第二章　汽油发动机

一、汽油发动机基础知识

问题39　汽油发动机的特点是什么，由哪些部分组成？

汽油发动机是以汽油作为燃料，将化学能转化成动能的发动机。由于汽油黏性小、蒸发快，可以用汽油喷射系统将汽油喷入气缸，经过压缩达到一定的温度和压力后，用火花塞点燃，使气体膨胀做功。汽油机的特点是转速高、结构简单、重量轻、运转平稳、使用维修方便等。

汽油发动机是由机体组（包括缸盖、缸体、油底壳）、曲柄连杆机构、配气机构、冷却系统、润滑系统、燃料供给系统、进排气系统和点火系统组成的（图2-1）。

问题40　汽油机的工作原理是怎样的？

发动机运转时，曲轴通过正时带或正时链条带动凸轮轴转动，进气门和排气门随凸轮轴的转动而开启和关闭。曲轴每转动两圈，凸轮轴就转动一圈，各气门开启和关闭一次。进气行程时，把可燃混合气引入气缸，然后将进入气缸的可燃混合气压缩，压缩接近终点时火花塞跳火，点燃可燃混合气，通过燃烧产生动能，驱动发动机气缸内的活塞做往复运动，由此带动连接在活塞上的连杆和与连杆相连的曲柄，围绕曲轴中心做圆周运动，而输出动力。

最终，燃烧后的废气由发动机排气管排出，发动机完成了进气、压缩、做功、排气四个行程。我们把这四个行程称为发动机的一个工作循环，工作循环不断地重复，就实现了能量转换，使发动机能够连续运转。

问题41　汽油机四冲程工作循环是怎样的？

四冲程汽油机的工作过程是一个复杂的过程，它由进气、压缩、做功、排气四个行程（冲程）组成，如图2-2所示。

（1）进气行程　由于曲轴的旋转，活塞从上止点向下止点运动，这时排气门关闭，进气门打开。经过滤清的空气与喷油器喷出的雾状汽油通过进气门被吸入气缸，形成可燃混合气。活塞到达下止点时，进气门关闭，进气行程结束。

（2）压缩行程　曲轴继续旋转，活塞从下止点向上止点运动，这时进气门和排气门都关闭。因为这时容积减小，混合气的压力升高。压缩所需要的功提高了混合气的内能，使其温度升高。快要到达上止点时，火花塞产生电火花点燃可燃混合气，并迅速燃烧，使气体的温度、压力迅速升高而膨胀。

（3）做功行程　随着混合气在缸内的燃料，气体的温度、压力迅速升高而膨胀，推动活塞从上止点向下止点运动，再通过连杆驱动曲轴对外做功，活塞到达下止点时做功行程结束。

（4）排气行程　做功行程终了时，排气门打开，曲轴通过连杆推动活塞从下止点向上止点运动。废气在自身压力和活塞推动作用下，经排气门被排出气缸。

在排气行程结束时，排气门关闭，进气门开始打开，于是进行下一个四冲程工作循环。

问题42　多缸发动机的工作原理是怎样的？

上面介绍的是单缸汽油发动机的工作过程，而汽车发动机都是采用多缸四冲程发动机。就能量转换过程，发动机的每一个气缸和单缸发动机的工作过程是完全一样的，都要经过进气、压缩、做功和排气四个行程。但是单缸发动机的四个行程中只有一个行程做功，其余三个行程不做功，即曲轴每旋转两圈（720°），只有半圈（180°）做功，所以运转平稳性较差。且单缸发动机的功率越大，平稳性就越差。

为了使发动机运转平稳，单缸发动机一般都装有一个大飞轮。而多缸发动机的做功行程是按照工作顺序错开的，即曲轴转两圈时，各缸交替做功，因此运转平稳、振动小。缸数越多，做功间隔角越小，同时参与做功的气缸越多，发动机运转就越平稳。使用最多的有四缸、六缸和八缸发动机。随着国家节能减排法规和一些鼓励措施的出台，小排量发动机越来越受到重视，不少车型包括宝马、奥迪都开始在中低端车型上使用三缸涡轮增压发动机。

问题43　什么是上止点，什么是下止点？

如图2-3所示，上止点是指活塞运动到离曲轴回转中心最远的点，通常指活塞上行到最高位置（接近气缸顶端），这个位置称为TDC。下止点是指活塞离曲轴回转中心最近的点，通常指活塞下行到最低位置，这个位置称为BDC。

1—进气门；2—火花塞；3—排气门；4—燃烧室；5—气缸；6—活塞；7—连杆；8—曲轴

问题44　什么是活塞行程？

活塞行程是指活塞在气缸中运行时，下止点到上止点之间的距离，用S表示。活塞运行时由一个止点到另一个止点的运动过程称为一个冲程。一个冲程曲轴转动半圈180°，完整的四冲程（进气、压缩、做功、排气）则需要曲轴转动两圈720°。

问题45　曲柄半径是指什么？

曲柄半径是指曲轴上的主轴颈中心线到连杆轴颈中心线的垂直距离，用R表示。当气缸轴线通过曲轴的回转中心时，S=2R，即活塞行程是曲柄半径的2倍。

问题46　燃烧室容积、气缸工作容积和总容积分别指什么？

如图2-4所示，燃烧室容积是指活塞在上止点时，活塞上方由活塞顶和气缸盖构成的空间，用Vc表示。气缸工作容积（气缸排量）是指活塞在从一个止点运动到另一个止点间所扫过的（圆柱状）容积，一般用Vh表示。活塞在下止点时，活塞上方的容积称为气缸总容积（Va），它等于气缸工作容积与燃烧室容积之和，即

Va=Vh+Vc

问题47　什么是发动机的排量，怎样计算？

发动机排量VL是发动机的一个重要参数，它是指发动机各缸工作容积（排量）之和，即单缸排量和缸数的乘积。设发动机共有i个气缸，则VL=Vhi。

气缸工作容积是指活塞从上止点到下止点所扫过的容积，又称为单缸排量，它取决于缸径和活塞行程，其计算公式如下。

由公式可知，发动机的缸数越多，缸径（D）和行程（S）越大，发动机的排量就越大。在同等条件下，排量越大的车辆，功率越大，起步扭矩越大，加速性能越好，而排量低的车辆其动力性能相对减弱，起步时动力不足，但比较节油。

问题48　什么是压缩比，对发动机有什么影响？

压缩比是指进入气缸的可燃混合气或纯空气被活塞压缩的比率，即气缸总容积（Va）与燃烧室容积（Vc）的比值。

汽油发动机的压缩比通常在8～11之间，压缩比与发动机性能有很大关系，它代表了活塞由下止点运动到上止点时，气缸内气体被压缩的程度。一般来说，压缩比越高的发动机，可燃性混合气被压缩的体积越小，动力性越足，油耗也越小。但压缩比设计得过高容易导致混合气自燃，引起发动机爆震，发动机工作时抖振会明显增大。

问题49　燃烧室对发动机有什么影响？

燃烧室的形状对燃烧有重要影响，设计优良的燃烧室能够使进气充分，并获得良好的混合气涡流。燃烧室的设计应简洁紧凑，燃烧空间要小，并且能迅速清除排气。半球状和屋顶状燃烧室（图2-5）已在实践中被证明有优越性。燃烧室的大小也是决定压缩比的一个因素。

有些发动机采用多气门，每个气缸具有两个进气门和两个排气门，为的是形成更大的进气和排气通道。

问题50　什么是配气相位？

用曲轴转角表示的进、排气门实际开闭时刻和开启持续时间，称为配气相位。配气相位的各个角度可用配气相位图来表示，如图2-6所示。

α—进气提前角；β—进气滞后角；γ—排气提前角；δ—排气滞后角

为了使发动机进气充分、排气彻底，改善发动机的换气过程，提高发动机动力性能，实际上发动机的气门开启和关闭并不恰好在上、下止点，而是适当地提前开启和迟后关闭，以延长进、排气时间。结果，进、排气门开启行程都大于180°曲轴转角。

常用TDC或BDC前/后多少度来表示曲轴转角，即活塞到达止点前/后的曲轴角度。进气门提前多少度转角开启，称为上止点前（BTDC）多少度开启；进气门迟后多少度转角关闭，称为下止点后（ABDC）多少度关闭。

问题51　什么是气门重叠角，有何作用？

由图2-6可知，因发动机的进气门在上止点前就已提前开启，而排气门在上止点后才延迟关闭，这样就会出现排气门尚未关闭而进气门已打开，一段时间内进、排气门同时开启的现象，把这个现象称为气门叠开。同时开启的角度，即进气提前角和排气迟后角之和（α＋δ）称为气门重叠角。

由于叠开时气门的开度较小，且新鲜气体和废气流由于惯性仍保持原来的流动方向，只要叠开角适当，就不会产生废气倒排回进气管和新鲜气体随废气排出的问题。相反，由于混合气或空气提前进入气缸，有利于废气的排出和新鲜空气的吸入，从而提高发动机的动力。

问题52　发动机的点火间隔角是怎样的？

在一个发动机工作循环中，每个气缸都要点火做功一次，且点火间隔角应均衡，以使发动机运转平稳。四冲程发动机的点火间隔角为720°/i（i为气缸数）。四缸发动机点火间隔角为720°/4=180°，六缸发动机点火间隔角为720°/6=120°。缸数越多，则点火间隔时间越短，发动机工作也越平顺。

问题53　发动机的点火顺序是怎样的？

在多缸发动机中，各缸做功都有一个顺序，从而使发动机不断运转，称为发动机的点火顺序。点火顺序取决于发动机的结构、曲轴的设计和曲轴负荷等因素。连续做功的两缸相隔尽量远些，V型发动机左右两排气缸尽量交替做功等。

①直列式4缸发动机的点火顺序是1-3-4-2或1-2-4-3。

②直列式5缸发动机的点火顺序是1-2-4-5-3。

③直列式6缸发动机的点火顺序是1-5-3-6-2-4或1-4-2-6-3-5。

④V型6缸发动机气缸序号的排列方法是不统一的。人坐在驾驶室内，如果气缸顺序是右边自前往后为1、3、5，左边自前往后为2、4、6，则点火顺序一般是1-4-5-2-3-6。

问题54　发动机的旋转方向是怎样的？

发动机的转动方向分为逆时针和顺时针，多数发动机是顺时针方向转动的。顺时针旋转式发动机是指曲轴向顺时针方向（朝动力输出端如曲轴皮带轮看去向右旋转）转动的发动机。简单地说就是从前方看去，发动机向顺时针方向旋转。

问题55　什么是直列式发动机？

直列式发动机具有一个气缸列和一根曲轴，所有气缸都以气缸轴线平行的方式依次排成一行，因此直列式发动机又称L型发动机。L4表示直列4缸发动机（图2-7），常见的有L3、L4、L5、L6直列式发动机。

直列式是汽车上应用最为广泛的气缸排列形式，尤其是2.5L排量以下的发动机，排量为1.2L以下的微型车常采用L3发动机。这种发动机的优势在于尺寸紧凑，稳定性高，低速扭矩特性好并且燃料消耗也较少，制造成本更低。

问题56　什么是V型发动机？

V型发动机有两个气缸列和一根曲轴，两个气缸列通常构成60°～90°的夹角，从剖面看呈V形。两个气缸列的每对对置连杆共用曲轴的一个曲柄轴颈。常见的有V6和V8发动机，3.5L排量以下（含）的发动机常采用V型6缸布置，3.5L排量以上的发动机采用V型8缸布置。

V型发动机缩短了机体的长度和高度，更低的安装位置便于装载在风阻系数更低的车身上，同时得益于气缸对向布置，还可抵消一部分振动，使发动机运转更为平顺和安静。V型发动机的缺点则是必须使用两个气缸盖，结构较为复杂，成本较高。另外，其宽度加大后，发动机两侧空间较小，不易再安排其他装置。

问题57　什么是VR发动机？

为了满足在中低挡车辆上横向安装大功率发动机的需要，大众汽车研制了一种VR发动机。六个相互成15°或更小的角度偏置布置的气缸容纳在一个不太宽的且较短的发动机缸体上，VR发动机很好地将L型与V型发动机在各自尺寸上的优势集成在一起。此类发动机不同于V型发动机，它只有一个气缸盖，并且比V型发动机更窄，大众高尔夫等车辆上能够安装紧凑的VR6发动机（图2-8）。

这种气缸排列比较特殊的发动机在大众的车型上被广泛应用，而且还推出了3.2L和3.6L两个排量的发动机。其中3.2L的VR6发动机曾搭载于高尔夫R32以及奥迪TT上，3.6L的发动机则应用于R36、途锐、辉腾等车型。

问题58　什么是W型发动机？

为了能够在更紧凑的发动机空间中容纳更多的气缸，德国大众公司综合了V型发动机与VR发动机的布置特点，设计出了W型发动机。在V型发动机上，所有气缸分布在两个气缸组上，在W8与W12发动机上，这些气缸组相互成72°V形夹角。与VR发动机一样，每个气缸组内的气缸间夹角为15°。

W型发动机可以做得更短一些，这样就能节省发动机所占的空间，同时减轻了重量，但它的宽度更大，使发动机舱更满。常见的W型发动机有大众奥迪的W8、W12（图2-9）发动机，这种发动机因气缸多，排量相对较大，动力更强。

问题59　什么是水平对置式发动机？

水平对置式发动机两组气缸的V形夹角为180°，且曲柄轴颈采取对置方式布置（图2-10）。因此，活塞进行相向和分离运动，像一个拳击手在做击打动作，这就是取名为水平对置式发动机的原因。两侧活塞产生的力矩相互抵消，大大降低了振动。由于它的气缸为“平放”，因此降低了汽车的重心，同时又能让车头设计得又扁又低。这些因素有利于提高车辆的操控性能，并增强汽车的行驶稳定性。

由于水平对置结构较为复杂，机油润滑等问题较难解决，这种发动机的制造成本和工艺难度较高。目前，世界上只有保时捷和斯巴鲁两个厂商在使用。斯巴鲁车系几乎全采用水平对置式发动机，并以此闻名。

问题60　发动机机体组由哪些部分组成？

如图2-11所示，按照发动机从上到下的顺序，机体组主要由气缸盖罩、气缸盖、气缸垫、气缸体（曲轴箱）和油底壳等组成。

机体组是构成发动机的骨架，是发动机各种机构和各系统的安装基础，其内、外安装着发动机的所有主要零件和附件，承受各种载荷。因此，机体组必须要有足够的强度和刚度。气缸盖用来封闭气缸顶部，并与活塞顶和气缸壁一起形成燃烧室。另外，气缸盖和机体内的水套和油道以及油底壳又分别是冷却系统和润滑系统的组成部分。

问题61　发动机悬置系统起什么作用，由哪些部分组成？

发动机悬置系统用来衔接动力总成和车身，主要作用是支撑动力总成，减少动力总成的振动对整车的影响，限制动力总成的抖动量，对整车噪声控制起着很大的作用。乘用车一般采用三点式或四点式橡胶悬置，中高级轿车会配合液压悬置或主动控制支座一起使用。悬置内的液压减振机构大大降低了动力总成的低频运动，因此大大提高了车辆的振动舒适性。主动控制支座能上下移动来消除传送至车架的发动机振动，这样就减少了车辆怠速时能被驾驶员感觉到的振动。发动机所产生的扭矩由摆动支承吸收，这个摆动支承是一个弹性支座，该支座直接连在变速器上并通过副车架与车身相连。