靠前。

然而物极必反，当燃烧做功处于不恰当的时机，就会带来了一系列的麻烦，爆震。

爆震的种类

实际上，我们经常说的爆震过于广义，爆震这个词被各种文献、媒体和修车师傅用滥，点火过早、表面点火、狭义的爆震、敲缸、叫杆等等，都称之为爆震。

为了区别并便于解释，小编姑且擅自把正统意义上的狭义爆震在此篇称之为“爆燃”。

而滥用了的“爆震”，继续代表广泛的定义。

爆震，发动机一种不正常的工作状态，泛指发动机气缸由于非正常点火造成的突发的非长时间持续的震动，用户可明显的感觉到发动机声响异常和震动，并削弱发动机输出功率，升高温度，增加油耗，对发动机造成一定程度的损害；

爆燃，燃料的一种燃烧形式，是燃料与助燃剂混合后以亚音速的爆炸式燃烧，在发动机里通常指燃油与空气混合后，在高温高压的环境下，以极大速率自行燃烧，特点是温度和压力升高速度极快，有一定破坏力。

狭义上的爆震，定义等同于爆燃。

爆震的特点是不需火花塞介入，混合气仍可被点燃或自行燃烧，表现形式大体分为两种：

表面点火和爆燃。

然而值得一提的是点火过早现象，虽然还算不上爆震，但很多时候，点火过早会作为原因，造成表面点火和爆燃。

有了这样的区分，解读起来也方便许多了。

点火过早，顾名思义，点火角过于提前，最大压力值也明显提前的出现在适合“发力”的曲轴10°

相位之前，甚至0°

之前，由于活塞没等找好位置，高压气体就往下做功，发动机功率自然就会有所损失，损失了的动能转化为内能使气缸的升温。

而来不及转移的高温，和提早出现的高压，会造成“质变”的爆震——表面点火和爆燃。

表面点火通常发生在火花塞跳火之前，当汽缸温度过高来不及冷却时，缸内积碳或火花塞处等明显突出的位置在压缩冲程时会出现明显热点，当温度超过混合气燃点时，早于火花塞点燃混合气，和点火过早相比，这等同于把点火角度再提前若干，当最大压力值出现在活塞运行至上止点以前，相当于这个气缸此时有着“反转”的倾向，可想而知，活塞和连杆以及曲轴在承受着多大的痛苦！

而爆燃，通常出现在火花塞点火或表面点火以后，当火焰向下和向外扩展时，部分未点燃的混合气，在扩张的火焰带来的高温高压之下，来了个反抗——类似柴油机点燃形式的自燃，多个着火点同时燃烧，前文我们说过，汽油燃烧速度非常快，以这种方式燃烧那是非常威猛的，在爆燃时，混合气压力高，密度很大，因而火焰燃烧极快，速度可达1000m/s，迅速燃烧并膨胀产生的冲击波敲打着气缸和活塞，并和前方正常燃烧传播的火锋迎头撞在一起，这就是我们听到的敲缸声和感受到的震动。

由火花塞点火引起的爆震相对较轻，而因表面点火引起的爆震则更为严重。

据分析，严重爆燃时，发动机的损耗是正常运转时的三十倍之多！

而且因为爆燃的燃烧速度非常快，也会将最大压力值略微提前。

举个生动但不太恰当的例子，作为正常燃烧与爆燃的对比：

我们都拍过篮球，当篮球“砰砰”的砸向地面时，我们可以把篮球看做点燃的混合气，把地面看成活塞，这就是一个常规的点火做功的过程，而爆燃时的情况比喻起来可能有些疯狂，这相当于地面有片大号火药纸，当我们把篮球拍向地面时会将其砸爆……其声响和破坏效果显而易见了。

这几种非正常点火情况，经常交错在一起，也同样引起发动机的震动和声响，所以这几种情况经常被混淆。

如果对其作出区分的话，点火过早时发动机抖动，转速下降，声音不明显突出，所以也称不上爆震，危害程度较小；

表面点火时发动机振动，有明显敲缸声，声音沉闷，危害程度较大；

爆燃时发动机振动强烈，敲缸声似尖锐的金属敲击声，非常有害！

压缩比越高，爆震越易于发生

爆震的成因：

压缩比、点火角、发动机温度、积碳、燃油标号

压缩比越高。

压缩冲程结束时的缸内温度就越高，越容易发生爆震。

按理说，一款设计没有问题的高压缩比发动机，在正常情况下，不会轻易发生爆震，但如果使用不当，就会比较低压缩比的发动机更容易出现爆震的情况。

点火角偏前。

点火角偏前并不是过早点火，但有着过早点火的趋向，因而也容易造成爆震。

发动机温度过高。

发动机温度过高的原因有很多，冷却水或机油循环不好，长时间处于高负荷工况等等，都会导致表面点火或者爆震。

而另外还有两个因素：

混合气浓度过低和点火角度偏后，也会导致温度过高。

这似乎又很难理解，为何貌似降低功率的动作却会有这样的反应呢？

原因在于，这两个因素会导致气缸内混合气体不充分燃烧，燃烧时间过长，甚至在排气冲程时还在燃烧，因而升高了温度，吸气冲程时混合气进入汽缸后就会被高温的汽缸或者残留的火焰点燃，形成表面点火或爆震。

积碳造成爆震是方面的。

活塞和缸盖积碳过多，会导致散热不良，从而表面局部温度过高，或者在排气冲程结束后，积碳吸附的残油仍在燃烧，因而形成热点或着火点，导致表面点火；

另外积碳过多也会让气缸容积变小，气缸的压缩比也因此升高，爆震也就更容易发生。

汽油标号。

我们通常说的93#、97#，指的是汽油的辛烷值，通常认为正庚烷的辛烷值为0，非常容易爆震，而异辛烷的辛烷值为100，比较不容易爆震，而93#汽油的相当于7%的正庚烷与93%的异辛烷混合燃料的爆震特性（通常我们称之为“抗爆性”），因此越高标号的汽油越矜持，越不容易被点燃，也就越不易发生爆震，越适宜高压缩比发动机使用。

而越低标号的汽油越泼辣，越容易被点燃，用在压缩比并不高的非增压发动机上更适宜。

因此高压缩比的发动机使用低标号汽油时，爆震就容易发生，即便不发生爆震，也会有一定的隐患，并且高压缩比发动机使用低标号汽油会有一个直观的现象：

更费油。

但较低压缩比的发动机使用不必要的高标号的汽油，不仅不会带来高性能，反而因为燃点过高，导致汽油燃烧不充分，形成积碳，降低功率，或者延迟着火时间，甚至会造成发动机温度升高，结果一样不好。

而且同样有一个直观现象：

没劲儿。

值得一提的是，高标号汽油绝对不代表高清洁度！

相反，国内高标号的汽油因为加了更多的抗爆剂，97#其实还不如93#更“纯”。

积碳积到这份上，也就别怪车了

避免爆震的方法

通常，较新车型都装备有爆震传感器。

爆震传感器可以感知发动机产生的爆震，并通过ECU修改点火提前角来减轻爆震。

不过这种调节幅度有限，并且也只能在发动机合理工作范围之内进行调节。

当发动机处于非正常工况下，一味延迟点火提前角，不仅会削弱动力，升高油耗，还会造成燃料燃烧不充分造成发动机温度升高、三元催化器损坏。

如果想彻底消灭爆震，还应该做更多的工作。

使用符合发动机压缩比的燃油：

该加97#的不要贪便宜加93#，该加93#的也没必要吃所谓的“细粮”。

避免“拖档”行驶：

高档低速行驶方式容易造成发动机负荷增加，因而增加点火提前角，而因为处于较高档位，转速提升不明显，爆震便容易产生。

消灭积碳：

避免长期低速行驶和怠速，适当的去高速跑一跑，实在没有机会的话，可以提高换挡时的转速，自动挡可以定期挂S行驶。

避免高温：

定期检查冷却液水位，定期检查和更换机油，避免长时间激烈驾驶，夏日行车经常监控水温。

时刻关注爱车的行驶情况，如果车辆在一段时间动力不足，油耗升高，并能感觉到震动，也许不是爆震引起的，但非常可能有爆震的倾向，应尽快去做体检。

ps：

无感爆震

爆震不完全是百害无一利的，轻度的爆震还可以让发动机显得更“有劲儿”。

有的看官会说“小编你别扯了，谁会愿意让发动机爆震啊”，然而事情就是这样。

有时候我们会发现，在转数不太高时，深踩油门，发动机会发出一种很清脆的声音（个人认为很好听），动力也会有明显提升，这就是发动机轻微爆震的表现。

同上述爆震原理一样，由火花塞点燃的火焰，用压力压燃了未受火焰波及处的混合气。

在这个时候，自燃部分混合气以200m/s“低速”膨胀，这就让混合气燃烧时间缩短，更接近定容燃烧，如果发动机的调节能力较强，就会把燃烧时机和曲轴相位合理匹配，效率也就得以提高。

打个比方，你在一个推车上，我推你一下，你可以前进，而你也可以同时推我，这样前进的速度更快。

通常此种工况时，发动机并没有明显的震动，所以我们也将其称之为“无感爆震”。

有些厂商为了追求高效，在发动机中高负荷时，刻意将点火时刻调整到爆震临界点附近，直至产生轻微爆震，以提高效率，而这种“合理”的爆震，也就属于正常情况，对发动机的磨损也不大。

当然，在相同工况下，如果发动机情况不好，或燃油选择不恰当，爆震就会加重，这对发动机就有损害了。

解读汽车发动机（四）压缩比的意义

在之前的文章中，提到过气缸在点火前要将缸内空气或混合气压缩，提到过柴油机压缩比更大，并且在上一片文章里面也简单的讲述了发动机压缩比的定义和作用。

而压缩比这个数值究竟对发动机的影响有多大？

今天小编将其深度解析一下。

我们再次回顾一下压缩比的概念：

气缸在下止点时的最大体积与气缸在上止点时最小体积之比，即为压缩比。

我们假设一个气缸，缸径84mm，行程90mm，活塞面积约为55.5cm2（考虑到缝隙，实际值应更小些），排量即为499.5ml，如果已知顶部燃烧室容积约为55.5ml，则可得出其压缩比为10：

1，同理换算，如果压缩比值为12，则顶部燃烧室容积为45.4ml。

中学的数学题，不用多解释了。

接下来我们通过几个问题来分析压缩比的意义。

我们为什么要将气体压缩？

我们在《解读汽车发动机

（一）内燃机的诞生》章中提到过，1858年勒努瓦发明了一款二冲程煤气发动机，混合气未被压缩即点燃，导致效率不高。

为什么说不经过压缩，效率就不高呢？

这是因为：

压力升高可以让气体的密度变大，分子间的距离也就变小，这样燃油分子和氧分子距离也就更近，燃烧速度就更快；

温度可以让让气体分子运动速度加快，燃油分子和氧气分子更容易互相作用，这就让混合气体更容易点燃