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第一章:发动机A:技术篇1. 汽 油 喷 射 发 动 机优点汽油喷射发动机与化油器式发动机相比，突出的优点是能准确控制混合气的质量，保证气缸内的燃料燃烧完全，使废气排放物和燃油消耗都能够降得下来，同时它还提高了发动机的充气效率，增加了发动机的功率和扭矩。电子控制燃油喷射装置的缺点就是成本比化油器高一点，因此价格也就贵一些，故障率虽低,一旦坏了就难以修复（电脑件只能整件更换），但是与它的运行经济性和环保性相比，这些缺点就微不足道了。分类汽油喷射型式分为机械式和电子控制式两种。机械式汽油喷射装置是一种以机械液力控制的喷射技术，早在30年代就应用在飞机发动机，50年代开始应用在德国奔驰300BL轿车发动机上。集成电路的出现使电子技术能在发动机上得到应用，一种更好的汽油喷射装置电子控制汽油喷射技术也就应运而生了。结构任何一种电子控制汽油喷射装置，都是由喷油油路，传感器组和电子控制单元(微型电脑)三大部分组成。当喷射器安装在原来化油器位置上，称为单点电控燃油喷射装置；当喷射器安装在每个气缸的进气管上，称为多点电控燃油喷射装置。原理喷油油路由电动油泵，燃油滤清器，油压调节器，喷射器等组成，电控单元发出的指令信号可将喷射器头部的针阀打开，将燃油喷出。传感器好似人的眼耳鼻等器官，专门接受温度，混合气浓度，空气流量和压力，曲轴转速等数值并传送给“中枢神经”的电子控制单元。电子控制单元是一个微计算机，内有集成电路以及其它精密的电子元件。它汇集了发动机上各个传感器采集的信号和点火分电器的信号，在千分之几十秒内分析和计算出下一个循环所需供给的油量，并及时向喷射器发出喷油的指令，使燃油和空气形成理想的混合气进入气缸燃烧产生动力。历史从60年代起，随着汽车数量的日益增多，汽车废气排放物与燃油消耗量的不断上升困扰着人们，迫使人们去寻找一种能使汽车排气净化，节约燃料的新技术装置去取替已有几十年历史的化油器，汽油喷射技术的发明和应用，使人们这一理想能以实现。早在1967年，德国波许公司成功地研制了D型电子控制汽油喷射装置，用在大众轿车上。这种装置是以进气管里面的压力做参数，但是它与化油器相比，仍然存在结构复杂，成本高，不稳定的缺点。针对这些缺点，波许公司又开发了一种称为L型电子控制汽油喷射装置，它以进气管内的空气流量做参数，可以直接按照进气流量与发动机转速的关系确定进气量，据此喷射出相应的汽油。这种装置由于设计合理，工作可靠，广泛为欧洲和日本等汽车制造公司所采用，并奠定了今天电子控制燃油喷射装置的邹型。至1979年起美国的通用，福特，日本的丰田，三菱，日产等汽车公司都推出了各自的电子控制汽油喷射装置，尤其是多气门发动机的推广，使电子控制喷射技术得到迅速的普及和应用。到目前为止，欧美日等主要汽车生产大国的轿车燃油供给系统，95%以上安装了燃油喷射装置。从99年1月1日起，只有采用电子控制汽油喷射装置的轿车才能准予在北京市场上销售。(99.1.15)2. 汽油喷射发动机（2）电子控制汽油喷射装置，由喷油器、传感器和电子控制单元(ECU)三大部分组成，其基本特点就是混合气的配制由ECU来控制。在汽油喷射发动机一文中有一幅示意图，ECU起到“中枢神经”的作用，它存储了发动机各种运行工况下的最佳喷油持续时间，根据各个传感器的输入信号计算出实际最佳喷油持续时间，指令喷射器将一定量的燃油喷入进气歧管。而传感器象人的五官，专门感受温度，混合气浓度，空气流量或压力，曲轴转速等数值并传送给ECU，起非常重要的作用。根据空气感应方法，又将电子控制汽油喷射装置分为两种，一种是流量感应式电子控制汽油喷射装置（L型），通过感应进气管中空气的流量来控制喷油量；另一种是压力感应式电子控制汽油喷射装置（D型），通过感应进气管中空气压力的高低来控制喷油量。由于L型使用比较广泛，本文以介绍L型为主。整个L型电子控制汽油喷射装置有3个部分组成：供油部分、供气部分和控制部分。供油部分由油箱、汽油泵、汽油滤清器、压力调节器和喷油器组成，汽油泵将汽油从油箱抽出经汽油滤清器过滤杂质，经压力调节器加压使汽油压力高于进气歧管的负压力，再经输油管送至各缸的喷射器。喷射器相当于一个开关，控制开关的部件就是ECU。供气部分由空气滤清器、空气流量计、节气门装置等组成，当空气经过空气滤清器滤去尘埃杂质后，流经空气流量计计量，再沿着节气门通道直入进气歧管，通过进气门分别供给各个气缸。驾车者通过油门踏板操纵节气门开度，决定进气歧管的空气流量，空气流量计叶板在气流冲击下会有一个转角，使流量计内的电阻器数值发生变化。因此，不同的空气流量就会有不同的叶板转角，对应不同的电压信号，反馈至ECU就有不同的喷油量。控制部分由ECU、传感器和继电器组成，分布在发动机各部位上的传感器将采集到的信号反馈到ECU，经过ECU计算确定喷射器的喷油量和时间，确保最佳的空燃比。其中主要传感器有节气门位置传感器、空气温度传感器、水温传感器、转速传感器、霍尔传感器、爆燃传感器、氧传感器等。节气门位置传感器安装在节气门体上专门测量节气门的开度，进而反映发动机不同的工况；空气温度传感器安装在节气门之后的进气歧管上，用以检测进气温度，ECU根据其信号修正喷油量使得发动机自动适应外部环境的变化；水温传感器监测发动机冷却水温度，ECU根据其信号修正喷油量，喷油量与温度是反比关系，水温越高喷油量会越少；转速传感器安装在气缸体上监测曲轴的转速，形成脉冲信号传送至ECU；霍尔传感器安装在凸轮轴位置上，用以检测曲轴转角，为ECU控制点火时刻提供信号；爆燃传感器安装在缸体上，当发生爆燃产生振动时，压力波通过缸体传到传感器，使传感器的压电陶瓷发生电压信号变化传至ECU，ECU就会根据信号将点火提前角推迟使爆燃消失；氧传感器安装在排气管上，它的一面与大气接触，另一面与排气管废气接触，实际上是利用废气及大气中氧浓度之间的差值产生电动势，将信号反馈给ECU，只要空燃比偏离了理论空燃比就会发信号，ECU根据信号发出新的喷油指令，使混合气的空燃比处于理想状态。总之，这些传感器在岗位上各负其责，在汽车运行中不断将信号传送至ECU，而ECU就根据存储的数据与信号不断对比不断修正喷射器油量，从而达到最佳混合气的空燃比。另外，电子控制汽油喷射装置还有怠速装置、废气再循环控制装置等。其中怠速是保障汽车运行经济性和稳定性的重要因素，为了保证怠速作用，设计师在节气门附近开了一个旁通道，通过装在节气门旁通地方的怠速控制阀来改变节气门旁通道的空气流量来控制怠速。这有点象学校大门（节气门）旁边的小门（旁通道），在少人的情况下使用。怠速控制阀的阀门控制旁通道的关闭，而阀门是由微型电机或磁力线圈控制，它们与怠速控制阀做成一体。ECU根据传感器的信号与存储数据对比随时做出不同的指令送至怠速控制阀，当发动机怠速运转时，节气门关闭，空气经旁通道进入进气歧管，ECU通过电信号经继电器给怠速控制阀，使阀门随时调节旁通道流量来自动控制怠速。车汇通2001年11月1日相关内容：汽油喷射发动机 汽车上的电子控制单元ECU汽车上的电子控制单元ECU现代轿车发动机大都用电子燃油喷射系统，其中有一个形似方盒子的控制元件叫“ECU”，ECU的称谓较多，有人称它为电脑，有人称它为微机，还有人称它为微处理器，那么，它实际上是个什么东西呢？简单地说，ECU由微机和外围电路组成。而微机就是在一块芯片上集成了微处理器（CPU），存储器和输入输出接口的单元。ECU的主要部分是微机，而核心件是CPU。ECU将输入信号转化为数字形式，根据存储的参考数据进行对比加工，计算出输出值，输出信号再经功率放大去控制若干个调节伺服元件，例如继电器和开关等。因此，ECU实际上是一个“电子控制单元”（Electronic Control Unit），它是由输入电路、微机和输出电路等三部分组成。输入电路接受传感器和其它装置输入的信号，对信号进行过滤处理和放大，然后转换成一定伏特的输入电平。从传感器送到ECU输入电路的信号既有模拟信号也有数字信号，输入电路中的模数转换器可以将模拟信号转换为数字信号，然后传递给微机。微机将上述已经预处理过的信号进行运算处理，并将处理数据送至输出电路。输出电路将数字信息的功率放大，有些还要还原为模拟信号，使其驱动被控的调节伺服元件工作。目前在一些中高级轿车上，不但发动机上应用ECU，在其它许多地方都可发现ECU的踪影。例如防抱死制动系统、4轮驱动系统、电控自动变速器、主动悬架系统、安全气囊系统、多向可调电控座椅等都配置有各自的ECU。随着轿车电子化自动化的提高，ECU将会日益增多，线路会日益复杂。为了简化电路和降低成本，汽车上多个ECU之间的信息传递就要采用一种称为多路复用通信网络技术，将整车的ECU形成一个网络系统，也就是CAN数据总线（参阅本栏目汽车上的数据总线一文）。2001.3.10汽车上的数据总线20世纪90年代以来，汽车上由电子控制单元指挥的部件数量越来越多，例如电子燃油喷射装置、防抱死制动装置（ABS）、安全气囊装置、电控门窗装置、主动悬架等等。随着集成电路和单片机在汽车上的广泛应用，车上的ECU数量越来越多。因此，一种新的概念车上控制器局域网络CAN（Controller Area Netwrk）的概念也就应运而生了。为使不同厂家生产的零部件能在同一辆汽车中协调工作，必须制定标准。按照ISO有关标准，CAN的拓朴结构为总线式，因此也称为CAN总线。那么，什么是数据总线呢？打个比方，一个农场要把自己的蔬菜产品运送到县城批发市场，又要把牛奶送到县城乳品加工厂，还要把甘蔗送到县城制糖厂。农场主可以为每一种产品专门修一条公路，一共需要修三条路。不过他肯定不会这样做，他只需要修一条通往县城的路，到达县城后才转向不同的目的地。这样，一条路就搭载了各种不同的产品。同样的道理，数据总线搭载了不同的信息，这些信息由不同的部件发出，到达另一些不同的部件。正如公路运输需要交通规则来维持正常的运作，数据总线也需要规范信息的流动。一种基本的规则是分时。在这种规则下，数据总线在每一时刻只能被两个部件占用，在两个部件之间传送信息。由于电信息传播的速度极快，数据总线完全可以满足许多部件进行分时信息传递的需要。在现代轿车的设计中，CAN已经成为必须采用的装置，奔驰、宝马、大众、沃尔沃及雷诺汽车都将CAN作为控制器联网的手段。由于我国中高级轿车主要以欧洲车型为主，因此欧洲车应用最广泛的CAN技术，也将是国产轿车引进的技术项目。目前汽车上的网络连接方式主要采用2条CAN，一条用于驱动系统的高速CAN，速率达到500kb/s，另一条用于车身系统的低速CAN，速率是100kb/s。驱动系统CAN主要连接对象是发动机控制器（ECU）、ASR及ABS控制器、安全气囊控制器、组合仪表等等，它们的基本特征相同，都是控制与汽车行驶直接相关的系统。车身系统CAN主要连接对象是四门以上的集控锁、电动车窗、后视镜和厢内照明灯等。在信息社会中，有些先进的轿车除了上述两条总线，还会有第三条CAN总线，它主要负责卫星导航及智能通讯系统。目前，驱动系统CAN和车身系统CAN这两条独立的总线之间没有关系。工程师将逐步克服技术障碍，设置“网关”，在各个CAN之间搭桥实现资源共享，将各个数据总线的信息反馈到仪表板总成上的显示屏上。驾车者只要看看仪表板，就可以知道各个电控装置是否正常工作了。一些汽车专家认为，就像汽车电子技术在20世纪70年代引入集成电路、80年代引入微处理器一样，近10年数据总线技术的引入也将是汽车电子技术发展的一个里程碑。（2000.7.27）3. 缸内喷注式汽油发动机这是近几年脱颖而出的新型发动机，它的问世并引起行内人士的高度重视。原理缸内喷注式汽油发动机与一般汽油发动机的主要区别在于汽油喷射的位置，目前一般汽油发动机上所用的汽油电控喷射系统，是将汽油喷入进气歧管或进气管道上，与空气混合成混合气后再通过进气门进入气缸燃烧室内被点燃作功；而缸内喷注式汽油发动机顾名思义是在气缸内喷注汽油，它将喷油嘴安装在燃烧室内，将汽油直接喷注在气缸燃烧室内，空气则通过进气门进入燃烧室与汽油混合成混合气被点燃作功，这种形式与直喷式柴油机相似，因此有人认为缸内喷注式汽油发动机是将柴油机的形式移植到汽油机上的一种创举。优点缸内喷注式汽油发动机的优点是油耗量低，升功率大。混合比达到40:1（一般汽油发动机的混合比是15:1），也就是人们所说的“稀燃”。机内的活塞顶部一半是球形，另一半是壁面，空气从气门冲进来后在活塞的压缩下形成一股涡流运动，当压缩行程行将结束时，在燃烧室顶部的喷油嘴开始喷油，汽油与空气在涡流运动的作用下形成混合气，这种急速旋转的混合气是分层次的，越接近火花塞越浓，易于点火作功。由于缸内喷注压缩比达到12，与同体积的一般发动机相比功率与扭矩都提高了10。历史缸内喷注式汽油发动机是由日本三菱汽车公司创制的，这种称为1.8升顶置双凸轮轴16气门4G93型发动机安装在三菱HSR-V型概念车上，并在96年6月北京国际车展上广泛做了宣传，但当时许多人认为这种发动机只是一种“概念”而已，没有引起足够的重视，但随着这几年美日欧等国大汽车厂商丰田、本田、奔驰、通用等对这种汽油发动机都产生了兴趣，纷纷修改了原来的方案研究起缸内喷注式汽油发动机，认为这种发动机很可能会成为下世纪初汽油发动机的主要机型，人们又重视起来缸内喷注汽油发动机的发展状况了。(98.12.11)4.稀燃发动机技术的发展在“缸内喷注式汽油发动机”一文中，提到了“稀燃”技术。什么叫稀燃？顾名思义就是发动机混合气中的汽油含量低，汽油与空气之比可达1：25以上。其实，在20多年前就已经有人在研究稀燃技术。面对21世纪70年代初欧美国家的排放规定以及石油危机引起的降低油耗的需求，人们探索了由稀混合气运行，用氧化催化剂净化排气的方法，采用了一种带副燃烧室的发动机。这种由丰田及本田公司发明的燃烧方式由于从副燃烧室喷出火焰会造成热能损失，稀混合气发动机改进对油耗的效果不明显。从那以后，随着进气口的改进，气缸内旋涡生成技术的进步，由通用、福特、丰田、本田、日产等汽车公司先后搞成的开口式燃烧室可以形成比带副燃烧室还好的稀薄混合气燃烧，并且随着进气口燃料喷射技术的发展和稀混合气传感器技术的开发，精密控制空燃比已成为可能。80年代中期，丰田正式使稀混合气发动机（TLCS）产品化，三菱、本田也相继将其产品实行产品化。进入90年代，三菱汽车公司研制出来的缸内直喷技术使稀燃技术又进了一步。目前，各大公司都拥有自己的稀燃技术，其共同点都是利用缸内涡流运动，使聚集在火花塞附近的混合气最浓，先被点燃后迅速向外层推进燃烧，并有较高的压缩比。比较著名的三菱缸内喷注汽油机（GDI），可令混合比达到40:1。它采用立式吸气口方式，从气缸盖的上方吸气的独特方式产生强大的下沉气流。这种下沉气流在弯曲顶面活塞附近得到加强并在气缸内形成纵向涡旋转流。在高压旋转喷注器的作用下，压缩过程后期被直接喷注进气缸内的燃料形成浓密的喷雾，喷雾在弯曲顶面活塞的顶面空间中不是扩散而是气化。这种混和气被纵向涡旋转流带到火花塞附近，在火花塞四周形成较浓的层状混和状态。这种混合状态虽从燃烧室整体来看十分稀薄，但由于呈现从浓厚到稀薄的层状分布，因此能保证点火并实现稳定燃烧。大众的直喷汽油发动机（FSI），则是采用了一个高压泵，汽油通过一个分流轨道（共轨）到达电磁控制的高压喷射气门。它的特点是在进气道中已经产生可变涡流，使进气流形成最佳的涡流形态进入燃烧室内，以分层填充的方式推动，使混合气体集中在位于燃烧室中央的火花塞周围。本田最新的VTEC发动机也将采用稀燃技术。这款取名为VTECi 2.0升发动机将比一般本田发动机省油20%，其特点是将VTEC技术与稀燃技术相结合，也是当低转速时令其中一组进气门关闭，在燃烧室内形成一道稀薄的混合气体涡流，层状分布集结在火花塞周围作点燃引爆，从而起到稀薄燃烧作用。综上所述，汽车汽油发动机实现稀燃的关键技术归纳起来有以下三个主要方面：一、提高压缩比采用紧凑型燃烧室，通过进气口位置改进使缸内形成较强的空气运动旋流，提高气流速度；将火花塞置于燃烧室中央，缩短点火距离；提高压缩比至13：1左右，促使燃烧速度加快。二、分层燃烧如果稀燃技术的混合比达到25：1以上，按照常规是无法点燃的，因此必须采用由浓至稀的分层燃烧方式。通过缸内空气的运动在火花塞周围形成易于点火的浓混合气，混合比达到12：1左右，外层逐渐稀薄。浓混合气点燃后，燃烧迅速波及外层。为了提高燃烧的稳定性，降低氮氧化物（NOx），现在采用燃油喷射定时与分段喷射技术，即将喷油分成两个阶段，进气初期喷油，燃油首先进入缸内下部随后在缸内均匀分布，进气后期喷油，浓混合气在缸内上部聚集在火花塞四周被点燃，实现分层燃烧。三、高能点火高能点火和宽间隙火花塞有利于火核形成，火焰传播距离缩短，燃烧速度增快，稀燃极限大。有些稀燃发动机采用双火花塞或者多极火花塞装置来达到上述目的。以上三点只是对整体汽油发动机稀燃技术而言，具体到某种机型会有所偏重。因为各种汽油发动机稀燃方式的技术措施不完全一样，甚至同一部发动机在不同的工况下稀燃方式也会不完全一样。有些着重缸内气流运动及燃油分布的配合，重点在分层燃烧。有些着重加大点火能量、增快火焰传播速度和缩短火焰传播距离，重点在高能点火。车汇通2001年9月15日5.剖析三菱GDI随着近年燃油价格不断往上窜，汽车运行的最佳经济性也成为各大车厂不断寻求的目标。汽油直喷式是实现这一目标的途径之一，汽油机实现直喷式巳经成为一种新世纪的潮流。汽油直喷式也称为缸内喷注，本栏目“稀燃发动机技术的发展”一文巳有介绍，本文以比较典型的三菱直喷式汽油机（简称：GDI）的工作情况为例，再做一次比较全面的介绍。在这之前，首先介绍化油器、电控喷射与直喷式等三种汽油机的不同供油方式。化油器发动机是在进气管道的化油器位置上吸出汽油，与空气混合，雾化形成混合气，经气门进入气缸（左图）；电控汽油喷射发动机是在进气歧管，气门之前的位置上喷射汽油，再经气门进入气缸（中图）；直喷式汽油发动机则是直接在气缸里面喷射汽油（右图）。从而可知，世界上三种形式的汽油发动机的重大区别在于汽油出口的位置，位置不同，技术也不同。缸内喷注的关键在于产生与传统发动机不同的缸内气流运动状态，通过技术手段使喷射入气缸的汽油与空气形成一种多层次的旋转涡流。因此GDI采用了立式吸气口、弯曲顶面活塞、高压旋转喷射器等三种技术手段。立式吸气口代替传统的横向吸气口，通过来自上方的强大下降气流，形成与以往发动机相反的缸内空气流动纵向涡流转流。弯曲顶面活塞利用活塞顶的凸起形状，增强了这个纵向涡流转流，再通过高压旋转喷射器喷射出雾状汽油，在压缩冲程后期的点火前夕，被气体的纵涡流融合成球状雾化体，形成一种以火花塞为中心，由浓到稀的层状混合气状态。这样，从总体上看，虽然混合比达到40：1，但聚集在火花塞周围的混合气却很浓厚，很容易点火燃烧。在这里要特别介绍一下活塞顶的形状对缸内气流的作用。活塞在上止点位置时，活塞头顶面与气缸盖之间的间隙叫做燃烧室，燃烧室的容积是决定发动机性能的重要因素。GDI活塞顶面的凸起部分象屋顶，又称“弯曲顶面活塞”（见图），它缩小了燃烧室的容积，有助于形成强势涡流。缩小燃烧室容积必然提高了压缩比，因此GDI的压缩比达到12：1，比以往发动机高出1/3左右。压缩比提高了，缸内温度必然也随之提高，有助于稀燃。压缩比高，输出功率增大，这样也就弥补了稀燃带来的功率损失。压缩比提高也就是说缸内压力提高了，于之配合的是高压燃料泵，用高压方式将汽油送进燃烧室内。但是，汽油的性质决定压缩比只能局限于一定的限度内，否则就会出现爆燃，为了避免这一现象，GDI分两步喷射的过程，第一步在进气冲程中喷射汽油以降低气体温度，适应高压缩比；第二步在压缩冲程后期喷射汽油，形成上面阐述过的层状混合气形态。这是一环扣一环的技术，相辅相成，缺一不可。稀燃技术有省油的优点，但因为高压高温环境也会产生NOx（氮氧化物）排放过高的现象。GDI采用了EGR技术解决这个问题。所谓EGR是指排气再循环技术，将排出气缸已经燃烧过的部分气体利用气门重叠时间再回到气缸中，降低燃烧的最高温度从而降低NOx的排放量。据介绍GDI的NOx下降了90%，是否如此，只有环保部门的测量才能知晓了。据三菱介绍，GDI与以往的发动机相比，扭矩提高了10%；加速性能提高5%；空载时燃料下降40%；汽车以时速40公里/小时行驶时燃料下降25%；由于GDI在中低速段比较节油，因此在市区行驶，其节油的效率十分明显。作者：曾生2000.10.56.多气门发动机1886年1月29日，德国人卡尔本茨将自己研制的四冲单缸燃油发动机装上了一辆三轮的车子并获得专利权，世界从这一天开始才真正有了汽车。可以说，是发动机创造了汽车。发动机的基本构造（如图）是由气缸1、活塞2、连杆3、曲轴4等主要机件组成，每一个气缸至少有两个气门，一个进气门（蓝色）和一个排气门（橙色）。气门装置是发动机配气机构的一个组成部分，在发动机工作起非常重要的作用。燃油发动机的工作运转由进气，压缩，作功和排气四个工作过程组成。要使发动机连续运转就必须使这四个工作过程周而复始，顺序定时地循环工作。其中的两个工作过程，进气和排气过程，需要依靠发动机的配气机构准确地按照各气缸的工作顺序输送可燃混合气(汽油发动机)或新鲜空气(柴油发动机)，以及排出燃烧后的废气。另外的两个工作过程，压缩和作功过程，则必须隔绝气缸燃烧室与外界进排气通道，不让气体外泄以保证发动机正常地工作。负责上述工作的机件就是配气机构中的气门。它好比人的呼吸器官，吸进呼出，缺它不可。随着技术的发展，汽车发动机的转速已经越来越高，现代轿车发动机的转速一般可达每分钟5500转以上，完成四个工作过程只需0.005秒时间，传统的两气门已经不能胜任在这么短促的时间内完成换气工作，限制了发动机性能的提高。解决这个问题的方法只能是扩大气体出入的空间。换句话就是用空间换取时间。多气门技术是解决问题的最好方法，直至80年代推广多气门技术才使发动机的整体质量有了一次质的飞跃。多气门发动机是指每一个气缸的气门数目超过两个，即两个进气门和一个排气门的三气门式；两个进气门和两个排气门的四气门式；三个进气门和两个排气门的五气门式。目前轿车上的多气门发动机多是四气门式的。四缸发动机有16个气门，6气缸发动机有24个气门，8气缸发动机就有32个气门。例如日本凌志LS400型轿车的发动机 就是8缸32个气门。增加了气门数目就要增加相应的配气机构装置，构造比较复杂，一般由两支顶置式凸轮轴来控制排列在气缸燃烧室中心线两侧的气门。气门布置在气缸燃烧室中心两侧倾斜的位置上，是为了尽量扩大气门头的直径，加大气流通过面积，改善换气性能，形成一个火花塞位于中央的紧凑型燃烧室，有利于混合气的迅速燃烧。有人提出疑问，既然气门多好，为什么见不到一缸6气门以上的发动机？热力学有一个叫“帘区”的概念，指气门的园周乘以气门的升程，即气门开启的空间。“帘区”越大说明气门开启的空间越大，进气量也就越大。以奥迪100型轿车的发动机为例，它的四气门“帘区”值比两气门的“帘区”值，在进气状态时要大一半，在排气状态时要大百分之七十。当然，每一个事物都有它的一定适用范围，并不是说气门越多“帘区”值就越大，据专家计算当每个气缸的气门增加到六个时，“帘区”值反而会下降了，而且气门越多机构越复杂，成本就越大。因此，目前轿车的多气门燃油发动机的每个气缸的气门数目都是三至五个，其中又以四个气门最为普遍。 以汽油发动机为例，多气门发动机与传统的两气门发动机比较，前者能吸进更多的空气来混合燃油燃烧作功，节省燃油，更快地排出废气，排放污染少，能提高发动机的功率和降低噪音的优点，符合优化环境和节省能源的发展方向，所以多气门技术能迅速推广开来。当年多气门燃油发动机开始兴起的时候，有些人认为它有一个技术上的缺陷低速运转不畅顺，德国著名的波尔舍汽车公司就持有这样的看法。随着技术上的不断改进，多气门燃气发动机的这种技术缺陷也逐步克服了。近几年波尔舍汽车公司的944S2型轿车装用了四缸四气门发动机，现在，全世界几乎所有的中高级轿车都装备多气门燃油发动机。(99.3.29)7.顶置式凸轮轴汽车发动机是由曲柄连杆机构，配气机构，冷却系，燃油系，润滑系，电气系和机体等组成，大大小小零件有近千个，它们之中最具有代表性的就是凸轮轴了。在现代轿车的技术规格表上，经常可以看见“凸轮轴”这个名词出现在发动机性能栏里面。凸轮轴是属于发动机的配气机构，配气机构是保证发动机在工作中定时将新鲜的可燃混合气充入气缸，并及时将燃烧后的废气排出气缸的机构。它由进气门，排气门，气门挺杆，挺柱，摇臂，凸轮轴等组成，其中凸轮轴因其横截面形状近似桃子，又称桃子轴或偏心轴，是配气机构中的驱动件，专门驱动气门按时开启和关闭。各种车型发动机的凸轮轴的结构大同小异，主要差别在于安装的位置，凸轮的数目和形状尺寸不尽相同，特别是凸轮轴的安装位置，被列为区别发动机构造和性能的重要标志。目前发动机的凸轮安装位置分为下置，中置，顶置三种形式。轿车发动机由于转速较快，每分钟转速可达5000转以上，为保证进排气效率，都采用进气门和排气门倒挂的形式，即顶置式气门装置，这种装置都适合用凸轮轴的三种安装形式。但是，如果采用下置式或者中置式的凸轮轴，由于气门与凸轮轴的距离较远需要气门挺杆和挺柱等辅助零件，造成气门传动机件较多，结构复杂，发动机体积大，而且在高速运转下还容易产生噪声，而采用顶置式凸轮轴则可以改变这种现象。所以，现代轿车发动机一般都采用了顶置式凸轮轴，将凸轮轴配置在发动机的上方，缩短了凸轮轴与气门之间的距离，省略了气门的挺杆和挺柱，简化了凸轮轴到气门之间的传动机构，将发动机的结构变得更加紧凑。更重要的是，这种安装方式可以减少整个系统往复运动的质量，提高了传动效率。当然，任何事物都有其两面性，顶置凸轮轴一方面缩短了与气门的距离，另一方面却拉大了凸轮轴与曲轴之间的距离。由于凸轮轴是由曲轴带动的，因此两者之间一拉开距离就必须要用链条及链轮做转动，结构比下置式凸轮轴的齿轮啮合传动复杂得多。尽管如此，人们衡量利弊还是喜欢采用顶置式凸轮轴。现在，顶置式凸轮轴有多种驱动气门的形式，有用摇臂过渡驱动式，也有直接驱动式，其中直接驱动式对凸轮轴和气门弹簧的设计要求相对较低，往复运动的惯量最少，特别适用于高速运转的轿车发动机上。另外，近年在高速轿车发动机上还广泛采用齿形皮带来代替传动链，这种皮带是用氯丁橡胶制作，混有玻璃纤维和尼龙织物以增加强度。采用齿形皮带代替传动链，可以减少噪声，减轻结构质量的降低成本。轿车发动机按照顶置凸轮轴的数目，分为单顶置凸轮轴(SOHC)和双顶置凸轮轴(DOHC)，由于中高档轿车发动机一般是多气门及V型气缸排列，需采用双凸轮轴分别控制进排气门，因此双顶置凸轮轴被不少名牌发动机所采用。由于凸轮轴的安装方式直接涉及到整台发动机的构造和性能，因此，顶置凸轮轴也和多气门一样，被视为衡量轿车发动机的一项重要的标志，列入了轿车技术规格表中。(99.4.16)8.气门可变驱动机构发动机的进气门和排气门的开启开始与关闭终止的时刻，通常以曲轴转角来表示，称为配气相位。由于发动机工作时的转速很高，四冲程发动机的一个工作行程仅需千分之几秒，这么短促的时间往往会引起发动机进气不足，排气不净，造成功率下降。因此，设计师为了解决这一个问题，一般发动机都采用延长进，排气门的开启时间，增大气体的进出容量以改善进，排气门的工作状态，藉以提高发动机的性能。从配气相位图上可以看出活塞从上止点移到下正点的进气过程中（绿色），进气门会提前开启（）和延迟关闭（）。当发动机作功完毕，活塞从下止点移到上止点的排气过程中（桔色），排气门会提前开启（）和延迟关闭（）。 十分明显，这种延长气门开启时间的做法，必然会出现一个进气门和排气门同时开启的时刻，配气相位上称为“重叠阶段”，可能会造成废气倒流。这种现象在发动机的转速仅1000转以下的怠速时候最明显（怠速工作下的“重叠阶段”时间是中等速度工作条件下的7倍）。这容易造成怠速工作不畅顺，振动过大，功率下降等现象。尤其是采用四气门的发动机，由于“帘区”值大，“重叠阶段”更容易造成怠速运转不畅顺的现象。设计师为了消除这一缺陷，就以“变”对“变”，采用了“可变式”的气门驱动机构。可变式气门驱动机构就是在发动机急速工作时减少气门行程，缩少“帘区值”，而在发动机高速工作时增大气门行程，扩大“帘区值”，改变“重叠阶段”的时间，使发动机在高转速时能提供强大的马力，在低转速时又能产生足够的扭力。从而改善了发动机的工作性能。现代轿车发动机上的气门可变驱动机构能根据轿车的运行状况，随时改变配气相位，改变气门升程和气门开启的持续时间，它们的凸轮轴，凸轮轴上的凸轮和气门挺杆等元件是可以变动的。发动机上的气门可变驱动机构可以通过两种形式实现，一种是凸轮轴和凸轮可变系统，就是通过凸轮轴或者凸轮的变换来改变配气相位和气门升程；另一种是气门挺杆可变系统，工作时凸轮轴和凸轮不变动，气门挺杆，摇臂或拉杆靠机械力或者液压力的作用而改变，从而改变配气相位和气门升程。(2001.2.2)9.捷达2气门车横流扫气的浅释最近上市的一汽捷达2000年型2气门电喷车，某大报介绍发动机时有这样一句话：“发动机缸盖设计采用横流扫气进气，进排气不在同一侧，极大地提高了充气效率。”这是什么意思呢？理解这句话首先要从气缸盖的结构形式说起。水冷式发动机的机体主要由缸盖和缸体组成。缸盖用来封闭气缸体上部并与气缸体、活塞共同构成燃烧室，因此缸盖上装有气门和火花塞或喷油嘴，它的形状随气门的布置、冷却方式以及燃烧室的形状而不同。缸盖是燃烧室的主体，其形状与结构直接影响发动机的输出功率，因此是发动机最关键的部件。现代发动机有两种基本的缸盖结构：对流式缸盖，进气门和排气门、进气道和排气道都位于缸盖的同一侧。这种形式的好处是气流通道较短，适宜涡轮增压等方面的需要，也有利于横置发动机的管路布置。例如一般的2气门发动机，进气与排气管道都是这种设计方式的。缺点是限制了气道的空间尺寸。横流式缸盖，进气门和进气道位于缸盖的一侧，排气门和排气道位于缸盖的另一侧，形成进气和排气对角线流动。这种形式的好处是密封方面不复杂，设计进、排气道时有较多的空间位置可以利用，可以加大气道直径以增加气流量。在轿车的汽油发动机上，气门布置多数是彼此倾斜对置的，也就是各自在缸盖的一侧。这种结构能使用较大直径的气门，可以扩大气道空间，能“极大地提高了充气效率”，增大发动机的功率。(2000.2.2)10.高速发动机上的液力挺杆在技术漫谈栏目“多气门式”和“可变气门驱动机构”等文章中，都简单介绍了发动机的气门机构。为了保证气门关闭严密，在气门杆端与气门驱动件（摇臂、挺杆或凸轮）之间留有适当的间隙，称为气门间隙。气门间隙在热车时比较小，在冷车时比较大，这是因为发动机运行时，气门杆因温度升高而膨胀伸长，导致间隙缩小。若气门间隙调整不当就会使发动机运行不正常，过大会影响气门的开启量，气门升程减少引起进气不足，排气不彻底；过小会引起气门关闭不严引起漏气，造成动力下降。为了避免气门间隙调整不当引起的麻烦，一般高速发动机上都使用可自行调整气门间隙的液力挺杆。挺杆的一端与凸轮接触，另一端与气门接触，它的作用是将凸轮的推力传给气门。旧式发动机上的挺杆一端装有调整螺钉和锁紧螺母，用于调整气门间隙，而液力挺杆省略了调整螺钉和锁紧螺母，用液力调节代替了这些刚性零件的作用。液力挺杆时刻与凸轮轴接触，无间隙运行。挺杆内部则运用液力来达到间隙调节的作用。液力挺杆主要由柱塞、单向阀和单向阀弹簧等组成，利用单向阀的作用储存或释放机油，通过改变挺杆体腔内的机油压力就可以改变液力挺杆的工作长度，从而起到自动调整气门间隙的作用。发动机工作时，当气门关闭，机油经挺杆体(1)和柱塞(2)的孔道进入柱塞腔(a)，推开单向阀(3)直入挺杆体腔(b)，柱塞便在挺杆体腔的油压及弹簧(4)的作用下上升，压紧气门推杆(5)。此时柱塞的上升力不足以克服气门弹簧的张力，气门不会被打开而仅是消除了整个气门机构中的间隙。此时挺杆体腔已充满油，单向阀在油压及弹簧(6)的作用下关闭，切断了油路。当凸轮(7)转到工作面时挺杆上升，气门弹簧张力通过气门推杆作用在柱塞上，但此时单向阀巳关闭使油液无法溢出，而油液具有的不可压缩性使得挺杆象一个整体一样推动着气门开启。在此过程中，由于挺杆体腔油压很高，有少许油液通过挺杆体与柱塞的间隙处泄漏出去而使挺杆工作长度“缩短”。当凸轮转过工作面时挺杆下降，气门关闭，挺杆体腔内的油压也随之下降，于是主油道的机油又再次推开单向阀注入挺杆体腔内，补充油液，重复循环以上动作。通过挺杆体腔内的油液泄漏及补充，不断自动调节挺杆的工作长度，从而保持气门工作正常而整个机构又没有间隙存在，减少了零件之间的冲击和噪声，消除了旧款发动机气门间隙的弊病。同时，采用液力挺杆可以将凸轮轴轮廓做得更徒一点，令气门开启与关闭得更快，更加符合现代高速发动机的要求。2001年4月21日11.丰田VVTi发动机近年生产的丰田轿车，大都装配了标注有“VVTi”字样的发动机，经过商业宣传，很多人已经知道VVTi这一新名词，但它的具体内容却鲜为人知。VVT是英文缩写，全称是“Variable Valve Timing”，中文意思是“可变气门正时”，由于采用电子控制单元（ECU）控制，因此丰田起了一个好听的中文名称叫“智慧型可变气门正时系统”。该系统主要控制进气门凸轮轴，又多了一个小尾巴“i”，就是英文“Intake”（进气）的代号。这些就是“VVTi”的字面含义了。VVTi是一种控制进气凸轮轴气门正时的装置，它通过调整凸轮轴转角配气正时进行优化，从而提高发动机在所有转速范围内的动力性、燃油经济性，降低尾气的排放。VVTi系统由传感器、ECU和凸轮轴液压控制阀、控制器等部分组成。ECU储存了最佳气门正时参数值，曲轴位置传感器、进气歧管空气压力传感器、节气门位置传感器、水温传感器和凸轮轴位置传感器等反馈信息汇集到ECU并与预定参数值进行对比计算，计算出修正参数并发出指令到控制凸轮轴正时液压控制阀，控制阀根据ECU指令控制机油槽阀的位置，也就是改变液压流量，把提前、滞后、保持不变等信号指令选择输送至VVTi控制器的不同油道上。VVTi系统视控制器的安装部位不同而分成两种，一种是安装在排气凸轮轴上的，称为叶片式VVTi，丰田PREVIA（大霸王）安装此款。另一种是安装在进气凸轮轴上的，称为螺旋槽式VVTi，丰田凌志400、430等高级轿车安装此款。两者构造有些不一样，但作用是相同的。叶片式VVTi控制器由驱动进气凸轮轴的管壳和与排气凸轮轴相耦合的叶轮组成，来自提前或滞后侧油道的油压传递到排气凸轮轴上，导致VVTi控制器管壳旋转以带动进气凸轮轴，连续改变进气正时。当油压施加在提前侧油腔转动壳体时，沿提前方向转动进气凸轮轴；当油压施加在滞后侧油腔转动壳体时，沿滞后方向转动进气凸轮轴；当发动机停止时，凸轮轴液压控制阀则处于最大的滞后状态。螺旋槽式VVTi控制器包括正时皮带驱动的齿轮、与进气凸轮轴刚性连接的内齿轮，以及一个位于内齿轮与外齿轮之间的可移动活塞，活塞表面有螺旋形花键，活塞沿轴向移动，会改变内、外齿轮的相位，从而产生气门配气相位的连续改变。当机油压力施加在活塞的左侧，迫使活塞右移，由于活塞上的螺旋形花键的作用，进气凸轮轴会相对于凸轮轴正时皮带轮提前某个角度。当机油压力施加在活塞的石侧，迫使活塞左移，就会使进气凸轮轴延迟某个角度。当得到理想的配气正时，凸轮轴正时液压控制阀就会关闭油道使活塞两侧压力平衡，活塞停止移动。现在，先进的发动机都有“发动机控制模块”（ECM），统管点火、燃油喷射、排放控制、故障检测等。丰田VVTi发动机的ECM在各种行驶工况下自动搜寻一个对应发动机转速、进气量、节气门位置和冷却水温度的最佳气门正时，并控制凸轮轴正时液压控制阀，并通过各个传感器的信号来感知实际气门正时，然后再执行反馈控制，补偿系统误差，达到最佳气门正时的位置，从而能有效地提高汽车的功率与性能，尽量减少耗油量和废气排放。（2001年6月9日）本文主要参考资料由丰田汽车（中国）有限公司广州办事处提供相关文章：可变气门驱动机构12.本田发动机的VTEC系统本田汽车公司在1989年推出了自行研制的“可变气门配气相位和气门升程电子控制系统”，英文全称“Variable Valve Timing and Valve Life Electronic Control System”，缩写就是“VTEC”，是世界上第一个能同时控制气门开闭时间及升程等两种不同情况的气门控制系统。与普通发动机相比，VIEC发动机同样是每缸4气门（2进2排）、凸轮轴和摇臂等，不同的是凸轮与摇臂的数目及控制方法。以雅阁F22B1发动机进气凸轮轴为例，除了原有控制两个气门的一对凸轮（主凸轮a和次凸轮b）和一对摇臂（主摇臂A和次摇臂B）外，还增加了一个较高的中间凸轮c和相应的摇臂（中间摇臂C），三根摇臂内部装有由液压控制移动的小活塞。低速时高速时发动机低速时，小活塞在原位置上，三根摇臂分离，主凸轮a和次凸轮b分别推动主摇臂A和次摇臂B，控制两个进气门的开闭，气门升量较少，情形好像普通的发动机。虽然中间凸轮c也推动中间摇臂C，但由于摇臂之间已分离，其它两根摇臂不受它的控制，所以不会影响气门的开闭状态。发动机达到某一个设定的高转速（3500转/分）时，电脑即会指令电磁阀启动液压系统，推动摇臂内的小活塞，使三根ABC摇臂锁成一体，一起由中间凸轮c驱动，由于中间凸轮比其它凸轮都高，升程大，所以进气门开启时间延长，升程也增大了。当发动机转速降低到某一个设定的低转速时，摇臂内的液压也随之降低，活塞在回位弹簧作用下退回原位，三根摇臂分开。整个VTEC系统由发动机主电脑（ECU）控制，ECU接收发动机传感器（包括转速、进气压力、车速、水温等）的参数并进行处理，输出相应的控制信号，通过电磁阀调节摇臂活塞液压系统，从而使发动机在不同的转速工况下由不同的凸轮控制，影响进气门的开度和时间。VTEC系统已经有十余年的历史，面对目益严格的排放及动力性能要求，已有一点“力不从心”的感觉。例如VTEC系统的气门升程和正时的变换动作明显将发动机的状态划分为两个阶段，它们之间的转换不够平滑，在VTEC系统启动前后发动机的表现截然不同，连发出的声音也不一样。为了改善VTEC系统的性能，近年本田推出了i-VTEC系统。简单地说，i-VTEC系统是在现有系统的基础上，添加一个称为“可变正时控制”VTC（Variable timing control），即一组进气门凸轮轴正时可变控制机构，通过ECU控制程序，控制进气门的开启关闭。它的原理是当发动机低转速时令每缸其中一只进气门关闭，让燃烧室内形成一道稀薄的混合气涡流，结集在火花塞周围点燃作功。发动机高转速时则在原有基础上提高进气门的开度及时间，以获取最大的充气量。VTC令气门重叠时间更加精确，达到最佳的进、排气门重叠时间，并将发动机功率提高20%。同时，i-VTEC系统发动机采用进气歧管放在前，排气歧管放在后（靠车厢一端）的布置。在进气歧管上增设了可变长度装置，低转速时增长进气行程提高气流速度，有利于提升扭矩；而排气歧管则缩短了长度，也就是缩短了与三元催化器之间的距离，使三元催化器更快进入适当的工作温度，能有效控制废气排放。由于发动机一启动后i-VTEC系统就进入状态，不论低转速或者高转速VTC都在工作，也就消除了原来VTEC系统存在的缺陷。（2001年7月6日）13. 可变压缩比衡量汽车发动机性能指标有一个重要的参数，叫做压缩比。汽车发动机是一部复杂的能量转换机器，依靠燃油燃烧作功。燃油在气缸(1）内燃烧，化学能变成热能，高温高压气体迫使活塞（2）在气缸中作直线运动，通过连杆（3）连接曲轴（4），使曲轴作旋转运动而输出动力。活塞在气缸中作往复直线运动有两个上下端点，人们将上端点称为上止点(图示A），下端点称为下止点(图示B）。活塞从上止点移到下止点所经过的气缸容积称为气缸工作容积。用V1表示。活塞在上止点时，活塞顶上面的空间称为燃烧室，它的容积叫燃烧室容积。用Vc表示。活塞在下止点时，活塞顶上面的整个空间容积，它等于气缸工作容积与燃烧室容积之和，称为气缸总容积。用Va表示，即VaV1Vc。 有了上述三个概念，就引出一个“压缩比”的名词了。压缩比就是指气缸总容积与燃烧室容积的比值，它表示活塞从下止点移到上止点时气缸内气体被压缩的程度。压缩比用表示，即压缩比（）VaVc。汽油发动机是点燃式，压缩比低；柴油发动机是压燃式，压缩比高。轿车的汽油发动机压缩比是811，柴油发动机压缩比是1823。一般发动机的压缩比是不可变动的，因为燃烧室容积及气缸工作容积都是固定的参数，在设计中已经定好。不过，为了使得现代发动机能在各种变化的工况中发挥更好的效率，以变对变来改善发动机的运行性能。其中气门可变驱动技术早已实现，做为重要参数的压缩比也有人尝试由固定不变改为“随机应变”，但由于涉及压缩比必然要涉及到整个发动机结构的改变，牵一而动百，难度很大，长期没有进展。现在这一难题已被瑞典的绅宝工程师克服。近年绅宝（Saab）开发的SVC发动机以改变压缩比来控制发动机的燃油消耗量。它的核心技术就是在缸体与缸盖之间安装楔型滑块，缸体可以沿滑块的斜面运动，使得燃烧室与活塞顶面的相对位置发生变化，改变燃烧室的客积，从而改变压缩比。其压缩比范围可从8：1至14：1之间变化。在发动机小负荷时采用高压缩比以节约燃油；在发动机大负荷时采用低压缩比，并辅以机械增压器以实现大功率和高扭矩输出。绅宝SVC发动机是1.6升5缸发动机，每缸缸径68毫米，活塞行程88毫米，最大功率166千瓦，最大扭矩305牛顿米，综合油耗比常规发动机降低了30%，并且满足欧洲号排放标准。（2001年8月19日）14. 现代汽车的冷却系统为了避免发动机过热，燃烧室周围的零部件（缸套、缸盖、气门等）必须进行适当的冷却。内燃机的冷却装置有三种形式，水冷却、油冷却和空气冷却。汽车发动机冷却装置以水冷却为主，用气缸水道内的循环水冷却，把水道内受热的水引入散热器（水箱），通过风冷却后再返回到水道内。为了保证冷却效果，汽车冷却系统一般由散热器（1）、节温器（2）、水泵（）、缸体水道（4）、缸盖水道（5）、风扇等组成。以轿车为例，散热器负责循环水的冷却，它的水管和散热片多用铝材制成，铝制水管做成扁平形状，散热片带波纹状，注重散热性能，安装方向垂直于空气流动