汽车发动机思维导图
中心主题：汽车发动机
核心概念
- 定义：将某种形式的能量转化为机械能,驱动汽车行驶的装置。
- 作用：为车辆提供动力。
- 核心功能：
- 动力输出：通过曲轴旋转输出扭矩。
- 能量转换：将燃料的化学能 → 热能 → 机械能。
- 关键性能指标：
- 功率：单位时间内做功的多少，单位：千瓦 / 马力。
- 扭矩：发动机输出的“力气”，单位：牛·米。
- 排量：所有气缸工作容积的总和，单位：升。
- 压缩比：气缸最大容积与燃烧室容积的比值。
- 燃油消耗率：单位功率、单位时间的燃油消耗量。
主要类型
- 按燃料分类：
- 汽油机：
- 点火方式：点燃式（火花塞点火）。
- 特点：转速高、噪音小、成本较低。
- 应用：绝大多数家用车、跑车。
- 柴油机：
- 点火方式：压燃式（高温高压空气点燃柴油）。
- 特点：扭矩大、热效率高、油耗低。
- 应用：卡车、巴士、部分SUV。
- 其他燃料发动机：
- 天然气发动机：更清洁,成本较低。
- 氢燃料发动机：唯一排放物是水,技术尚在发展。
- 酒精发动机：如乙醇汽油。
- 汽油机：
- 按工作循环分类：
- 奥托循环 (Otto Cycle)：即四冲程发动机（进气、压缩、做功、排气）。
- 狄塞尔循环 (Diesel Cycle)：即柴油机的工作循环。
- 阿特金森循环 (Atkinson Cycle)：追求高热效率,常用于混合动力车型。
- 按冷却方式分类：
- 水冷发动机：主流方式，利用冷却液循环散热,温度稳定。
- 风冷发动机：利用风扇吹散热量，结构简单，但冷却效果不稳定,噪音大。
- 按气缸布置分类：
- 直列式：所有气缸排成一列，结构简单，成本低。
常见：L3, L4, L5, L6, L8。
- V型：气缸分两组呈V形排列，结构紧凑，长度短。
常见：V6, V8, V10, V12,多用于中高端车型。
- 水平对置式：气缸分布在曲轴两侧，呈180度对置。
- 特点：重心低、运行平稳、振动小。
- 代表：斯巴鲁、保时捷。
- W型：由两个V型发动机共用一个曲轴，结构极其复杂，用于超跑。
代表：大众集团（布加迪、宾利等）。
- 转子发动机：活塞式发动机的替代方案，将往复运动转为旋转运动。
- 特点：高转速、结构紧凑、动力输出线性。
- 代表：马自达。
- 直列式：所有气缸排成一列，结构简单，成本低。
基本结构与核心部件
- 两大机构：
- 曲柄连杆机构：实现往复运动与旋转运动的转换。
- 部件：机体组（气缸盖、气缸体、油底壳）、活塞、连杆、曲轴、飞轮。
- 配气机构：控制进排气门的开启和关闭。
- 部件：气门、气门弹簧、凸轮轴、正时皮带/链条、挺杆、摇臂。
- 曲柄连杆机构：实现往复运动与旋转运动的转换。
- 五大系统：
- 燃料供给系统：
- 作用：根据发动机工况，供给清洁、雾化良好的燃油。
- 部件：油箱、燃油泵、燃油滤清器、喷油嘴（或化油器）、进气歧管。
- 点火系统（仅汽油机）：
- 作用：在正确的时间产生足够强的电火花,点燃混合气。
- 部件：蓄电池、点火线圈、火花塞、ECU（控制单元）。
- 润滑系统：
- 作用：减少摩擦、冷却、清洁、密封、防锈。
- 部件：机油泵、机油滤清器、机油集滤器、油道、限压阀。
- 冷却系统：
- 作用：保持发动机在最适宜的温度范围内工作。
- 部件：散热器（水箱）、冷却液、节温器、水泵、风扇、冷却液壶。
- 启动系统：
- 作用：驱动发动机曲轴转动,使发动机从静止状态过渡到工作状态。
- 部件：蓄电池、点火开关、启动马达、继电器。
- 燃料供给系统：
工作原理（以四冲程汽油机为例）
- 进气冲程：
- 活塞从上止点向下止点运动。
- 进气门打开,排气门关闭。
- 混合气被吸入气缸。
- 压缩冲程：
- 活塞从下止点向上止点运动。
- 进、排气门均关闭。
- 混合气被压缩,温度和压力升高。
- 做功冲程（膨胀冲程）：
- 活塞到达上止点前,火花塞点火。
- 进、排气门均关闭。
- 混合气剧烈燃烧，产生高温高压气体，推动活塞向下运动,通过连杆驱动曲轴旋转做功。
- 排气冲程：
- 活塞从下止点向上止点运动。
- 进气门关闭,排气门打开。
- 燃烧后的废气被排出气缸。
现代发动机技术与发展趋势
- 燃油供给技术：
- 缸内直喷：将燃油直接喷入气缸,实现更精确的空燃比控制。
- 涡轮增压：利用废气驱动涡轮，压缩进气，提高进气量,从而提升功率和扭矩。
- 机械增压：由发动机曲轴直接带增压器,响应迅速。
- 配气技术：
- 可变气门正时：根据转速调整气门开启和关闭的时机,优化高低转速性能。
- 可变气门升程：调整气门开启的幅度,在不同工况下控制进气量。
- 缸内技术：
- 分层燃烧：在气缸内形成浓度不均匀的混合气，实现稀薄燃烧,节省燃油。
- 新能源融合技术：
- 混合动力：发动机与电动机协同工作，如HEV（全混）、PHEV（插电混动）、MHEV（轻混）。
- 增程式：发动机作为发电机为电池充电,由电机驱动车轮。
- 未来发展趋势：
- 电动化：从传统动力向纯电驱动过渡,发动机角色可能改变。
- 高效化：追求更高的热效率（如米勒/阿特金森循环、可变压缩比技术）。
- 智能化：与AI结合,实现更精准的预测性控制和OTA升级。
- 清洁化：持续降低排放,满足更严苛的环保法规。
- 模块化/平台化：降低成本,提高研发效率。
发动机常见问题
- 动力下降：原因包括积碳、点火系统故障、进气不畅、气缸压力不足等。
- 油耗异常增高：氧传感器故障、喷油嘴堵塞、发动机积碳、轮胎气压不足等。
- 异响：正时皮带/链条问题、气门异响、曲轴/连杆轴承异响。
- 过热：冷却系统故障（如节温器、水泵、散热器问题）、冷却液不足。
- 启动困难：电瓶亏电、火花塞/点火线圈故障、燃油泵压力不足。
- 尾气异常：冒黑烟（混合气过浓）、冒蓝烟（烧机油）、冒白烟（冷却液进入气缸）。
