汽车发动机论文.doc

小学期论文

题 目 现有轿车发动机的工作原理及 其优缺点分析

专 业 机械设计制造及其自动化
学 号 141310106
学 生 安明磊

0

摘 要
汽车发动机为汽车提供动力，是汽车的心脏，影响汽车的动力性、经济性和环保性。简单讲发动机就是一个能量转换机构，即将汽油(柴油)或天然气的热能，通过在密封汽缸内燃烧气体膨胀时，推动活塞作功，转变为机械能，这是发动机最基本的原理。发动机所有结构都是为能量转换服务的，发动机伴随着汽车走过了100多年的历史，无论是在设计上、制造上、工艺上还是在性能上、控制上都有很大的提高，但其基本原理仍然未变，这是一个富于创造的时代，那些发动机设计者们，不断地将最新科技与发动机融为一体，把发动机变成一个复杂的机电一体化产品，其类型也是多种多样。本文的主要工工作是分析现有轿车发动机类型的工作原理以及分析其优缺点。

关键词：发动机类型；工作原理；优缺点

目 录
摘 要 2

第1章 绪 论 4
1.1 课题背景 4
1.2 本文完成的主要内容 4
第2章 现有轿车发动机类型分类 5
2.1 按照结构分类 5
2.2 按照发动布局分类 6
2.3 按照燃料分类 6
2.4 按照燃燃烧特点分类 6
第3章 现有轿车发动机的工作原理及其优缺点分析 7
3.1 直列发动机 7
3.2 V型发动机 8
3.3 W型发动机 9
3.4 水平对置发动机 10
3.5 转子发动机 11
3.6 柴油发动机 13
3.7 汽油发动机 14
3.8 缸内直喷发动机 15
3.9 机械增压发动机 16
3.10涡轮增压发动机 17
3.11自然吸气发动机 18
参考文献 19

第1章 绪 论

1.1 课题背景
汽车整体技术日新月异，而作为汽车的心脏——发动机技术的进步显得更受关注。如今介绍一辆汽车的发动机时：直列，V型，W型，水平对置，缸内直喷技术，机械增压，涡轮增压技术，等等都已经运用的相当广泛。作为汽车的心脏——发动机技术的进步显得更受关注。

1.4 本文完成的主要内容：
（1） 通过查阅书籍以及网搜资料对现有轿车发动机类型进行分类。
（2） 依据汽车工业图书以及网络学术搜索介绍各种发动机的工作原理。
（3） 通过分析发动机的工作原理并结合实例分析不同类型发动机的优缺点。

第2章 现有发动机类型分类
2.1 按照结构分类
　 一台汽车发动机往往具有3个以上的汽缸，对于汽车发动机主要的分类方式是根据汽缸的布局及排列方式来划分。一般有直列、V型、W型以及水平对置等几种。
直列发动机(LineEngine) 它的所有汽缸均按同一角度肩并肩排成一个平面，使用一个汽缸盖。
直列发动机在国产车中应用十分广泛，几乎所有中档以下国产车及采用四缸发动机的车型都是直列发动机。实例：宝马公司一直是直列发动机的坚决拥护者，宝马的L6(直列六缸)发动机无论在技术含量、缸数上还是在性能表现上都可算是直列发动机的极致。

V型发动机 将所有汽缸分成两组，把相邻汽缸以一定夹角布置一起，使两组汽缸形成有一个夹角的平面，从侧面看汽缸呈V字形，故称V型发动机。
目前国产的中高档车型中，不少采用V型6缸发动机，比如君威，帕萨特及奥迪A6等等。

W型发动机 W型发动机是德国大众专属发动机技术。将V型发动机的每侧汽缸再进行小角度的错开(如帕萨特W8的小角度为15度)，就成了W型发动机。或者说W型发动机的汽缸排列形式是由两个小V形组成一个大V形。严格说来W型发动机还应属V型发动机的变种。

水平对置发动机 如果将直列发动机看成夹角为0度的V型发动机，当两排汽缸的夹角扩大为180度，汽缸水平对置排列，就是水平对置发动机了。
实例：水平对置发动机是日本富士汽车的招牌技术之一，富士WRX-STi车型采用水平对置发动机。

转子发动机 传统发动机都是通过汽缸内活塞的往复运动最终驱动车子前进，发动机及气缸本身都是相对不动的，而转子发动机则是一种三角活塞旋转式发动机，它采用三角转子旋转运动来控制压缩和排放。
实例：至今为止，将转子发动机技术成熟运用于市场产品的仅有马自达一家厂家。目前马自达RX-8跑车采用转子发动机技术。
2.2按照发动布局分类
按照发动机在车身上的布局，还可以分成前置发动机、中置发动机以及后置发动机三种。
前置发动机 即发动机位车前轮轴之前。

后置发动机 后置发动机往往对应于一些后轮驱动的大马力车型，典型车型为保时捷的911系列跑车。

中置发动机 即发动机位于汽车的前后轮轴之间

2.3 按照燃料分类
柴油机
汽油机

2.4 按照燃燃烧特点分类
1.缸内直喷发动机 在缸内直喷发动机中，只有空气吸入到燃烧室，燃料被精确控制的注射器直接喷射到燃烧室。
2.增压发动机
（1）机械增压发动机 此类增压器是以不增加引擎排气量为前提，使动力轮输出提升的方法。是直接利用引擎出力来驱动增压器，再将高密度空气送入汽缸内以提高引擎的输出功率。

（2）涡轮增压发动机 涡轮增压器就是一个气泵，由发动机排出的废气来驱动涡轮增压器一侧的叶轮，当它越转越快时，另一侧的叶轮也在同步加快，增大了进入燃烧室的进气量。
3.自然吸气发动机

第3章 现有轿车发动机的工作原理及其优缺点分析

3.1 直列发动机

工作原理：它的所有汽缸均肩并肩排成一个平面。
现代汽车上主要有L3、L4、L5、L6型发动机。 
6缸直列发动机，最著名的例子就是BMW（宝马）的M3，BMW选用6缸直列发动机的主要目的是为了方便配重和稳定性。
优点：它的缸体和曲轴结构简单，而且使用一个汽缸盖，制造成本较低，稳定性高，低速扭矩特性好，燃料消耗少，尺寸紧凑，应用比较广泛。
缺点：功率较低，当排气量和汽缸数增加时，发动机的长度将大大增加。 
3.2 V型发动机

工作原理： V型引擎汽缸采用V字形排列，将所有汽缸分成两组，把相邻汽缸以一定夹角布置一起，使两组汽缸形成有一个夹角的平面。
代表车型：奥迪的A6、法拉利360、保时捷carrear GT、奔驰S600。分别使用V6,V8,V10,V12发动机。
优点：（1）V型发动机的高度和长度尺寸小，在汽车上布置起来较为方便。尤其是现代汽车比较重视空气动力学，要求汽车的迎风面越小越好，也就是要求发动机盖越低越好；（2）如果将发动机的长度缩短，便能为驾乘舱留出更大的空间，从而提高舒适性。将汽缸分成两排然后“打斜”，便能缩小发动机的高度和长度，从而迎合车身设计的要求；（3）由于汽缸之间已相互错开布置，因此在汽缸之间有较大的空间，这样便于通过扩大汽缸直径来提高排量和功率。V型发动机的汽缸均成一角度对向布置，还可以抵消一部分振动。
缺点：V型发动机的缺点是必须使用两个汽缸盖，结构较为复杂。另外其宽度加大后，发动机两侧空间较小，不易再安排其它装置。
3.3 W型发动机

工作原理：将V型发动机的每侧汽缸再进行小角度的错开(如帕萨特W8的小角度为15度)，就成了W型发动机。或者说W型发动机的汽缸排列形式是由两个小V形组成一个大V形。
由于专利的原因，这种发动机只在大众和奥迪等少量车上可以见到，在欧版大众高尔夫、欧版大众帕萨特以及奥迪A8上，分别装备着W6,W8和W12发动机。
优点：W型与V型发动机相比可以将发动机做得更短一些，曲轴也可短些，这样就能节省发动机所占的空间，同时重量也可轻些。
缺点：W型发动机相对V型发动机最大的问题是发动机由一个整体被分割为两个部分，在运作时必然会引起很大的振动。而且它的宽度更大，使得发动机室更满。
3.4水平对置发动机

工作原理：水平对置发动机，发动机活塞平均分布在曲轴两侧，在水平方向上左右运动。
水平对置发动机最出名的运用在于保时捷著名的911上。 
优点：水平对置发动机的最大优点是使发动机的整体高度降低、长度缩短、整车的重心降低，车辆行驶更加平稳。此外，水平对置的汽缸布局是一种对称稳定结构，这使得发动机的运转平顺性比V型发动机更好，运行时的功率损耗也是最小。操控起来很便捷。
缺点：因为是水平对置，所以发动机的宽度较大，便需要短行程的发动机，而短行程发动机的制造精度和难度会高很多。

3.5转子发动机

工作原理：转子和壳体壁之间的空间作为内部燃烧室，通过气体膨胀的压力驱动转子旋转。现代的转子发动机由茧形壳体(一个三角形转子被安置在其中)组成。转子和壳体壁之间的空间作为内部燃烧室，通过气体膨胀的压力驱动转子旋转。和普通内燃机一样，转子发动机必须在其工作室中相继形成进气、压缩、燃烧和排气四个工作过程。如果将三角形的转子放置在圆形壳体的中心部，工作室将不会随着壳体内部转子的旋转而在体积上发生变化。即使空燃混合气在那里点燃，燃烧气体的膨胀压力也仅作用在转子的中部，不会产生旋转。这就是为什么壳体的内侧圆周被设计成旋轮线外形并和安装在偏心轴上的转子组装在一起的原因。因此，每转一圈，工作室的体积变化两次，从而实现内燃机的四个工作过程。
目前市面上仅有马自达一家工厂使用转子发动机。
优点：（1）每个过程的转动角度：往复式发动机转动180度，而转子发动机转动270度，是往复式发动机的1.5倍。换句话说，在往复式发动机中，曲轴(输出轴)在四个工作过程中转两圈(720度)；　而在转子发动机中，偏心轴转三圈(1080度)，转子转一圈。这样，转子发动机就能获得较长的过程时间，而且形成较小的扭矩波动，从而使运转平稳流畅。（2）即使在高速运转中，转子的转速也相当缓慢，从而有更宽松的进气和排气时间，为那些能够获得较高的动力性能的系统的运行提供了便利。（3）体积小重量轻： 在运行安静性和平稳性两方面，双转子RE相当于直列六缸往复式发动机。在保证相同的输出功率水平前提下，转子式发动机的设计重量是往复式的三分之二。（4）精简结构： 由于转子发动机将空燃混合气燃烧产生的膨胀压力直接转化为三角形转子和偏心轴的转动力，所以不需要设置连杆，进气口和排气口依靠转子本身的运动来打开和关闭；不再需要配气机构，包括正时齿带、凸轮轴、摇臂、气门、气门弹簧等，而这在往复式发动机中是必不可少的一部分。综上所述，转子发动机组成所需要的部件大幅度减少。（5）均匀的扭矩特性： 根据研究结果，转子发动机在整个速度范围内有相当均匀的扭矩曲线，即使是在两转子的设计中，运行中的扭矩波动也与直列六缸往复式发动机具有相同的水平，三转子的布置则要小于V型八缸往复式发动机。（6）运行更安静，噪音更小： 对于往复式发动机，活塞运动本身就是一个振动源，同时气门机构也会产生令人讨厌的机械噪音。转子发动机平稳的转动运动产生的振动相当小，而且没有气门机构，因此能够更平稳和更安静的运行。
缺点：（1）首先转子发动机虽然是消除了活塞往复运动中的冲击 ，但是由于转子是偏心结构 ，在其运转过程中又产生了额外偏心振动 ，而为了消除这种振动又需增加与转子反方向运动的平衡重 ，来缓解这种偏心振动 。同时在其做功时 ，总是缸体一个局部区域受到巨大的冲击 ，造成了发动机局部磨损剧烈 ，使得发动机磨损不平衡 ，严重降低的其使用寿命 。为了减小其局部磨损严重的问题 ，就只有采用先进的制造工艺 ，采用强度和耐磨 、耐冲击性更高的材料 ，这无形中又大大增加了制造成本 。（2）这些其实都并不是影响转子发动机推广的主要原因 。对其对推广影响最大的莫过于其只能大幅提高功率 ，而低速扭矩却低得令人难以接受 。由于转子发动机是由转子直接与主轴接触 ，驱动主轴转动的 ，因此由于转子自身是在气缸内进行偏心转动 ，其就是一个套在主轴外缘上作偏心运动的大齿轮 ，而主轴轴颈相对较小 ，因此就形成了大齿轮驱动小齿轮的驱动方式 ，使得其扭矩大大降低 ，这就是造成转子发动机扭矩低的根本原因 ，也是转子发动机不能广泛推广的主要原因 。同时转子发动机在结构上又对发动机润滑 、冷却 、密封也提出了相当高的要求 。此外 ，由于转子发动机能在小排量车上实现大功率 ，因此其巨大的燃油消耗往往被人们忽视了 ，由于转子发动机自身的结构 ，其排量为三角形转子一个表面与缸体形成的最大容积与最小容积的差 ，而对于三角形的转子来说 ，一个转子实际上就相当于有三个活塞在工作 ，这就使其排量相当于3个活塞工作的排量 ，油耗也自然相当于3个活塞同时工作的油耗 。由此看来 ，虽然其排量小 ，但油耗也相对较高 。  

3.6柴油发动机

工作原理：它采用压缩空气的办法提高空气温度，使空气温度超过柴油的自燃测试，这时再喷入柴油、柴油喷雾和空气混合的同时自己点火燃烧。
使用柴油发动机的轿车很多，奔驰就有柴油版SLK敞篷跑车、奔驰E300 Bluetec轿车，大众帕萨特也有柴油版，捷达也有GDF-P 柴油先锋版，奥迪也有柴油版的轿车
优点：（1）柴油机因为高压缩比低转速的特性，燃油消耗平均比汽油机汽车低30%左右，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，更加省油；（2）发动机寿命较长，更加经济；（3）动力强劲
缺点：（1）转速较汽油机低（一般最高转速在2500—3000转/分左右）；（2）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，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；（3）因为喷油泵和喷油器加工精度要求高，所以柴油机的维修费用很高；（4）考虑到柴油机加速较慢，温度低时启动慢，噪声大，震动大这些因素，可以认为柴油机的可操作性不如汽油机好，驾驶舒适度不如汽油机

3.7汽油发动机

工作原理：汽油发动机通过气缸压缩，将吸入的汽油气化，并与缸内空气相混合，形成可燃混合气体，最后由火花塞放电点燃气体推动汽缸活塞作功。
目前国汽油发动机占主流，大部分轿车都是汽油发动机。
优点：（1）最大功率及转速高，运转安静平顺，排放低；（2）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；（3）汽油机小巧，反应速度快，噪音小，运转平顺，所以操作性优于柴油机，驾驶舒适度优于柴油机
缺点：（1）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，费油，不经济；（2）动力没有柴油发动机强劲；（3）发动机寿命不如柴油机。

3.8缸内直喷发动机

工作原理：缸内直喷技术是一种新型进气燃烧技术，它采用的是一种类似于柴油发动机的供油气原理，通过一个活塞泵提供约100bar以上的压力，将汽油供给位于气缸内的电磁喷射器。然后通过电脑控制喷射器将燃料在最恰当的时间直接注入气缸内燃烧。
汽油机拥有缸内直喷技术的车厂有:保时捷(全车系)、奥迪(绝大部分车系)、凯迪拉克(新CTS)、丰田及雷克萨斯(在中国销售的车型一概没有)。另外所有柴油机均为缸内直喷
优点：（1）由于其控制的精确度接近毫秒，所以能最有效的将油气混合比调整至最佳状态，从而保证了汽油的充分燃烧，动力损失降为最低，从而省油；（2）可采用稀薄分层燃烧技术，降低HC等有害排放。（3）直喷方式的油滴蒸发主要依靠空气吸热而非壁面吸热，降低了混合气温度和体积，可降低爆燃倾向，提高发动机压缩比；（4）缸内直喷汽油机还具有瞬态响应好，易于实现精确的空燃比控制，具有快速的冷起动和减速快速断油能力等特点
缺点：（1）因为在低负荷工况下，会产生相当大量的NOx（氮氧化物）与高温，这样对于三元催化器的要求会很高；（2）内直喷技术对于一些硬件设施也要求很高，例如需要配备高压喷油嘴，以提高油气的雾化程度与混合效率；缸内直喷系统的发动机除了在材质上更加讲究，而且为了分层燃烧时控制气体的流向，就连活塞、燃烧室形状也都需要特别设计，因此造价会比较昂贵；（3）缸内直喷需要稳定品质的高标号燃油，故不够经济
3.9机械增压发动机

工作原理：此类增压器是以不增加引擎排气量为前提，使动力轮输出提升的方法。是直接利用引擎出力来驱动增压器，再将高密度空气送入汽缸内以提高引擎的输出功率。
奥迪奥迪最新款3.0TFSI机械增压发动机，在国内的A6L、A8L、S5、Q7，以及国外高性能版的Q5、S4等车型上广泛应用；奔驰一直是机械增压的忠实追捧者，其机械增压技术相当成熟，鲜有问题；保时捷在机械增压方面的核心技术，目前主要在保时捷的Cayenne(卡宴)系列上使用。其使用的3.0L TFSI V6机械增压发动机，同时也搭载于奥迪A6L、A8L、Q7、S5，以及大众途锐上。
优点：（1）由于机械增压器始终在增压，因此在发动机低转速时其转矩输出也十分出色；（2）由于空气压缩量完全是按照发动机转速线性上升的，整个发动机运转过程与自然吸气发动机极为相似，加速十分线性；（3）从结构来说，相对于涡轮增压车，机械增压车简单许多，原则上只要发动机在运转，机械增压就自然而然的产生，发动机转速越高加压力度就越大，而且不会出现涡轮增压那种迟滞现象
缺点：（1）高转速时机械增压器对发动机动力的损耗巨大，而且在高转速时作用不太明显；（2）机械增压汽靠皮带带动，驱动力还是引擎，因此比较费油；（3）操纵感比较好，使用方便
3.4涡轮增压发动机

工作原理：涡轮增压器就是一个空气压缩机，由发动机排出的废气来驱动涡轮增压器一侧的叶轮，当它越转越快时，另一侧的叶轮也在同步加快，强制地将增压后的空气压送到气缸中。
国内涡轮发动机有很多，有：采用1.4T的大众高尔夫、速腾、迈腾、尚酷、斯柯达明锐、昊锐、奥迪A3、A4；1.6T：别克英朗XT、GT、奔驰C180K；1.8T：斯柯达明锐、昊锐、大众速腾、迈腾、奥迪A3、奔驰C200K、SLK200、E200、E260、E260Coupe；2.0T：别克新君威、新君越、大众高尔夫GTI、迈腾、尚酷、斯柯达明锐RS、斯柯达昊锐、奥迪A4、A6、Q5、TT。

优点：（1）涡轮增压主要是利用发动机废气的能量带动压缩机来实现对进气的增压，整个过程中基本不会消耗发动机的动力；（2）拥有良好的加速持续性；（3）增压会给燃烧室提供更多的空气，使燃烧更彻底，从而省油，更经济；（4）在高海拔地区也能满足空气供给；在冷启动时使三元催化更快进入工作等。
缺点：（1）涡轮增压器的原理很简单，但实际上它是很复杂和精密的。不仅需要内部配件的严密配合，涡轮增压器还要和发动机严密匹配，否则就会降低发动机的效率甚至造成损坏因此造价较高；（2）增压所产生的高热必须妥善处理，高热会影响两部分，一个是负责直接冷却和润滑的机油，它会因为受到高热而快速氧化。因此涡轮增压引擎必须选用耐高温、抗氧化好的优质机油，而且机油更换周期会相应缩短；（3）动力输出反应滞后，由于转子的惯性作用，叶轮对油门的骤时反应变化还是迟缓；（4）维护保养费用高。
3.10自然吸气发动机

工作原理：空气单纯经过空气滤清器——节气门（我们俗称的“油门”）——进气歧管——到达“汽缸”，汽油是通过喷油嘴直接喷射在进气歧管里的以四缸发动机为例，一个活塞作一次功有四个行程：下行（进气门打开，存在压力差，空气和燃油的混合气在压力差的作用下进入汽缸）——上行（进气门关闭，压缩混合气，活塞上行到最高点时点火）——又下行（混合气燃烧膨胀，推动活塞对外作功，输出动力）——又上行（排气门打开，排气）自然吸气式就是指在上面第一个行程中，混合气是靠自然形成的压力差进行吸气。
采用自然吸气发动机的车型有：宝马3系，上海通用别克君，威雷克萨斯IS250，奥迪A6L 2.8FSI，凯迪拉克CTS 3.0，奔驰E350 Cabriolet。
优点：（1）技术成熟，稳定性较高（尤其是冷车发动时） ；（2）动力输出平顺，反映速度快（因此驾驶快感好）；（3）养护成本较低 适用寿命较长。
缺点：（1）燃油没有增压发动机燃烧充分，故不够省油；（2）跟增压发动机相比动力上有差距。

参考文献

[1] 伏苓. 汽车发动机知识简介 发动机就是汽车的心脏 车讯网2012.2.10
[2] 新浪汽车. 汽车发动机简介 2006年06月15日 
[3] 蒋坚，高希彦．直喷式汽油机的开发[J]．内燃机工程
[4] 陆展华,GDI发动机及其稀燃优化技术[期刊论文]-柴油机
[5] 严民. 汽车发动机类型及其优缺点分析
[6] 伏苓 什么是机械增压？机械增压的优缺点介绍 车讯网2012年02月10日
[7] 陈启贞. 发动机涡轮增压原理解析 图解汽车 2012.8.15
[8]  和鑫. 涡轮增压发动机与自然吸气发动机优缺点对比 汽车 2011.5.18

18