汽油发动机工作原理图解

发布日期:2018-01-11 16:05:02 更新时间: 2018-01-09 编辑: 阿楠
汽油发动机工作原理图解

汽油发动机的动力源泉,就像人的心脏一样。不过不同人的心脏大小和构造差别不大,但是不同汽车的发动机的内部结构就有着千差万别,那不同的发动机的构造都有哪些不同?下面我们一起了解一下。


汽油发动机动力来源


汽油发动机的动力则来源于气缸内部。发动机气缸就是一个把燃料的内能转化为动能的场所,可以简单理解为,燃料在汽缸内燃烧,产生巨 大压力推动活塞上下运动,通过连杆把力传给曲轴,最终转化为旋转运动,再通过变速器和传动轴,把动力传递到驱动车轮上,从而推动汽车前进。

多图详解大众1.4tsi发动机

一款1.4L排量小型化的发动机是如何与“涡轮增压+机械增压+缸内直喷“技术 协调运用的?下面我们以多图来解读一下这款大众1.4TSI发动机的工作原理。

大众1.4TSI发动机的数据非常简单,它是大众的一款1.4升汽油发动机,最大功率125kw,最大扭矩240Nm/1750rpm~4500rpm,搭载这款发动机的大众高尔夫GT百公里综合油耗仅为7.2升,在优良路况中油耗甚至可降至5.9升。——1.4L的排量油耗低而输出功率超过许多2.3L发动机。在国外,这类强力发动机通常是用在性能版车型上的,在提升性能的同时 价格 也不菲。在大众,1.4TSI就被用在了强调操控性的高尔夫GT上。

红色的Golf在1.4TSI的驱动下,犹如红色旋风

把它“掏出来”看清楚点(下图)——的确,它比普通发动机要复杂多了。

从前后两个方向看大众1.4TSI发动机

为什么这款发动机会有这么复杂?因为这同它的功能有关。首先来看TSI的组成,T代表Turbo-charging(废气涡轮增压),S代表Super-charging(机械增压),I代表Fuel Stratified Injection(燃油分层直喷)。“以最低的油耗获得最大的功率”是对TSI发动机优点的准确概括,TSI发动机将小型化技术与传统的机械增压技术和涡轮增压技术巧妙组合,兼顾了低速时的扭矩输出和高速时的功率输出,解决了两种技术各自的不足。

也就是说,TSI比普通发动机多了废气涡轮增压和机械增压这两项配置,还包括燃油直喷的功能,所需的机件自然要多。其次,为了让这些附加的装置能够正常地工作,还会有其他附属零件 的配置。这样才能做到“1+1>2”,也难怪1.4TSI会比较复杂了。那么它的内部结构如何呢?它又是怎么工作的呢?

增压,顾名思义就是增加压力。那么,它是增加哪里的压力,有什么作用,又是怎么增压的呢?

1.4TSI上大名鼎鼎的废气涡轮增压套件

涡轮增压。涡轮增压是目前全世界汽车厂商运用最为广泛的发动机增压技术,它可以利用发动机排出废气产生的能量,来大幅度提高发动机的动力输出。其工作原理是,发动机排出的废气驱动废气涡轮高速旋转,废气涡轮再带动进气涡轮以同样的速度旋转,以远远高于大气的压力将空气压缩到气缸内助燃。由于空气的易压缩性,因此在涡轮增压下的进气量要远远超过自然吸气的进气量,这样就提高了引擎的功率输出。

换句话说就是,发动机排出的热废气是带有能量的,涡轮增压就相当于废物利用,重新收集了一部分废热,增加输出功率。因此,要得到同样的功率,有增压的发动机就能做得更小,也就更轻,从而提高了操控降低了油耗。

但是,涡轮增压有个先天的缺陷,就是涡轮迟滞,即发动机必须达到一定的转速才能启动涡轮,现在换用小涡轮后解决了一部分时滞问题。除此之外,涡轮增压发动机的压缩比通常还得降低,比如到6.5:1以下,来避免气缸过热。这样做的结果就是在低速涡轮没有介入的情况下,发动机输出甚至还不如自然吸气机型。另一个问题是达到涡轮介入的转速后,增压导致动力输出陡增,破坏了动力的平稳输出和操控的准确性。为了解决这些缺陷,汽车工业发展出了不少方法:使用带旁通的涡轮增压套件减小迟滞,采用中冷器提高压缩比改善低转速的动力输出,采用新材料涡轮降低运动惯性,双涡轮增压以及机械增压等。

中冷器结构图及中冷器散热片的组成示意图

1.4TSI发动机是有中冷器的,即在涡轮增压器和发动机之间引入了一个中冷器。这是因为发动机直接排出的废气温度通常高达8、9百度,会造成涡轮本体、进气温度升高,加之压缩空气时做功,增压压缩进气缸的气体就有可能过热而造成汽油预燃而发生爆震,影响动力输出;同时,高温也是引擎的隐形杀手。所以,增压发动机通常会引入中冷器来降低进气温度。一般来说,使用中冷后能减小50~60度的进气温度(离开临界值),可以适当的提高发动机压缩比,改善低转速时的动力输出;同时由于冷空气的密度大,所以在相同条件下,这种设计可以提高发动机的进气密度,因此发动机工作效率更高。

机械增压技术。机械增压的历史比较悠久,在上世纪60年代涡轮增压技术出现以前,机械增压是当时发动机的主流增压技术。机械增压的压缩机直接被发动机的曲轴带动,它的优点是响应性好(完全没有迟滞)。但是它本身需要消耗一部分能量,因此机械增压不能产生特别强大的动力,尤其是在高转速时,因为它会产生大量的摩擦,损失能量,从而影响到发动机转速的提高。不过,机械增压器在中低转速时,对发动机的动力输出有明显改善,但峰值功率出现较早,发动机最高转速较低。另外,配置机械增压的发动机可以在任何时候,都能输出源源不断的扭力,大大减小换挡频率。

机械增压在发动机中低转速时效果好,而涡轮增压则能在高速时起到很大的提升作用;因此,如果能够把它们结合起来就能避免各自的不足,很自然地在宽范围内提供所需的动力了:

1.4TSI发动机工作示意图

注:其中红色是废气通道,蓝色是进气系统,机械增压和涡轮增压串联

1.在低转速时,由机械增压提供大部分的增压压力,这些压力也用来驱动涡轮增压器,因此涡轮增压器的启动更平顺,响应速度更快。

2.在1500rpm时,两个增压器同时提供增压压力,其总增压值达到2.5bar(如果涡轮增压器单独工作,只能产生1.3bar的增压压力)。随着转速的提高,涡轮增压器能使发动机获得更大的功率,与此同时,机械增压器的增压压力逐渐降低。

3.在转速超过3500rpm时,由涡轮增压器提供所有的增压压力,此时机械增压器在电磁离合器 的作用下完全与发动机分离,防止消耗发动机功率。

机械增压及涡轮增压的不同阶段工作情况示意图

为了让驾驶者更为明白地掌握发动机所处工况,厂家还比较人性化地在仪表 台提供了一个Boost表,描述的是涡轮机即时增压状况。这样,有没有增压,表针动没动一目了然;表针越向右摆,表示此刻增压比越高,非常直观。

FSI燃油直喷技术。FSI直喷的喷油嘴共有6个喷油孔,其喷油压力高达150bar!FSI即发动机利用一个高压泵,使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。它共有两种运行方式,发动机按照负荷工况,自动进行选择,以保证足够的燃油经济性:

汽油直喷示意图

低负荷时的特点是在进气道中已经产生可变涡流,此时节气门为半开状态,空气由进气管进入汽缸撞在活塞顶部,由于活塞顶部制作成特殊的形状从而在火花塞附近形成期望中的涡流。然后,进气流形成最佳的涡流形态进入燃烧室内,以由浓至稀的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。因为稀燃技术的混合比达到25:1以上,按照常规是无法点燃的,所以最内层要易于点火,混合比大概在12:1左右,然后一层一层地向外燃烧。这样能够节约燃料。而在高负荷中所进行的均质理论空燃比(14.6-14.7)燃烧中,大量空气高速进入汽缸形成较强涡流,燃油则是在进气冲程中喷射。

应用FSI技术要求提高压缩比,而使用涡轮则要求降低压缩比,这二者在配置了我们上面谈到的中冷器后达到了平衡,即10:1。另外,FSI 发动机由于喷射器的加入导致了对设计和制造的要求都相当的高,如果布置不合理、制造精度达不到要求导致刚度不足甚至漏气只能得不偿失。另外FSI发动机对燃油品质的要求也比较高。但是,在应用了“涡轮增压+机械增压+燃油直喷”技术之后,这款引擎发生了质的变化。大众是在EA 111的1.4 FSI发动机(1390cc, 66Kw/88Hp, 4缸4气门)基础上进行的双增压设计,而这款发动机(1.4TSI发动机)与我们所熟悉的POLO GP上的那个1.4 4v 55kw是一样的不过动力输出的确是天壤之别:前者是后者的一倍还要多

型号 1.4TSI 1.4FSI 1.4V

排量mm 1390 1390 1390

缸径X冲程mm 75.6X76.5 76.5X75.6 76.5X75.6

压缩比 10:1 10.5:1

最大功率Kw/rpm 125 66 55

最大扭矩Nm·rpm 240 150 135

从1.4TSI的工况图上可以看到发动机转速在1000转时,输出的扭矩就已经高达176NM,要知道好多1.6或1.8甚至2.0的发动机的最大扭矩也就这个水平。低速大扭矩带来大操控感受果然非同寻常,配置1.4TSI的Golf GT的0~100km/h加速时间小于8s。

1.4TSI的发动机工况图

Golf GT装载1.4TSI的参数:

最大车速:220kM/h

0--100kM/h : 7.9s

80--120kM/h: 8.0s

使用98#超级汽油时的油耗为:

城市道路:9.6L/100kM;

良好道路:5.9L/100kM;

平均:7.2L/100kM;

CO2(二氧化碳)排放量:173mg/km

最后要指出的是,1.4TSI的综合表现虽然很好,但正如前面所讲,厂家推出1.4TSI几乎就榨干了这台发动机的所有潜力,其活塞连杆等恐怕再难承受更大的压力了,要玩改装可别选它了。

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