发动机基本工作原理.docx

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发动机基本工作原理

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发动机基本工作原理

发动机基本工作原理

一、基本理论

汽油发动机将汽油的能量转化为动能来驱动汽车，最简单的办法是通过在发动机内部燃烧汽油来获得动能。

因此，汽车发动机是内燃机----燃烧在发动机内部发生。

有两点需注意：

1．内燃机也有其他种类，比如柴油机，燃气轮机，各有各的优点和缺点。

2．同样也有外燃机。

在早期的火车和轮船上用的蒸汽机就是典型的外燃机。

燃料（煤、木头、油）在发动机外部燃烧产生蒸气，然后蒸气进入发动机内部来产生动力。

内燃机的效率比外燃机高不少，也比相同动力的外燃机小很多。

所以，现代汽车不用蒸汽机。

相比之下，内燃机比外燃机的效率高，比燃气轮机的价格便宜，比电动汽车容易添加燃料。

这些优点使得大部分现代汽车都使用往复式的内燃机。

二、燃烧是关键

汽车的发动机一般都采用4冲程。

4冲程分别是：

进气、压缩、燃烧、排气。

完成这4个过程，发动机完成一个周期（2圈）。

理解4冲程活塞，它由一个活塞杆和曲轴相联，过程如下：

1．活塞在顶部开始，进气阀打开，活塞往下运动，吸入油气混合气

2．活塞往顶部运动来压缩油气混合气，使得爆炸更有威力。

3．当活塞到达顶部时，火花塞放出火花来点燃油气混合气，爆炸使得活塞再次向下运动。

4．活塞到达底部，排气阀打开，活塞往上运动，尾气从汽缸由排气管排出。

注意：

内燃机最终产生的运动是转动的，活塞的直线往复运动最终由曲轴转化为转动，这样才能驱动汽车轮胎。

三、汽缸数

发动机的核心部件是汽缸，活塞在汽缸内进行往复运动，上面所描述的是单汽缸的运动过程，而实际应用中的发动机都是有多个汽缸的（4缸、6缸、8缸比较常见）。

我们通常通过汽缸的排列方式对发动机分类：

直列、V或水平对置（当然现在还有大众集团的W型，实际上是两个V组成）。

见下图

直列4缸V6

水平对置4缸

不同的排列方式使得发动机在顺滑性、制造费用和外型上有着各自的优点和缺点，配备在相应的汽车上。

四、排量

混合气的压缩和燃烧在燃烧室里进行，活塞往复运动，你可以看到燃烧室容积的变化，最大值和最小值的差值就是排量，用升（L）或毫升（CC）来度量。

汽车的排量一般在1.5L~4.0L之间。

每缸排量0.5L，4缸的排量为2.0L，如果V型排列的6汽缸，那就是V63.0升。

一般来说，排量表示发动机动力的大小。

所以增加汽缸数量或增加每个汽缸燃烧室的容积可以获得更多的动力。

五、发动机的其他部分

凸轮轴控制进气阀和排气阀的开闭

火花塞火花塞放出火花点燃油气混合气，使得爆炸发生。

火花必须在适当的时候放出。

阀门进气、出气阀分别在适当的时候打开来吸入油气混合气和排出尾气。

在压缩和燃烧时，这两个阀都是关闭的，来保证燃烧室的密封。

活塞环在气缸壁和活塞中提出密封：

1．防止在压缩和燃烧时油气混合气和尾气泄漏进润滑油箱。

2．防止润滑油进入汽缸内燃烧。

大多“烧机油”的汽车就是因为发动机太旧：

活塞环不再密封引起的（尾气管冒青烟）

活塞杆连接活塞环和曲轴，使得活塞和曲轴维持各自的运动。

润滑油槽包围着曲轴，里面有相当数量的油。

何谓正时

一具引擎要能正确的运转，所有零件都要能在正确的时间和正确的位置做正确的事，在最佳的协调下，发挥应有的性能。

就像一支部队要作战前，指挥官会分配每一组甚至每个人个别的任务，大家接受任务后，还有一件事很重要，没错，就是：

对表！

所有人都必须在一个独一的时间轴内完成任务。

大家都必须各自在正确的时间到达定位，这就是「正时」。

那么，在引擎中要怎么「对表」，又要以谁为准呢？

引擎中最主要的转动是曲轴，所以所有的正时都以曲轴旋转角度做为基准。

以一个单缸引擎为例，当活塞在上死点时为0度，到了下死点时为180度，四行程引擎以720度为一循环，所有运转件就以曲轴的运转为准，曲轴每旋转720度，所有运作就完成一次循环。

凸轮之所以能在正确的时机开启汽门，便是靠着正时链条，与曲轴保持正确的正时。

曲轴正时齿盘

我们知道引擎中一切的运转都以曲轴为准，所以曲轴就有责任将它的正时「告知」所有机件。

由于现在ECU的运算分辨率越来越高，甚至达到32位以上，所以需有一机件能精确的撷取正时讯号。

目前大部分引擎会在曲轴的一端装设一个齿盘，再由一个磁感sensor来接收并产生讯号。

假设齿盘有60齿，一圈360度则每一齿间距为6度，当曲轴转动时，齿盘会以相同的转速跟着曲轴转动，而每一齿经过sensor时，会感应一个磁场，并由sensor转换为电子讯号让ECU得知目前的曲轴角度，好使喷油、点火等动作能在正确时机作动。

正时皮带与正时链条

现在引擎多是顶置式凸轮轴的设计，就是将凸轮轴设置在引擎缸头上，要驱动凸轮轴必须利用皮带或炼条使之与运转中的曲轴连结。

就如前面提到的，凸轮轴的运转也需要「正时」，所以在安装正时皮带时，凸轮和曲轴的正时必须对妥。

由于正时皮带属于耗损品，而且正时皮带一旦断裂，凸轮轴当然不会照着正时运转，此时极有可能导致汽门与活塞撞击而造成严重毁损，所以正时皮带一定要依据原厂指定的里程或时间更换。

而正时炼条则会有相当长的寿命，所以选购配置正时炼条引擎的车，会省去更换正时皮带的麻烦与开支。

节气门与进气歧管

节气门是在进气的管道中，加入一组蝴蝶阀，利用阀片旋转角度不同、开口不同的方式，控制进气量，进一步控制引擎的动力。

现在车辆多采用电子节气门设计，可由引擎控制模块进行精确的控制，让输出提高、油耗下降。

新鲜空气自进气道、空气滤清器一路往引擎前进，下一个会碰到的就是节气门，也就是俗称的「油门」。

这是整个引擎，唯一由驾驶人所控制的机构，在化油器引擎中，这个任务则由化油器担任；而在喷射供油引擎中，节气门阀体取代了化油器。

在采用了喷射供油系统后，燃油直接在进气门前由喷射器射出，节气门阀体便少了使燃油与空气混合的任务。

但为了能精确控制油气混合，节气门阀体机构并不比化油器简单。

一个典型的节气门体，应具备主进气道及节气门，而节气门是由一弹簧控制，当驾驶者未踩下油门时，节气门处于关闭状态，使大部分的空气被排除在阀门外；而当驾驶踏下油门踏板时，油门拉线便会拉动节气门弹簧，使阀门打开让空气从主进气道进入引擎中。

除此之外，还有一个节气门感知器来把节气门开度转成电子讯号，使得引擎监理系统（ECU）能依据此来控制燃油喷量。

节气门阀体上还有一个怠速控制阀，是由一步进马达控制，引擎ECU会在冷车、启闭冷气、空档与D档变换等时机，控制怠速马达的作动，以调整引擎怠速之合适的进气量。

传统的节气门（油门）是以油门拉线采机械方式驱动，然而为了全车控制的整体性，许多新推出的车型已采用了电子控制的节气门（电子油门）。

新鲜空气自进气道、空气滤清器一路往引擎前进，下一个会碰到的就是节流阀，也就是俗称的「油门」。

这是整个引擎，唯一由驾驶人所控制的机构，在化油器引擎中，这个任务则由化油器担任；而在喷射供油引擎中，节流阀体取代了化油器。

在采用了喷射供油系统后，燃油直接在进气门前由喷射器射出，节流阀体便少了使燃油与空气混合的任务。

但为了能精确控制油气混合，节流阀体机构并不比化油器简单。

一个典型的节流阀体，应具备主进气道及节流阀，而节流阀是由一弹簧控制，当驾驶者未踩下油门时，节流阀处于关闭状态，使大部分的空气被排除在阀门外；而当驾驶踏下油门踏板时，油门拉线便会拉动节流阀弹簧，使阀门打开让空气从主进气道进入引擎中。

除此之外，还有一个节流阀感知器来把节流阀开度转成电子讯号，使得引擎监理系统（ECU）能依据油门开度来控制燃油喷量。

节流阀体上还有一个怠速控制阀，是由一步进马达控制，引擎ECU会在冷车、启闭冷气、空档与D档变换等时机，控制怠速马达的作动，以调整引擎怠速之合适的进气量。

传统的节流门（油门）是以油门拉线采机械方式驱动，然而为了全车控制的整体性，许多新推出的车型已采用了电子控制的节流阀（电子油门）。

进气歧管

在谈到进气歧管之前，我们先来想想空气是怎样进入引擎的。

在引擎概论中我们曾提到活塞在汽缸内的运作，当引擎处于进气行程时，活塞往下运动使汽缸内产生真空（也就是压力变小），好与外界空气产生压力差，让空气能进入汽缸内。

举例来说，大家都应该有被打过针，也看过护士小姐如何将药水吸入针桶内吧！

假想针桶就是引擎，那么当针桶内的活塞向外抽出时，药水就会被吸入针桶内，而引擎就是这样把空气吸到汽缸内的。

由于进气端的温度较低，复合材料开始成为热门的进气歧管材质，其质轻则内部光滑，能有效减少阻力，增加进气的效率。

好了，回到主题，进气歧管位于节气门与引擎进气门之间，之所以称为「歧管」，是因为空气进入节气门后，经过歧管缓冲统后，空气流道就在此「分歧」了，对应引擎汽缸的数量，如四缸引擎就有四道，五缸引擎则有五道，将空气分别导入各汽缸中。

以自然进气引擎来说，由于进气歧管位于节气门之后，所以当引擎油门开度小时，汽缸内无法吸到足量的空气，就会造成歧管真空度高；而当引擎油门开度大时，进气歧管内的真空度就会变小。

因此，喷射供油引擎都会在进气歧管上装设一个压力计，供给ECU判定引擎负荷，而给予适量的喷油。

歧管真空不只可用来供给判定引擎负荷的压力讯号，还有许多用处呢！

如煞车也需要利用引擎的真空来辅助，所以当引擎发动后煞车踏板会轻盈许多，就是因为有真空辅助的缘故。

还有某些形式的定速控制机构也会利用到歧管真空。

而这些真空管一旦有泄漏或者不当改装，会造成引擎控制失调，也会影响煞车的作动，所以奉劝读者尽量不要于真空管上作不当的改装，以维护行车的安全。

进气歧管的设计也是大有学问的，为了引擎每一汽缸的燃烧状况相同，每一缸的歧管长度和弯曲度都要尽可能的相同。

由于引擎是由四个行程来完成运转程序，所以引擎每一缸会以脉冲方式进气，依据经验，较长的歧管适合低转速运转，而较短的歧管则适合高转速运转。

所以有些车型会采用可变长度进气歧管，或连续可变长度进气歧管，使引擎在各转速域都能发挥较佳的性能。

直列引擎VSV型引擎直列引擎

直列引擎

一如其名，直列引擎的汽缸均排成一直线。

引擎的所有汽缸均排列在同一平面上，形成一直列的情形，称为直列引擎。

以直列四汽缸引擎为例，常见的标示方式有二种，一是取与排列外型相似的I做标示，就标示为「I4」。

另外一种则是以英文Line做开头，而标示为「Line4」或「L6」以代表直列4汽缸或是直列6汽缸引擎之意。

V型引擎

汽缸数增加，采用V型汽缸配置的引擎可以有效减少引擎体积，增加车室空间。

引擎的汽缸分别排列在二个平面上，此二个平面相互产生一个夹角。

汽缸呈V型排列的引擎会因汽缸数量的不同，而有60、90、120度三种常见的角度。

夹角为180度的引擎则另外称为「水平对置式引擎」。

冷却系统

冷却系统的功用

冷却系统的功用是带走引擎因燃烧所产生的热量，使引擎维持在正常的运转温度范围内。

引擎依照冷却的方式可分为气冷式引擎及水冷式引擎，气冷式引擎是靠引擎带动风扇及车辆行驶时的气流来冷却引擎；水冷式引擎则是靠冷却水在引擎中循环来冷却引擎。

不论采何种方式冷却，正常的冷却系统必须确保引擎在各样行驶环境都不致过热。

冷却循环

因为多数车辆皆采用水冷式引擎，所以本文以介绍水冷式引擎之冷却循环为主。

在水冷引擎的冷却循环中，可分为「小循环」与「大循环」。

小循环是指冷却水仅在引擎内循环，而大循环则是冷却水在引擎与热交换器（水箱）间循环。

为什么要有大循环与小循环呢？

主要是因为引擎在冷车时温度低，此时少量的冷却水在引擎内作小循环，使引擎能迅速达到工作温度；一旦引擎达到工作温度，控制大、小循环转换的温度控制阀（俗称水龟）则会开启，让冷却水能流至水箱内让空气将热带走，引擎温度越高，水龟开启的程度就越大，冷却水的流量也越大，好带走更多的热量。

冷却水的循环是靠水泵浦带动的，水泵浦则是由引擎的运转所驱动，所以当引擎转速越高，水泵浦的运转效率也越高。

冷却液的特性

冷却液是由纯水与水箱精案一定比例调制而成，水箱精能提高冷却水的沸点。

纯水在常温常压下的沸点是100℃，一旦引擎温度过高，会使冷却水沸腾成为水蒸气，而水在气态下的热对流系数远低于液态，所以气态的水蒸气几乎无法带走引擎的热量，此时引擎温度会迅速升高而损害引擎。

所以水箱精将冷却水的沸点提高，以确保冷却液在高温时仍是液态，才能带走引擎产生的热。

供油系统

化油器

我们在「进气系统」这个单元时有约略谈过化油器，化油器最主要的功用是控制进入进气歧管的燃料流量，以及使燃料与空气正确混合。

化油器主要是利用「文氏管（Venturi）效应」将燃油吸入化油器内与空气混合，供引擎燃烧。

什么是文氏管效应呢？

依据流体力学中的「白努利（Bernoulli）定律」，在一个连续固定的流场中，当流体流速增加时，流体的压力会下降。

而文氏管效应就是利用流体（空气）流速增加所产生的低压吸力，而将燃油吸入空气中。

在化油器中，空气流经口径较窄的喉部被加速，因加速产生的低压会将燃油吸出与空气混合。

常见的化油器设计，是将燃油送至化油器浮筒室中储存，当节流阀板开启时，燃油会因文氏管效应而从主油孔让燃油被吸至空气流道中，除此之外，还有怠速控制系统来控制怠速及低负荷的燃油供应；副文氏管系统则在引擎油门全开时将油气增浓；加速泵会在突然大脚油门时，给予引擎更多的燃料好维持正确的燃烧，以提供实时的加速性；阻风门在冷车启动时，会挡住大部分的空气进入化油器，以提供较浓的油气，使引擎能正常启动。

虽然化油器的成本低、可靠度高，而且维修、保养容易，但由于化油器几乎是以机械方式供油，其供油精准度已无法应付严苛的环保法规，所以这几年市售的新型汽车，已经不再使用化油器了。

喷射供油

近年来上市的车辆，几乎都是采用喷射供油系统，最主要的原因也是因为要因应日趋严苛的环保法规。

喷射供油系统从早期的机械式单点喷射一直演化至目前的电子式多点喷射，那么，何谓单点喷射及多点喷射呢？

假设一个四缸的引擎，由单个喷油嘴至于进气歧管分支之前，油料由一处喷入后在随着进气分布到四个汽缸内，这是单点喷射；而喷油嘴置于四个汽缸之各器缸的进气道者，因为每缸各有一个喷油嘴，四缸引擎则有四个喷油嘴，这称为多点喷射，本单元将谈论目前广泛使用之多点喷射的原理。

从燃油路径来看，首先燃油泵浦自油箱中将油料送至输油管中，输油管再将油料送至油轨内，而油轨由调压阀来控制燃油压力，并且确保送至各缸的燃油压力皆能相同。

另一方面，调压阀也会借着泄压将过多的油料送至回油管而流回油箱中。

而喷油嘴一端连接于油轨上，喷嘴则为于各个器缸的进气道上。

引擎ECU根据引擎运转状况会对喷油嘴下达喷油指令，喷油量是由燃油压力及喷油嘴喷油时间所决定，燃油压力在油轨处已由调压阀所控制，而燃油调压阀之压力是由歧管真空（引擎负荷）调整，所以ECU能控制的就是喷油时间，当引擎需要较多的燃油时，喷油时间就会较长，反之则喷油时间较短。

喷油嘴本身是一个常闭阀（常闭阀的意思是当没有输入控制讯号时，阀门一直处于关闭状态；而常开阀则是当没有输入控制讯号时，阀门一直处于开启状态），由一个阀针上下运动来控制阀的开闭。

当ECU下达喷油指令时，其电压讯号会使电流流经喷油嘴内的线圈，产生磁场来把阀针吸起，让阀门开启好使油料能自喷油孔喷出。

喷射供油的最大优点就是燃油供给之控制十分精确，让引擎在任何状态下都能有正确的空燃比，不仅让引擎保持运转顺畅，其废气也能合乎环保法规的规范。

点火系统

引擎依照运转模式不同可分为火花点火（SISparkIgnition）引擎及压缩点火（CICompressionIgnition）引擎，汽油引擎属于火花点火引擎，而柴油引擎则属于压缩点火引擎。

汽油引擎既是属于火花点火引擎，其点火就必须借着点火系统来完成。

火花（星）塞

顾名思义，火花点火引擎要点火就必须靠火花，而火花是借着火星塞产生的。

火星塞藉螺牙锁付在引擎燃烧式的顶端，也就是在缸头上进、排气门之间，火星塞在头部有一中央电极及接地电极，接地电极是由螺牙部分延伸出来成L形，与中央电极维持0.7到0.9mm的间隙，火星塞尾部则与高压导线连接。

当高压导线将极高的电压送至火星塞时，造成火星塞的两个电极间极大的电位差，导致两极间隙间原本无法导电的空气成为导体，电流便以离子流（IonizingStreamers）的方式由一个电极传至另一电极，产生电弧（ElectricArc）来点燃引擎是中的油气。

若您还是觉得不好理解，可以去观察瓦斯炉或放电式打火机的点火方式，火星塞的点火方式跟它们很类似。

各式火星塞除了会有大小上不同外，相同大小的火星塞还会有热值（HeatRating）的不同。

热值大的火星塞其电极绝缘包覆的部分较长，适用运转温度较低的引擎；而热值较小的火星塞其电极绝缘包覆的部分较长，适用运转温度较高的引擎，如竞技用引擎。

各式车辆必须依照原厂规定的火星塞规格选用火星塞，若使用热值过高的火星塞，引擎容易因温度过高而爆震；使用热值过低的火星塞，引擎则可能因燃烧温度过低而造成燃烧不完全或积碳。

分电盘点火与电子点火

分电盘是以机械方式控制各缸的点火时机，其中有一转子在分电盘中旋转，其旋转轴是由引擎带动并且转速是引擎曲轴转速的二分之一，连接至各缸火星塞的接点则依序设置在分电盘四周。

当转子在分电盘中旋转时，会依序使各缸接点之触发电流导通，并藉高压导线将电传送至火星塞，使火星塞点火。

分电盘上会有一个惯性弹簧-飞轮组来控制随着引擎转速不同之点火提前角，也有真空机构随着不同的引擎负荷来控制点火提前角。

虽然如此，因为分垫盘的点火提前角控制皆为机械式，以引擎科技而言，还是无法称得上精确，但是因成本关系，也有少数2000c.c.以下的引擎采用分电盘点火。

机械组件虽然可靠，但用来作引擎系统的控制总不若电子组件来得精确。

在环保法规的日益严苛及消费者对性能的重视，各家车厂纷纷采用电子点火系统，及其它电子控制系统。

电子点火是每两缸或每一缸由一个高压点火线圈负责，由ECU个别对点火线圈下达点火讯号，其点火提前角是由ECU依据引擎运转状况计算而得，可依据引擎运转作灵活的调整；若配备有爆震感知器的引擎，ECU也能直接对某缸作点火角提前或延后的动作。

所以，爆震感知器只能装设在有电子点火的引擎上，因为分电盘的点火提前角是不受ECU控制的。