之前的回顧：“圖畫汽車”了解發(fā)動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。

旨在用最簡(jiǎn)潔的照片和最少的廢話理解汽車！

氣體組

現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體組主要由機(jī)體、氣缸蓋、氣缸蓋、氣缸墊、主軸承蓋、油底殼等組成。氣體組是發(fā)動(dòng)機(jī)的支架，是曲柄連桿機(jī)構(gòu)、氣體分配機(jī)制和發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)主要部件的裝配矩陣。氣缸蓋用于封閉氣缸頂部，與活塞頂部和氣缸壁一起形成燃燒室。

本體零件

氣缸蓋

氣缸蓋用于關(guān)閉氣缸和組成燃燒室。氣缸蓋鑄造有水套、進(jìn)水口、出水孔、火花塞孔、螺栓孔、燃燒室等。

氣缸蓋

汽缸缸體

氣缸體是發(fā)動(dòng)機(jī)的主體，是將每個(gè)氣缸和曲軸箱綁在一起安裝活塞、曲軸及其他部件和附件的支撐骨架。

汽缸缸體

氣缸墊

氣缸墊位于氣缸蓋和氣缸蓋之間，通過填充氣缸蓋和氣缸蓋之間的微小氣孔，保證結(jié)合面良好的密封性，從而保證燃燒室的密封，防止氣缸泄漏和水桶泄漏。

氣缸墊

活塞連桿組件

活塞連桿組是發(fā)動(dòng)機(jī)的執(zhí)行器，將燃燒氣體的壓力傳遞到曲軸上，使曲軸旋轉(zhuǎn)并輸出動(dòng)力。活塞連桿組主要由活塞、活塞環(huán)、活塞銷和連桿等組成。

活塞連桿總成

活塞

活塞的主要功能是承受燃燒氣體壓力，通過活塞銷將此力傳遞到連桿，從而促進(jìn)曲軸旋轉(zhuǎn)。此外，活塞頂部與氣缸蓋、氣缸壁一起構(gòu)成燃燒室。活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件最惡劣的部件，具有作用于活塞的氣體力和往復(fù)慣性力。

活塞

連桿

連桿組包括連桿主體、連桿蓋、連桿螺栓和連桿軸承等部件。連桿組的功能是將活塞能承受的力傳遞給曲軸，并將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。連桿頭與活塞銷連接，與活塞一起往復(fù)運(yùn)動(dòng)。連桿與曲柄銷連接在一起，與曲軸一起進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)連桿在進(jìn)行復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)。

鏈接

曲軸飛輪組

曲軸飛輪組包括曲軸、飛輪、扭轉(zhuǎn)減震器、平衡軸。曲軸飛輪組的作用是將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，向汽車行駛和其他需要?jiǎng)恿Φ臋C(jī)構(gòu)輸出扭矩。同時(shí)儲(chǔ)存能量，克服非工作行程的阻力，使發(fā)動(dòng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。

曲軸飛輪組

曲軸的效用

曲軸的功能是將活塞、連桿傳遞的氣體力轉(zhuǎn)化為扭矩，驅(qū)動(dòng)汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣機(jī)構(gòu)及其他輔助裝置。曲軸是

周期性變化的氣體力、慣性力及其力矩的共同作用下工作，承受彎曲和扭轉(zhuǎn)交變載荷。

曲軸

曲軸術(shù)語

曲軸的安裝位置

曲軸的安裝位置

曲軸工作原理

我們都知道，氣缸內(nèi)活塞做的是上下的直線運(yùn)動(dòng)，但要輸出驅(qū)動(dòng)車輪前進(jìn)的旋轉(zhuǎn)力，是怎樣把直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的呢？其實(shí)這個(gè)與曲軸的結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。曲軸的連桿軸與主軸是不在同一直線上的，而是對(duì)立布置的。

曲軸工作原理

這個(gè)運(yùn)動(dòng)原理其實(shí)跟我們踩自行車非常相似，兩個(gè)腳相當(dāng)于相鄰的兩個(gè)活塞，腳踏板相當(dāng)于連桿軸，而中間的大飛輪就是曲軸的主軸。左腳向下用力蹬時(shí)（活塞做功或吸氣向下做運(yùn)動(dòng)），右腳會(huì)被提上來（另一活塞壓縮或排氣做向上運(yùn)動(dòng)）。這樣周而復(fù)始，就有直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)了。

配氣機(jī)構(gòu)

配氣機(jī)構(gòu)主要包括正時(shí)齒輪系、凸輪軸、氣門傳動(dòng)組件（氣門、推桿、搖臂等），主要作用是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作情況，適時(shí)的開啟和關(guān)閉各氣缸的進(jìn)、排氣門，以使得新鮮混合氣體及時(shí)充滿氣缸，廢氣得以及時(shí)排出氣缸外。

配氣機(jī)構(gòu)示意圖

配氣機(jī)構(gòu)組成

配氣機(jī)構(gòu)類型

按照凸輪軸的位置可分為底置凸輪軸式和頂置凸輪軸式。底置凸輪軸式就是凸輪軸布置在氣缸底部；頂置凸輪軸式是指是凸輪軸布置在氣缸的頂部。OHV（Overhead valve）是指頂置氣門底置凸輪軸。OHC（Overhead camshaft）是指頂置凸輪軸。如果氣缸頂部只有一根凸輪軸同時(shí)負(fù)責(zé)進(jìn)、排氣門的開、關(guān)，稱為單頂置凸輪軸（Single overhead camshaft，SOHC）。

頂置氣門發(fā)動(dòng)機(jī)

如果在頂部有兩根凸輪軸分別負(fù)責(zé)進(jìn)氣門和排氣門的開、關(guān)，則稱為雙頂置凸輪軸（Double overhead camshaft，DOHC）。在DOHC下，凸輪軸有兩根，一根可以專門控制進(jìn)氣門，另一根則專門控制排氣門，這樣可以增大進(jìn)氣門面積，改善燃燒室形狀，而且提高了氣門運(yùn)動(dòng)速度，非常適合高速汽車使用。

雙頂置凸輪軸

OHV與SOHC

氣門正時(shí)

所謂氣門正時(shí)，可以簡(jiǎn)單理解為氣門開啟和關(guān)閉的時(shí)刻。理論上在進(jìn)氣行程中，活塞由上止點(diǎn)移至下止點(diǎn)時(shí)，進(jìn)氣門打開、排氣門關(guān)閉；在排氣行程中，活塞由下止點(diǎn)移至上止點(diǎn)時(shí)，進(jìn)氣門關(guān)閉、排氣門打開。

配氣相位示意圖

正時(shí)的目的其實(shí)在實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)工作中，是為了增大氣缸內(nèi)的進(jìn)氣量，進(jìn)氣門需要提前開啟、延遲關(guān)閉；同樣地，為了使氣缸內(nèi)的廢氣排得更干凈，排氣門也需要提前開啟、延遲關(guān)閉，這樣才能保證發(fā)動(dòng)機(jī)有效的運(yùn)作。

配氣機(jī)構(gòu)部件

• 凸輪軸

凸輪軸主要負(fù)責(zé)進(jìn)、排氣門的開啟和關(guān)閉。凸輪軸在曲軸的帶動(dòng)下不斷旋轉(zhuǎn)，凸輪便不斷地下壓氣門，從而實(shí)現(xiàn)控制進(jìn)氣門和排氣門開啟和關(guān)閉的功能。

凸輪軸構(gòu)造

凸輪軸術(shù)語

• 氣門

氣門的作用是專門負(fù)責(zé)向發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)輸入燃料并排出廢氣。

氣門組成

氣門術(shù)語

• 氣門彈簧

氣門彈簧的作用是依靠其彈簧的張力使開啟的氣門迅速回到關(guān)閉的位置，并防止氣門在發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程中因慣性力量而產(chǎn)生間隙，確保氣門在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)能緊密貼合，同時(shí)也防止氣門在振動(dòng)時(shí)因跳動(dòng)而破壞密封性。

典型氣門彈簧與相關(guān)部件

• 氣門座圈

氣門座圈是氣門和氣缸蓋之間的接觸面。氣門和氣門座圈用于燃燒室的密封，以調(diào)節(jié)進(jìn)、排氣。

氣門座圈

• 氣門間隙

發(fā)動(dòng)機(jī)在冷態(tài)下，當(dāng)氣門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，氣門與傳動(dòng)件之間的間隙稱為氣門間隙。圖（a）表示通過螺釘調(diào)整氣門間隙，圖（b）表示通過墊片調(diào)整氣門間隙。

氣門間隙

• 液力挺桿

液壓挺桿主要由挺桿體、柱塞、球頭柱塞（推桿支座）、單向閥、單向閥彈簧及回位彈簧等零件組成。利用液壓挺桿內(nèi)部獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可自動(dòng)調(diào)節(jié)配氣機(jī)構(gòu)傳動(dòng)間隙、傳遞凸輪升程變化、準(zhǔn)時(shí)開閉氣門。

液力挺桿

其工作原理是，當(dāng)凸輪在升程階段，凸輪壓縮柱塞，單向閥關(guān)閉，高壓腔中的油液從挺桿體與柱塞按偶件配合的間隙中泄出少量，這時(shí)液壓挺桿可近似被看作一個(gè)不被壓縮的剛體，在“剛體”的支撐作用下，將進(jìn)、排氣門打開。在凸輪回程階段，柱塞的受力被解除，在回位彈簧作用下柱塞恢復(fù)上升，氣門在氣門彈簧的作用下自動(dòng)關(guān)閉，完成一個(gè)工作循環(huán)，達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)氣門間隙的目的。

• 搖臂

搖臂是頂壓氣門的杠桿機(jī)構(gòu)，用于驅(qū)動(dòng)氣門開啟和關(guān)閉。

搖臂

• 搖臂軸

有些發(fā)動(dòng)機(jī)利用搖臂軸支撐搖臂。

搖臂軸

可變氣門正時(shí)與可變氣門升程

可變氣門正時(shí)和可變氣門升程可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和工況的不同而進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)在高低速下都能獲得理想的進(jìn)、排氣效率。

• 可變氣門正時(shí)

利用液壓控制凸輪軸正時(shí)齒輪內(nèi)部?jī)?nèi)轉(zhuǎn)子，可以實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的角度提前或延遲。

可變氣門正時(shí)

• 可變氣門升程

可變氣門升程系統(tǒng)主要通過切換凸輪軸上的低角度凸輪和高角度凸輪，來實(shí)現(xiàn)氣門的可變升程。

可變氣門升程

豐田智能可變氣門正時(shí)系統(tǒng)

豐田的可變氣門正時(shí)系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用，主要的原理是在凸輪軸上加裝一套液力機(jī)構(gòu)，通過ECU的控制，在一定角度范圍內(nèi)對(duì)氣門的開啟、關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，或提前或延遲或保持不變。

豐田智能可變氣門正時(shí)系統(tǒng)

凸輪軸的正時(shí)齒輪的外轉(zhuǎn)子與正時(shí)鏈條（皮帶）相連，內(nèi)轉(zhuǎn)子與凸輪軸相連。外轉(zhuǎn)子可以通過機(jī)油間接帶動(dòng)內(nèi)轉(zhuǎn)子，從而實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的角度提前或延遲。

本田智能可變氣門正時(shí)和升程電子控制

本田的VTEC可變氣門升程系統(tǒng)可以看做在原來的基礎(chǔ)上加了第三根搖臂和第三個(gè)凸輪軸。通過三根搖臂的分離與結(jié)合一體，來實(shí)現(xiàn)高低角度凸輪軸的切換，從而改變氣門的升程。

本田VTEC系統(tǒng)

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于低負(fù)荷時(shí)，三根搖臂處于分離狀態(tài)，低角度凸輪兩邊的搖臂來控制氣門的開閉，氣門升程量小；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于高負(fù)荷時(shí)，三根搖臂結(jié)合為一體，由高角度凸輪驅(qū)動(dòng)中間搖臂，氣門升程量大。

奧迪氣門升程系統(tǒng)

奧迪的AVS可變氣門升程系統(tǒng)，主要通過切換凸輪軸上兩組高度不同的凸輪來實(shí)現(xiàn)氣門升程的改變，其原理與本田的VTEC非常相似，只是AVS系統(tǒng)是通過安裝在凸輪軸上的螺旋溝槽套筒，來實(shí)現(xiàn)凸輪軸的左右移動(dòng)，進(jìn)而切換凸輪軸上的高低凸輪。在電磁驅(qū)動(dòng)器的作用下，通過螺旋溝槽可以使凸輪軸向左或向右移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)不同凸輪間的切換。

奧迪氣門升程系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)處于高負(fù)荷時(shí)，電磁驅(qū)動(dòng)器使凸輪軸向右移動(dòng)，切換到高角度凸輪，從而增大氣門的升程。

AVS工作原理（高負(fù)荷）

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于低負(fù)荷時(shí)，電磁驅(qū)動(dòng)器使凸輪軸向左移動(dòng)，切換到低角度凸輪，以減少氣門的升程。

AVS工作原理（低負(fù)荷）

文獻(xiàn)來源：

1. 張金柱，《圖解汽車原理與構(gòu)造》化學(xué)工業(yè)出版社2016

2. HOW A CAR WORKS

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