汽车的心脏

正象人类的心脏负责人体各部机能正常运转一样发动机是汽车正常工作的核心，也是汽车的动力来源。

现在的汽车上大量使用的内燃机，是一种借助燃料燃烧产生动力的发动机。车用发动机主要分为汽油机和柴油机两种，它们都是活塞往复式的发动机。其他形式的发动机如三角活塞式发动机(转子发动机)、燃气涡轮式发动机、热气机等，由于还有各种各样的技术问题需要解决，目前还不够成熟，所以现代的汽车上很少应用。近年来由于环境保护的需要，出现了很多新兴动力的发动机，如液化石油汽发动机(LPG)和压缩xx汽发动机(CNG)，北京市的公交车和出租车广泛采用了这两种方式，现在还出现了新型的燃烧酒精发动机。这些都丰富了发动机的类型，但是它们大体的结构还是没有改变，都是往复式活塞发动机只不过燃烧的“燃料”有所不同。

活塞往复式发动机又可以分为2冲程和4冲程两种形式，2冲程发动机在活塞往复两个单程完成一次做功，而4冲程的则需要往复四个单程才能完成一个工作循环。2冲程发动机的优点是做功频率高，运转较为平稳，而且它的结构简单(没有专门的配气机构)，质量较小，使用简便。缺点是由于构造上的关系，不能够将汽缸内的废气排放干净，而且减少了有效的工作行程，还会将一部分的新鲜工质和废气一同排放掉，燃油经济性较差。所以在相同的工作容积和转速下，2冲程发动机的{zd0}功率不是理论上4冲程发动机的4倍，而是实际上的15—16倍。由于上述的缺点，2冲程发动机在汽车上较少采用，但是由于制造成本低、构造简单、重量轻所以在摩托车上采用的较多。而4冲程发动机以其经济性好、适用性广被汽车制造者广泛采用在汽车上。不过，采用电控燃油喷射的2冲程发动机可以减少换气损失，改善燃油经济性差的缺点，可望能够在汽车上得到发展。

汽油机由于体积较小、重量轻、转速高、噪声小、制造维修简便等优点而在轿车和一些小型汽车上得以较为广泛的应用。但是近年来由于柴油机技术的迅速发展，使得柴油机在轿车和小型车上的应用也越来越广泛，而且柴油机的废气排放要较汽油机好，虽然采用柴油机的汽车尾气中会含有黑烟，但是其中的有害气体的成分要比汽油机的尾气含量少。国外由于采用了品质较好的柴油，明显降低了尾气中的烟尘排放。柴油机由于有较高的压缩LL，所以工作效率要高于汽油机，它的燃油经济性要好于汽油机，而且柴油的价格相对较为便宜。因此人们对柴油机的发展前景越来越看好，xx的奔驰和宝马公司都有自己的柴油机轿车品种。

常见的发动机结构形状有直列、V型和水平对置三种型式。直列式多缸发动机汽缸体结构简单，加工容易，但是长度和高度较大，一般六缸以下的发动机多为采用，奥迪A618就采用了直列4缸发动机。与直列式发动机相比，v型发动机缩短了发动机的长度和高度，增加了汽缸体的刚度，重量也有所减轻，但是增加了发动机的宽度，而且形状复杂，加工困难，但运转平稳相对噪音较低，一般应用于缸数多的大功率发动机上，象奥迪A62.8等高级轿车便广泛的采用了这种发动机型式。水平对置式发动机的高度要比其他形式小的多，在某些情况下，使得汽车的的布置安排更为方便，这对于轿车和大型客车尤其如此，而且汽缸对置对于风冷式的发动机也是有利的，xx的速波“IMPREZA”发动机采用的就是4缸水平对置的型式。这三种发动机的布置型式各有利弊，不能单纯的认为哪一种型式更好。

发动机的汽缸数目是很多人关心的问题，一般四冲程的发动机只有一个行程在做功，其余的三个行程是在做准备工作的。做功时发动机曲轴的转速要比其它时候的要高，这样就会造成发动机运转的不平稳，产生震动，这样就需要增加发动机飞轮的重量，使整体的重量增加，所以多采用多缸发动机的形式来弥补这样的缺点。汽缸数目多还可增强汽车的动力性能使发动机的功率增大，高级轿车的气缸数目就比经济型的轿车要多，这也是由于高级轿车的舒适性和动力性所要求的，车中贵族“劳斯莱斯”便采用12缸的发动机。但是气缸数目过多也会使构造复杂，成本增加，所以在选择汽车发动机的汽缸数目上要根据选择的需要来做相应的判断，一辆豪华汽车的汽缸数目是不会和微型车一样多的。

发动机是靠可燃气体和空气的混合燃烧来运动的，如果发动机得不到足够的新鲜空气，那么可燃气体的燃烧就不会xx，造成的结果就是燃油经济性变差，发动机功率下降。现代发动机的转速很高，通常可以达到每分钟4500转以上，完成一个工作循环只需要O.OO5秒左右的时间，传统的两气门已经无法胜任在这么短暂时间内的换气任务，从而限制了发动机性能的提高，解决的办法只有扩大气体的进出空间，用较大的空间来赢得时间。而多气门技术是{zh0}的解决途径，它的出现使得发动机整体的质量得到了本质上提高。所谓多气门技术就是发动机每个汽缸的气门超过2个，具体的有2进1出、2进2出、3进2出等排列型式。但是气门数过多进气量也会下降，而且会使结构更为复杂，加工工艺要求极高，增加制造成本，反而不好。因此现在的发动机普遍采用的是3到5气门的结构，尤其是4气门采用的较为广泛，而且现代的中xx轿车上的发动机几乎都采用了多气门的结构，它已经成为现代轿车的一个技术指标，例如，捷达轿车就采用了5气门技术，它可使发动机在排量相同的情况下，输出较大的功率。

气门的布置形式有顶置式和气门侧置式。气门侧置式的气门布置在汽缸的一侧，使燃烧室的结构不够紧凑，限制了压缩比的提高，还有由于进气弯道多，进气的流动阻力大，发动机的动力性和高速性能较差，所以这种形式已经趋于淘汰。现在采用较多的是气门项置式的结构。凸轮轴的布置形式有下置式、中置式和顶置式三种形式，以往的配气机构，采用较多的是凸轮轴下置的形式，凸轮轴是由正时齿轮驱动的，有专门的接管、推杆、挺柱等机构对气门进行控制，这种结构的往复运动质量较大，而且距离较远，对气门的控制不够xx，也不利于发动机转速的提高，现在高速发动机上面普遍采用的是顶置凸轮轴结构，这种形式可以有效的减少往复质量，提高发动机的效率，但是也使凸轮轴和曲轴的距离加大，凸轮轴的正时机构的结构变的复杂。总体上说来还是凸轮轴顶置的形式较为有利。顶置凸轮轴按数目可以分为SOHC(单顶置凸轮轴)和DOHC(双顶置凸轮轴)两种，现在汽车由于采用了较多的气门和V型的结构，所以双项置凸轮轴结构为许多xx发动机采用，奥迪A6系列就是这一类型的发动机。顶置凸轮轴也和多气门一样成为衡量轿车发动机的一项重要的指标，列入了轿车的技术参数当中。

发动机的气门可变驱动机构

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（α）和延迟关闭（β）。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（γ）和延迟关闭（δ）。
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xx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。

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”，英文缩写就是“VTEC”，控制方法类似上述{dy}种形式，是世界上{dy}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发动机同样有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动作的小活塞。

发动机低速时，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，情形好象普通的发动机。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，所以不会影响气门开闭工作。
发动机达到预定的高转速时，电脑即会控制液压系统，推动摇臂内的小活塞，使三根摇臂锁成一体。三根摇臂ABC一起由中间凸轮c驱动，进气门开启时间延长，升程加大。
当发动机转速降低，摇臂内的液压也随之降低，活塞会退回原位，三根摇臂分开。整个VTEC系统都是由发动机主电脑（ECM）控制，ECM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，调节摇臂活塞液压系统，使发动机在不同的工况下有不同的输出特性。

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{zj1}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xx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xx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。