汽车专业英语2版参考译文--201802272

第二章 内燃机2.1 工作原理 使用煤气作燃料、成功地以四冲程工作循环进行工作的最早的内燃机由尼古拉斯奥古斯特奥托于1876年研制成功。奥托是一位在道依茨公司（许多年来，一直是世界上最大的内燃机制造商）工作的自学成才的德国工程师。奥托的助手之一戈特利布戴姆勒后来研制成功了一台使用汽油的发动机，1885年的4315号专利对该发动机进行了描述。戴姆勒首次将这种发动机用于汽车上。汽油机将空气与汽油的可燃混合气吸入气缸，当这些混合气得到压缩后，通过一个定时的火花将可燃混合气点燃。因此，这样的发动机有时也被称为点燃式（S.I.）发动机。为了完成一个工作循环，这些发动机的活塞需要走过四个行程：离开气缸盖向外运动，从而吸入空气与燃油的进气行程；向里朝向气缸盖运动，从而使混合气得到压缩的压缩行程；向外运动的做功行程以及向里的排气行程。进气行程。进气门开启，排气门关闭。活塞下行，离开气缸盖（见图2-1a）。活塞沿着气缸的快速运动导致了压力降低或叫做低压。在该行程完成三分之一时，此低压会达到低于大气压力约0.3巴的最大值。实际上产生的低压将取决于发动机的转速和负荷，而一个典型的平均值为低于大气压力0.12巴。这个低压会将按照1017份空气与1份汽油的比例（重量比）进行混合的新鲜空气与雾化汽油的混合物吸入气缸。一种利用缸内低压来实现进气的发动机被称为“通常进气”或“自然吸气”式发动机。压缩行程。进、排气门都关闭。活塞开始上行，朝向气缸盖运动（见图2-1b）。在活塞达到最内的位置时，进入气缸的混合气会被压缩到原始气缸容积的1/81/10。这种压缩使空气和雾化的汽油分子会靠的更近，并且不仅提高了缸内气体压力，而且还提高了温度。一般，在节气门全开、发动机运转在大负荷下，最大的气缸压缩压力范围在814巴之间。做功行程。进、排气门全关闭，并且就在活塞到达压缩行程的上止点之前，火花塞将浓可燃混合气点燃（见图2-1c）。到活塞到达其行程的最内的位置时，混合气已经开始燃烧，产生热量，并在气体作用力超过活塞运动阻力之前，使缸内压力迅速提高。然后，燃烧气体膨胀，从而改变了活塞的运动方向，推动活塞朝向最外位置移动。缸内压力从全负荷时的大约60巴的最大压力逐渐下降，接近活塞运动的最外位置时压力约为4巴。排气行程。在做功行程终了时，进气门保持关闭，而排气门开启。活塞改变其运动方向，从最外位置移向最内的位置（见图2-1d）。废气依靠残余压力能自行排出，返回的活塞将推动剩余废气，使其经过排气门排到大气中。2.2 发动机的分类 今天的汽车发动机可以按照下列结构特点以不同的方式进行分类：按照工作循环进行分类。可分为二冲程和四冲程两种。四冲程发动机广泛用于道路车辆。然而，某些老车型已经使用二冲程发动机，并且某些未来汽车也将使用二冲程发动机。按照气缸数目进行分类。目前的发动机设计有3、4、5、6、8、10和12缸发动机。按照气缸布置进行分类。可分为水平对置式、直列式和V型。另有一些更加复杂结构型式也已经得到应用，见图2-2。按照配气机构的型式进行分类。发动机的配气机构或为顶置凸轮轴（OHC）式，或为下置凸轮轴顶置气门式（OHV）。有些发动机进气门与排气门使用各自独立的凸轮轴。这些发动机以OHC型式为基础，因而被称为双顶置凸轮轴（DOHC）发动机（见图2-3）。因此，DOHC V型发动机具有四根凸轮轴，每侧两根。图2-1 四冲程循环汽油机A）进气行程 B）压缩行程 C）做功行程 D）排气行程按照混合气点燃方式进行分类。有两种点燃方式：点燃与压燃。汽油机使用点火系统，因而属于点燃式发动机。在点燃式发动机中，空气燃油混合气通过电火花来点燃。柴油机即压燃式发动机没有火花塞。汽车柴油机利用空气被压缩期间所产生的热量，来点燃空气燃油混合气。按照冷却方式进行分类。可以将目前使用的发动机分为风冷式和水冷式。几乎今天所有的发动机都采用水冷。按照所用的燃料进行分类。汽车发动机目前所用的燃料有多种类型，其中包括汽油、天然气、甲醇、柴油和丙烷。虽然某些新型燃料正在试验中，但汽油仍是最常用的燃料。图2-2 各种气缸布置型式图2-3 顶置凸轮轴（OHC）（a图）和顶置气门（OHV）（b图）发动机2.3 气缸体与气缸盖 2.3.1 气缸体气缸体是一台发动机上安装所有零部件的刚性金属基础件（见图2-4）。气缸体内由气缸，气缸体还用来支撑曲轴和凸轮轴。附件和离合器壳都用螺栓连接在气缸体上。气缸体或用铸铁制造或用铝制造。气缸是在气缸体上加工成形的圆孔。气缸对活塞的起导向作用，并用作完成混合气吸入、压缩、点燃和废气排出的场所。气缸可用钢或铸铁制成，到目前为止，铸铁仍是最流行的汽缸材料。当希望在铝质气缸体上有钢质的气缸时，这些气缸就会以气缸套（圆形管状衬套）的形式安装在气缸体上。这些缸套或铸入或压入气缸体上。有些发动机采用可拆卸式缸套。当气缸磨损后，将旧缸套拉出，再压入新缸套。图2-4 气缸体、气缸盖和凸轮轴2.3.2 气缸盖气缸盖固定在气缸体的顶部（见图2-4），其下侧与活塞顶一起构成燃烧室。轻型货车的直列式发动机的所有气缸共用一个气缸盖，大型直列式发动机可以采用两个或更多的气缸盖。与气缸体一样，气缸盖可以用铸铁或铝合金制造。2.4 活塞、连杆与曲轴 2.4.1 活塞与连杆为了产生真空，将含油混合气吸入气缸，活塞必须从气缸中向下运动。然后，在向上运动，对吸入的混合气进行压缩。在混合气被点燃之后，气体膨胀的压力作用于活塞顶部，以强大的推力推动活塞在气缸内向下运动，从而将气体膨胀的能量传递给曲轴。然后，活塞再在气缸内向上运动，将燃烧后的废气排出气缸。活塞通常用铝制成。铝活塞常常镀锡，以便在发动机投入使用之后，能进行适当的磨合。铝活塞可以用锻造制造，但是更常使用铸造。对于低速发动机活塞，铸铁是一种很好的材料。它具有优异的耐磨特性，并会提供良好的性能。顾名思义，连杆用于连接活塞和曲轴（见图2-5）。连杆的上端孔，活塞销从此孔中穿过。连杆大端的底部必须移走，这样才能使连杆安装在曲轴轴颈上（见图2-6）。这个被移走的部分叫做连杆盖。连杆通常用合金钢制造。制造时，先经锤锻，再进行机械加工。2.4.2 曲轴发动机曲轴（见图2-7）提供一个恒定的旋转力给车轮。曲轴上具有连接连杆所用的曲柄，曲轴的作用是将活塞的往复运动转变成驱动车轮的旋转运动。曲轴借助一系列的主轴承保持在一定的位置上。一根曲轴的主轴颈最大数目比气缸数大1。主轴颈数目还可以小于缸数。多数发动机都使用结构与连杆轴承相同的精密镶嵌轴承作主轴承，但是，它们的尺寸较大。有一个主轴承除了支承曲轴外，还要控制曲轴的前后运动。图2-5 活塞、连杆与曲轴图2-6 连杆图2-7 曲轴2.5 配气机构 凸轮轴必须以曲轴一半转速旋转。凸轮轴与曲轴相连有三种方式：带传动、链传动和齿轮传动。配气机构的主要组成有：凸轮轴。凸轮轴用于打开和关闭气门。在大多数发动机上一般只有一根凸轮轴。新型的发动机上越来越多地装有两根甚至更多的凸轮轴（见图2-8）。气门。通常，发动机的每个气缸有两个气门。然而，现代发动机经常使用每缸四气门结构（每缸两个进气门和两个排气门）。为了防止气门烧坏，气门必须将所吸收的热量传给气门座和传给气门导管。气门必须与气门座保持良好接触，并且必须在气门导管内保持最小的间隙。气门挺杆。机械式气门挺杆曾用于老式发动机上。大多数带有机械挺杆的配气机构都有某种调节气门间隙的装置。液力式气门挺杆的作用与机械式气门挺杆相同。然而，液力挺杆具有间隙自行调节功能，工作中无挺杆-摇臂间隙，并且利用具有压力的发动机油来工作。液力挺杆工作噪声小。图2-8 由同步齿形带驱动的双顶置凸轮轴（DOHC）2.6 汽油机电子控制燃油喷射系统 2.6.1 间歇式燃油喷射系统的类型在电子控制燃油喷射系统中，喷油器靠电信号来开启和关闭。这种系统就是间歇式燃油喷射系统。间歇式燃油喷射系统通常采用电子控制。尽管在各种间歇式燃油喷射系统之间存在许多设计差异，但它们的工作原理极为相似。节气门体喷射系统（见图2-9左图）使用了装有一只或两只喷油器的一个燃油喷射总成。该总成安装在进气歧管的入口处，并将燃油喷射在节气门的前面。这些系统也叫做单点喷射（SPI）系统或叫做中央喷射系统。多点喷射（MPI）系统（见图2-9右图）在发动机进气道处靠近进气门的位置为发动机输送燃油。图2-9 单点喷射（左图）和多点喷射（右图）系统2.6.2 间歇式燃油喷射系统零件典型的间歇式燃油喷射系统（见图2-10）可分为三个子系统：空气供给系统。该系统由空气滤清器、节气门体和进气歧管组成（见图2-10）。节气门体部分内含节气门，驾驶员通过打开和关闭节气门来控制进入到进入进气歧管的空气量。燃油供给系统。该系统（见图2-10）的作用是提供与空气混合所需要的燃油。该系统的主要组成部件见图2-11和图2-12。系统的压力由电动燃油泵提供。图2-10 一种典型的间歇式燃油喷射系统图2-11 燃油供给系统（a）(b)图2-12 一辆汽车的燃油供给系统 电子控制系统。只要发动机运转，计算机便会接收来自多个传感器的信号（见图2-13）。根据这些输入信息，计算机计算发动机的燃油需求量，并对喷油器的喷油脉宽进行相应调节。除了控制喷油器外，现代计算机还控制着许多其他的发动机系统（见图2-10）。图2-13 发动机电子控制系统传感器用于监测发动机的各种功能，并将这些信息提供给计算机。传感器的数目和型式因系统而异。氧传感器监测发动机排气中的氧含量。计算机利用来自氧传感器的信号来控制空燃比。氧传感器一般安装在排气歧管上。发动机转速传感器监测发动机转速。许多转速传感器安装在分电器内。在另外一些系统中，发动机转速传感器的安装位置能使该传感器监测到曲轴或者凸轮轴的转动。这些转速传感器还能指示曲轴和凸轮轴的位置，这样在进气门开启之前，计算机就能打开喷油器。节气门位置信息通过节气门位置传感器传送给计算机。节气门位置传感器安装在节气门体上。通过进气歧管绝对压力传感器可将发动机负荷信号传送给计算机。该传感器能将进气歧管真空转变成一个微弱的电信号。当发动机在大负荷，需要加浓混合气时，这个输入信号能使计算机增加喷油量；当发动机在小负荷时，能减小喷油量。每个燃油喷射系统都装有一只温度传感器，来测量发动机冷却液温度。许多燃油喷射系统还装有另一只传感器，来测量进气温度。一些新型的燃油喷射系统利用一只空气流量计（见图2-10）来监测进入发动机的空气量。计算机接收这个输入信号，并将其与发动机转速信号和进气歧管真空度信号进行比较，从而确定喷油量。空气流量计有三种：热线式、叶片式和卡曼涡旋式。2.7 汽油直喷 虽然MPI在响应性和燃烧质量方面取得了巨大的改善，但是由于燃油和空气混合发生在进入气缸之前，所以这种改善仍然存在局限性。为了进一步提高响应性和燃烧效率，同时降低燃油消耗和提高输出，系统可以采用直接喷射。汽油直喷发动机被设计成将汽油直接喷射进气缸内（见图2-14），其喷射方式与直喷式柴油机相似。直接喷射可设计成获取更好的燃油经济性。这一点是通过在许多工况下能够让超稀薄混合气进行燃烧来实现的。直接喷射的设计还允许采用更高的压缩比，因而提高了动力性，并降低了燃油消耗。目前，直喷汽油机在全世界范围正在在乘用车上得到推广应用。随着喷油定时的变化，就能形成各种各样的空气-燃油混合气。GDI发动机既降低了燃油消耗，又提高了输出。这种优点是通过采用两种燃烧模式来实现的。这两种工作模式如图2-15所示。（1）超稀薄燃烧模式在大多数正常行驶条件（车速最高达120km/h）下，三菱GDI发动机运行在超稀薄燃烧模式，从而降低了燃油消耗。在这种模式时，燃油喷射发生在压缩行程的后期，点火发生在空燃比3040的超稀薄混合气中。这种工作模式叫做分层充气模式。（2）高输出模式当GDI发动机在高负荷或高转速工作时，在进气行程中进行喷油。这样，确保混合气更加均匀且温度激降低（减小爆燃的倾向），使燃烧得到了优化。这种模式被称为均质充气模式。大众公司的燃油分层喷射（FSI）发动机使用了更多的工作模式，其中的两种主要的工作模式及其FSI的节油潜力如图2-16所示。一种典型的采用直喷的间歇式燃油喷射系统如图2-17所示。图2-15 三菱GDI的两种燃烧模式图2-16 大众FSI直喷的两种主要工作模式及节油潜力图2-17 汽油直喷系统2.8 柴油机燃油喷射系统 2.8.1 传统式柴油机燃油喷射系统 典型的柴油机燃油喷射系统的组成包括：燃油箱、输油泵、燃油滤清器、喷油泵、喷油器以及必要的油管（见图2-18）。图2-19所示的系统是一种使用计算机控制喷油泵的新型柴油机燃油喷射系统。图2-18 一种传统式柴油机燃油喷射系统图2-19 一种采用轴向柱塞分配式喷油泵的计算机控制的柴油机燃油喷射系统燃油滤清器。柴油燃料必须保持清洁，以免喷油器出现故障。即使非常小的杂质颗粒也足以堵住喷油器的喷嘴。为了将尘土和其他沉积物过滤出来，柴油机燃油供给系统一般使用一只或几只滤清器。喷油泵。由于柴油机使用高的压缩比（大约为22:1），所以，喷油泵必须能够产生高压力。喷油泵有多种不同结构型式。最常用的轿车和轻型货车喷油泵是直列式或转子式喷油泵。直列式喷油泵（见图2-18）对应每个气缸都有一个独立的柱塞套-柱塞-凸轮机构（分泵）（见图2-20）。这些分泵排成一行，安装在一个共用的泵壳内。图2-20 喷油柱塞结构。当控制齿杆运动时，柱塞就会在带有扇形齿轮的套筒的带动下转动。分配式喷油泵如图2-21所示。你会注意到，仅有一个双柱塞泵为所有的喷油器出油口供油。唯一的一个出油阀位于转子内。图2-22给出了一种采用电子控制的分配式喷油泵。喷油器。喷油器有多种不同的结构，但是，它们都属于两种基本类型：内张式和外张式。柴油喷注的形状将会因发动机的结构不同而异。预热塞和进气加热器。为了在冷起动期间，帮助点燃压缩的空气燃油混合气，柴油机使用了预热塞和进气加热器。预热塞是一种伸入预燃室内的电加热装置。在新型发动机上，预热塞可以自动接通和切断。进气预热器可以对进入进气歧管的空气进行加热。加热器的加热元件是一个电加热的金属丝网。在起动前，计算机给加热元件通电。图2-21 分配式喷油泵剖切图图2-22 一种电控分配式喷油泵。燃油切断电磁阀受动力控制模块的控制。通电时，该电磁阀能完全阻止燃油流入喷油泵2.9 共轨喷油系统 新型柴油机装有共轨喷油系统（见图2-23至图2-26）。共轨喷油系统是一些直喷（DI）系统。喷油器的喷嘴置于燃烧室内。活塞顶上有一个凹坑，初始燃烧就发生在这里。喷油器必须能够经受缸内高温和高压的作用，并且必须能够将燃油喷注输送到这样的环境中。这些系统有一根与各个喷油器相连的高压油轨。计算机对喷油器进行控制，努力使喷油器的工作与发动机工况相适应。喷油器有两种类型：电磁式和压电式（见图2-27和图2-28）。新型柴油机的喷油器依靠层叠压电晶片而不是电磁线圈来工作。当加电流时，压电晶片会快速膨胀。这些晶片会使喷油器对发动机的需求做出极快的响应。使用这种新型喷油器，柴油机噪声会更小，效率会更高，排放更洁净，动力更强劲。图2-23 共轨喷油（CR）系统图2-24 采用压电式串接喷油器的博世第三代共轨喷油系统图2-25 卢卡斯柴油机共轨喷油系统图2-26 V8发动机采用的共轨喷油系统图2-27 电磁式喷油器图2-28 博世第三代共轨喷油系统的喷油器执行元件是压电晶片2.10 冷却系 发动机的冷却系统的功用是消除来自发动机的多余热量,使发动机以最具效率的温度运行,并使发动机启动后尽快达到合适的温度。理论上,冷却系统会使发动机不论在何种状况下都会以最有效的温度运行。发动机中燃料燃烧产生大量的热，当混合气燃烧时，气温可高达4000华氏度。不过,正常操作温度约为2000华氏度。排气系统排除大部分的热,但发动机的一些部件,如汽缸壁、活塞、汽缸盖，吸收了很大一部分热量. 如果发动机某一部分过热,润滑油膜就不能保护它了。以至于缺少润滑而毁坏发动机。另一方面,如果发动机运行的温度太低,效率也不会高,机油越来越脏(增加磨损、减小马力),形成沉积物、增加油耗-更不用说废气排放! 由于这些原因,冷却系统此时停止运行直到发动机回暖。有两种类型的冷却系统; 水冷系和风冷系。大多数汽车发动机用的是水冷系; 飞机、摩托车及割草机主要使用风冷系。水冷式发动机的冷却系统由发动机的水套、恒温器（节温器）、水泵、散热器、散热器盖、风扇(电动或者皮带驱动)、散热器管以及溢流箱（膨胀水箱）组成 (图2-23).图.2-23 水冷式发动机冷却系2.11 润滑系 通过减少摩擦来降低磨损和动力损失是润滑系统的主要功能。在发动机零件上的残油也为发动机的起动提供润滑。发动机机油在活塞、活塞环和气缸之间形成一个密封层。它也用于冷却发动机部件。如果没有润滑系的清洁作用，累积的碳和清漆将会过多。发动机机油也减少震动并降低运动部件引起的噪音。润滑系能否成功地完成这些功能取决于很多因素和条件。要有充足的优质润滑油在足够的压力下送到发动机各运行部分,来提供液体润滑油给旋转部分和使表面受油附着而产生滑动摩擦。图2-24为发动机润滑油循环图解。 图.2-24发动机润滑油循环图解图2-25 润滑系各部件2.12 排放控制系统 排放控制系统的功能是控制车辆的排放和尾气。这个系统的作用就是将汽车排放出来的有害气体转化成为对环境无污染的和人体无害的气体。有害气体主要包括：1) 未燃烧的碳氢化合物2) 一氧化碳 3) 氮氧化合物有五种常用的系统用于减少排放物：曲轴箱通风系统，蒸发排放控制系统，废气再循环系统，空气喷射系统和催化转换系统。除了这些排放控制系统，现代汽车还加入一个电子控制燃油喷射系统，进一步减少排放。（注意:并不是所有的车辆都配备这些排放控制系统。）曲轴箱通风系统的作用是把曲轴箱和活塞之间产生的蒸汽直接送到正在燃烧的燃料进气系统进行重新利用。废气再循环系统在燃烧过程中减少了大量的氮氧化物。燃油蒸发控制系统的功能是从油箱和化油器中分离和储存蒸发的排放物。一个活性碳罐用来分离燃料蒸气。燃料蒸气附着在活性炭上，直到引擎开始启动，引擎真空可以将蒸气吸入发动机，这样蒸气就能随着空气燃料混合物燃烧。催化转换器看起来像一个消声器。它位于排气系统中消声器的前面。当废气中的碳氢化合物和一氧化碳经过催化剂，它们就会被用化学方法氧化或转化为二氧化碳和水。图.2-26 排气系统图.2-27曲轴箱强制通风系统图.2-28 蒸发排放控制系统图.2-29 废气再循环系统图.2-30 空气喷射系统Ceramichoneycomb catalystInsulationOutletcatalystInletcatalystSubstratecatalystCoatingcatalystCatalyst halfshellhousingIntumescent matShield Insulation cover图.2-31 催化转换系统2.13 Emission Control on CV Diese