嘉定智能低碳汽车科普生态建设项目唐泳健

在汽车的选择时，性能参数的好坏永远是一辆车的主要评价指标之一，而决定性能参数水平的直接因素就是发动机，下面就让笔者简单介绍一下发动机的常用知识。

对老百姓来说，选车时最常听到的就是发动机排量，那么什么是发动机排量呢？发动机排量指的是发动机各气缸工作容积的总和，一般用体积单位升（L）表示，而气缸工作容积指的是活塞从上止点到下止点所扫过的气体容积，单个气缸工作容积叫单缸排量，其取决于缸径和活塞行程。发动机的排量是汽车的重要参数之一，一般来说，排量越大，发动机输出功率越大，与之相关的就是最高车速等指标就越高。

图1相关术语和图示

除去排量，我们还时常在汽车的后备箱处或资料中看到诸如“L4”、“V6”、“V8”、“W12”等字样，这些表示的是发动机气缸的排列形式和缸数，字母表示的是排列形式：“L”表示直列，“V”表示v型排列，“W”表示w型排列。数字表示的则是缸数，乘用车发动机常见的缸数一般有3、4、6、8、10、12缸。

一般来说，排量1L以下的发动机多是3缸，如比较老的0.8L的奥拓以及现在本田1.0L的车型；排量1.0到2L的多是四缸发动机，这种发动机也是目前大多数乘用车使用的发动机类型；3L左右的发动机则是6缸居多，比如即将上市的2.5T的大众揽境以及3.0的别克君威；4升左右的大多为8缸，比如排量4.7L的北京吉普JEEP；而排量5.5L以上的则多为12缸发动机，例如排量6L的宝马Li。总的来说，同等缸径下，缸数越多排量一般越大，功率也随之越高；而在发动机排量相同的情况下，缸数越多，缸径越小，这样会使发动机转速提高，从而获得较大的提升功率。

说完了缸数，那气缸排列形式的不同又有什么影响呢？一般来说，3缸、4缸的发动机大多数采用的是直列，还有少数6缸也采用直列方式。直列发动机的气缸体成一字排开，缸体、缸盖和曲轴结构简单，制造成本低，低速扭矩特性好，燃料消耗相对较少，尺寸紧凑，应用也比较广泛。但尺寸的合适针对的多是3缸和4缸，缸数多的的诸如8缸以上的如果采用直列式尺寸上就不合适了。直列式也有缺点，直列的一般功率较低。一些6缸的发动机采用直列是因为直列的宽度小，可以在旁边布置增压器等设施，典型车型是北京吉普的JEEP。

不仅如此，因为直列6缸发动机的动平衡较好，振动也相对较小，所以也被一些中高级轿车使用。

图2常见两种发动机类型

6缸到12缸的发动机多采用V型排列，V10的发动机多用在赛车上，V型发动机长度和高度尺寸小，布置起来非常方便，但对制造工艺的要求也更高，所以制造成本也更高，一般使用V型发动机的多是一些豪华品牌。V8发动机结构非常复杂，制造成本在V型发动机中最高，所以使用较少，V12发动机过大过重，一般在极个别高级轿车上使用，比如前文提到的宝马Li。大众公司还开发出了W型发动机，有W12和W8两种，W型指的是气缸分四列错开角度布置，形体紧凑，最有名的车型是大众的顶级豪华轿车辉腾，该车就采用了一款排量6.0L的W12发动机。

说完了发动机的常见参数，下面简单介绍一下发动机的基本构造，业内人士常常称发动机的构造为“两大机构、五大系统”：曲柄连杆机构、配气机构以及进排气系统、燃油供给系统、冷却系统、润滑系统和起动系统。

一、曲柄连杆机构

图3曲柄连杆机构示意图

曲柄连杆机构是由活塞连杆组和曲轴飞轮组组成，该机构的存在是为了实现发动机的工作循环，完成能量转换。工作时，曲柄连杆机构在作功行程把活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动，向外输出力，而在其他三个行程又把曲轴的旋转运动转变成活塞的往复直线运动，并且消耗部分功，保证活塞的周而复始的运动。

二、配气机构及进排气系统

图4配气机构示意图

配气机构由曲轴带动、定时地打开进排气门，使新鲜空气充入气缸，将燃烧后的废气排出。配气机构一般包括气门组、气门驱动组和正时传动组。配气定时直接影响发动机的性能。不同工况下有不同的配气定时要求，因此要求现代发动机广泛采用各种各样的可变配气机构。

进气系统用来向各气缸尽量多地提供均匀、干净、新鲜的空气。增压发动机通过进气增压提高充气效率，以增加发动机的功率和转矩。增压的方式一般有机械增压、废气涡轮增压等等。

三、燃油供给系统

图5燃油供给系统示意图

汽车的燃油供给系统根据发动机的不同工况要求，定时制备一定数量的燃油，配制出一定数量和浓度的可燃混合气，以供给气缸中的燃烧作功。

汽油机的燃油供给系统经历了化油器时代和电控喷射时代，化油器是在发动机工作产生的真空作用下，将一定比例的汽油与空气混合的机械装置。用于早期汽车发动机上，原理设计很出色，但随着电控喷射、分层燃烧等效率更高技术的出现逐渐被淘汰。现代汽油机多采用进气道电控喷射系统，还包括常见的缸内直喷技术。

四、润滑系统

图6润滑系统示意图

润滑系的功用是向作相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油，以实现液体摩擦，减小摩擦阻力，减轻机件的磨损。并对零件表面进行清洗和冷却。润滑系统由机油泵、集滤器、限压阀、油道、机油滤清器等组成。

五、冷却系统

图7冷却系统示意图

冷却系统将受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。水冷式冷却系统由水套、水泵、散热器、风扇、节温器等组成。风冷式由风扇和散热片等组成。

五、起动系统

图8起动系统示意图

要使发动机由静止状态过渡到工作状态，必须先用外力转动发动机的曲轴，使活塞作往复运动，气缸内的可燃混合气燃烧膨胀作功，推动活塞向下运动使曲轴旋转。发动机才能自行运转，工作循环才能自动进行。因此，曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动地怠速运转的全过程，称为发动机的起动。完成起动过程所需的装置，称为发动机的起动系。它由起动机及其附属装置组成。

最后，再和大家简单介绍一下常见汽油机的工作原理，一般的汽油机采用的多是四冲程的工作原理，四冲程分别是：进气、压缩、作功、排气。

一、进气行程

图9进气行程示意图

曲轴旋转，活塞从上止点向下止点运动，此时排气门关闭，进气门打开。随着活塞下移，气缸内容积增大，压力减小，在气缸内产生一定的真空度，在外界大气压作用下空气经过空气滤清器和进气管道等，通过进气门进入气缸，直至活塞运动到下止点附近。一般汽油机在空气进入气缸前，燃油供给系统向进气管道提供汽油，并与空气形成可燃混合气，经进气管和进气门进入气缸直喷汽油机由喷嘴将汽油直接喷入气缸。

二、压缩行程

图10压缩行程示意图

曲轴继续旋转，活塞由下止点向上止点运动，进排气门都关闭气缸内成为封闭容积，可燃混合气受到压缩，压力和温度升高，当活塞到达上止点时压缩行程结束，可燃混合气压力达到0.6-1.2MPa，温度可达-K。

三、作功行程

图11作功行程示意图

作功行程包括燃烧和膨胀过程，进排气门均关闭。当活塞运动到上止点附近时，火花塞产生电火花点燃混合气。汽油机靠火花塞点燃混合气，又称点燃式发动机。可燃混合气燃烧后放出大量的热，使气缸内的温度和压力急剧升高，压力可达5-7MPa，温度达K左右。高温高压气体推动活塞从上止点向下止点运动，通过连杆使曲轴旋转并输出动力，维持发动机本身运转，并对外作功。随着活塞向下运动，气缸内容积增加，气体压力和温度降低。当活塞运动到下止点时，作功行程结束，气体压力降低到0.3MPa左右，温度降低至K左右。

四、排气行程

图12排气行程示意图

当作功行程接近终了时，排气门开启、进气门仍然关闭，活塞到达下止点后向上止点运动，燃烧后的废气在自身压力和活塞的推动下经排气门排出，活塞越过上止点后，排气门关闭，排气行程结束。由于燃烧室容积的存在，不可能将废气全部排出气缸。受排气阻力的影响，排期终了时，气体压力仍高于大气压，约为0.-0.MPa，温度约为-K。

除了常见的四冲程，还有二冲程的发动机。本质上二冲程还是完成了四冲程的所有步骤，只是前后过程互有重叠，宏观上看只经历了两个阶段。二冲程发动机结构简单，动力强劲，但零部件损耗更快、燃油消耗大幅增加以及污染更为严重的问题导致二冲程的发动机注定无法大量使用。

发动机是一辆车的心脏，发动机的好坏也是决定这辆车品质高低的一个重要因素。过去发动机的设计与制造一直被欧美制造强国垄断，但幸运的是，在科技日益发展的今天，国产发动机的制造也不断进步，奇瑞、长城、比亚迪等厂商在发动机技术上持续投入，也象征着我国研发和制造水平的提升，相信在不久的将来，国产发动机也能走向世界。

嘉定智能低碳汽车科普生态建设方案，上海市科委科普项目资助（项目编号：20DZ）