汽车发动机工作原理

作者: 
Marshall Brain
来源: 
博文网

您是否曾经打开过汽车的发动机罩并且很奇怪里面都是些什么东西? 汽车发动机看上去就像一大堆乱七八糟的金属、管路和导线的混合体。

2003吉普大切诺基的发动机
戴姆勒克莱斯勒供图
2003吉普大切诺基的发动机

出于好奇,您可能想知道大概是怎么回事。 或者,您可能想买一辆新车,您听说过“3.0升V-6”、“双顶置凸轮轴”和“经过调校的进气燃油喷射”这些东西。 它们是什么意思呢?

在本文中,我们将讨论有关发动机的基本概念,并详细了解发动机的所有组成部分、可能出问题的地方以及如何提高发动机性能。

汽油发动机的目的在于将汽油转换为运动,以便汽车能够开动。 目前将汽油变成运动的最简单方法是在发动机中燃烧汽油。 因此,汽车发动机是一种“内燃发动机”——燃烧发生在内部。 需要注意两件事情:

  • 有多种不同的内燃发动机。 柴油发动机是一种,燃气轮机是另外一种。 参见有关HEMI发动机转子发动机和二冲程发动机的文章。 每种发动机都有自己的优缺点。
  • 还有一种外燃发动机。 老式火车和蒸汽轮船中的蒸汽机是外燃发动机。 在蒸汽机中,燃料(煤、木柴、石油等)在发动机外部燃烧并产生蒸汽,由蒸汽在发动机内部形成运动。 内燃机的效率比外燃机高出许多(每公里消耗的燃料更少),而且内燃发动机比同等功率的外燃发动机要小巧很多。 福特和通用这些公司之所以不使用蒸汽机,原因也在于此。

典型汽车发动机的内部构造

典型汽车发动机的内部构造

当前几乎所有汽车都使用往­复式内燃发动机,因为这种发动机具有以下优点:

  • 相对高效(与外燃发动机相比)
  • 相对廉价(与燃气轮机相比)
  • 相对来说易于加注燃料(与电动汽车相比)

这些优点使得其成为驱动汽车的首选技术。

为了了解往复式内燃发动机的工作原理,对“内部燃烧”的工作方式有一个直观的认识十分有帮助。 加农炮是一个很好的例子。 您可能在电影里看到过它们,士兵们向炮中填入火药和炮弹,然后点着它。 这就是我们说的内部燃烧,但是很难想象发动机是如何完成这些过程的。

下面是一个更为形象的例子: 假如有一大段塑料的下水道管子,它的直径为8厘米,长度为90厘米,然后在它的一端安上一个盖子。 接着,在管子中喷洒了一点WD-40,或者放了几滴汽油。 然后,在管子里塞进一个土豆。 就像这样:

我们现在拥有的这个装置通常称作土豆加农炮。

不建议您这样做!但是假如您这样做了,我们现在拥有的这个装置通常称作土豆加农炮。 如果您在其中打出一个火花,那么就可以点着燃料。

有意思的是——而且我们讨论这样一个装置的目的就在于——土豆加农炮可以将土豆发射出大约150米远! 几滴汽油就可以产生如此巨大的能量。

内部燃烧

土豆加农炮的基本原理与所有往复式内燃发动机完全一致: 如果将一点儿高能燃料(例如汽油)放在一个小的密闭空间中并点燃它,它将以气体膨胀的形式释放出巨大能量。 可以使用这些能量将土豆抛出150米远。 在这个例子中,能量被转换为土豆的运动。 也可以使用这些能量完成更有意思的工作。 例如,如果可以建立一个循环,使得在每分钟内可以进行数百次爆炸,然后将能量用于有意义的事情,现在您已经接触到了汽车发动机的核心秘密!

目前几乎所有汽车都使用四冲程燃烧循环来将汽油转化为运动。 四冲程方式又称作“奥托循环”,以此纪念1867年发明它的尼克劳斯•奥托 (Nikolaus Otto)。这四个冲程如图1所示。 它们分别是:

  • 进气冲程
  • 压缩冲程
  • 燃烧冲程
  • 排气冲程
  • ­

循环过程

在图中,可以看到称作“活塞”的装置,它取代了土豆加农炮中的土豆。 活塞通过连杆连接到曲轴。 当曲轴旋转时,它的作用相当于“让加农炮复位”。 在发动机的循环过程中会发生如下事情:

典型汽车发动机的内部构造­

­典型汽车发动机的内部构造
­

1. 活塞开始时位于顶部,排气门打开,然后活塞向下运动,在发动机的气缸中充满空气和汽油的混合物。 这便是吸气冲程。 此时,只需要在空气中混合最少量的汽油即可。 (图中部分1)

2. 然后,活塞向上返回以压缩燃油/空气混合物。 压缩过程使得爆炸更具威力。 (图中部分2)

3. 当活塞到达其冲程的顶部时,火花塞发出一个火花,点燃汽油。 气缸中的汽油爆炸,推动活塞向下运动。 (图中部分3)

4. 在活塞到达其冲程的底部后,排气门开启,废气被排出气缸并进入排气尾管。 (图中部分4)

现在,发动机准备进行下一次循环,再次吸入空气和汽油。

注意,内燃发动机输出的运动是旋转运动,而土豆加农炮产生的运动是线性运动(直线)。 在发动机中,活塞的线性运动转化为曲轴的旋转运动。 而旋转运动非常好,因为我们正好打算通过它让车轮转起来。

下面,让我们看看相互配合工作以实现这一切的所有部件。

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