带或不带纤维增强的塑料、新型轻金属合金、铝和镁基的复合材料、烧结合金（粉末冶金）和改良的铁材料已进入发动机制造业（见第9章）[8，10]。开发和使用新材料改进了零部件功能、降低重量，使用新材料还可降低材料和生产成本。在选用材料时还有一个重要标准是材料的再生和再利用能力。再生材料应该在材料的循环中占尽可能高的份额。
在不断缩短的研发新内燃机的进程中，在结构设计的同时进行仿真计算的重要性不断提高。包罗在综合概念（计算机辅助工程CAE）中的研究方法和计算方法包括：预先计算零部件的热应力和机械应力；结构振动；流动过程、气体动力学过程仿真；直至整个汽车的仿真，以预测行驶动力学特征参数。CAE可明显节省试验费用，并在第一代样机上就可达到高的功能安全性和可靠性[11]。直至批生产，这期间开发的重点是零部件结构与生产条件相适应。
1.气缸体
气缸体所用的经典材料是灰铸铁。其优点是价廉，易于铸造和加工，灰铸铁气缸与活塞配合有良好的工作性能，耐热，好的减振、降噪性能。目前，在一些应用场合采用蠕状石墨的灰铸铁（GGV），英文名称为致密的游离石墨（CGI—Compacted Graphite Iron）的灰铸铁。这种材料的强度比灰铸铁高，可薄壁铸造，从而可显著降低零件重量。GGV材料既可用于点燃式发动机上，也可用在较大的乘用车柴油机（V6、V8）上。主轴承盖可采用“断口定位”法，从而可节省气缸体与主轴承盖配合件的精密加工和安装费用。
铝材料可显著减轻零部件重量。铝合金气缸体装有灰铸铁气缸套（湿式）或有镍、硅涂层（镍-硅复合物）的铝气缸套。因为铝合金气缸体的基体材料不适用于铝活塞的活塞工作面在其中的往复运动，所以要采用低压硬模铸造的过共晶硅铝合金气缸体，凝固时在表面析出硬的硅晶体，并经化学腐蚀而形成有效的气缸与活塞工作面。另外，还有用单纯的机械方法制造气缸体，即直接加工坚硬的材料，但费用高。其他替代方法是用激光法、等离子溅射陶瓷颗粒或含铁材料处理气缸工作表面。有些生产厂家采用过共晶硅铝合金或特殊的喷涂方法生产薄壁气缸套。特殊喷涂法可保证在铝合金基体上有分布特别细的硅晶粒。将这些薄气缸套送入压铸机，并用“标准合金”在气缸套周围围铸。还可使气缸套工作面局部的富含硅。在铸造时，加硅装置将由陶瓷纤维“预先定型”的气缸套沉入铸模中，并用可渗入预先定型的气缸的“标准材料”浇铸，即挤压铸造、局部富含硅的方法（Squeeze Casting，Lokasil®方法），如图5.1-10所示。在气缸范围形成一个与边界层形态相似的过共晶合金，然后采用珩磨和腐蚀或刷镀加工成适用的气缸工作面。
目前，铝合金构件的开发仍在继续。它不仅在点燃式发动机上越来越多地使用，而且在机械载荷很高的柴油机上也能采用铝合金气缸体。特别在减轻重量设计的大众公司3L汽车上已使用1.2L全铝TDI发动机。戴姆勒-克莱斯勒V8 CDI发动机也采用带灰铸铁气缸套的铝气缸体。在所有铝气缸体的发动机上，活塞采用含铁的薄表面涂层，以保证活塞在气缸中的磨合性能。
与灰铸铁气缸体相比，铝气缸体由于减振性能和强度差，需有针对性地增加刚度和优化承力结构，使发动机不产生奇特的噪声。
图5.1-10 铝合金气缸体，Lokasil®法（实例，保时捷）
在发动机制造中对轻结构的镁又发生较大的兴趣。至于镁的耐腐蚀性差和热强度低的问题，一方面可提高镁的纯度以及研究新型镁合金材料；另一方面可采用复合材料解决。在发动机制造中，镁的压铸件已优先用在进气管、气门罩、盖板、支架上。宝马公司的新型直列6缸点燃式发动机采用的镁—铝复合气缸体是进一步使用镁的里程碑（图5.1-11）[12]。在压铸镁气缸体时放置过共晶硅铝合金气缸套，以增加耐磨性。在主轴承周围放置烧结合金钢嵌入物（底板），以增加气缸体整体刚度。镁—铝合金气缸体比相同结构的铝合金气缸体轻24%。
2.曲轴
图5.1-11 Mg/Al复合气缸体（宝马）
高比功率发动机曲轴由调质钢锻造或球墨铸铁铸造而成。目前，通过材料改良和生产技术改进，较高功率的发动机也可用铸造曲轴，如采用在球墨铸铁基础上少许改良的GGG70材料。要特别小心确定主轴颈到连杆轴颈的油孔位置和形式。通过滚压或感应淬火可提高曲柄臂到主轴颈和连杆轴颈高载荷圆根部位的疲劳强度。主轴颈和连杆轴颈表面采用淬火和磨削。
曲轴和连杆采用液体动力学的滑动轴承（多层结构）支撑在气缸体和曲轴连杆轴颈上[8]。应用现代计算方法[13]设计滑动轴承。为进一步减小曲柄连杆机构摩擦阻力，采用滚动轴承的努力有所报道[14]，但尚处于预先研究阶段。
3.连杆
正常载荷的连杆用GTS—70材料铸造。高应力连杆用调质钢Ckxx锻造（图5.1-12）。此外，连杆也用烧结金属制成。用烧结金属制成的连杆大头孔可用“断裂”（Cracken）方法分开。断裂面形成精确的配合表面，即“断口”定位。因此，可以放弃必要的定位套或定位螺钉，并节省加工费用。因为可以保证连杆的精确外形，所以可避免为控制惯性力对连杆的重量分组（每一台发动机只能用同组连杆）。该例清楚表明如何通过节省原来零件的加工和安装费用，达到系统成本的优化。在这期间还开发了高脆性的铸钢和锻钢材料（如C70S6）。它们具有良好的断裂性和降低系统成本。高脆性铸钢和锻钢连杆方案可取消连杆分组，因为连杆毛坯公差受到控制。
为进一步降低连杆重量，采用三角形的连杆小头，即连杆小头孔拉力侧（上部）比压力侧（下部）窄，有利于降低惯性力和摩擦功率。
4.活塞
因为活塞质量直接转变为往复惯性力，所以人们一直致力于采用轻型结构（图5.1-13）。
活塞主要采用铝合金硬模铸造，在较高载荷和合适的形状时也用特殊铝合金压力铸造[8，15]。活塞材料必须耐热、耐磨损、高导热、铸造性好或可挤压。成型后进行热处理（回火），以提高工作时的强度、硬度和成型稳定性。减小铝活塞在气缸中的热膨胀措施是采用“调节件”，即在活塞销座范围铸入钢片。钢片将活塞裙部热膨胀从主压力侧/非压力侧方向转移到活塞销方向。这种活塞称为热膨胀自动活塞（钢片铸在销座的铝合金内）或热膨胀自动调节活塞（钢片铸在销座铝合金内侧，钢片外侧暴露在外面）。为改善磨合性能和抗拉缸性能（抗咬合性能），在活塞裙部工作面涂覆石墨层（对灰铸铁气缸）或涂覆含铁物质（对铝气缸）。
图5.1-12 活塞—连杆组
5.气缸盖
现代点燃式发动机气缸盖通常由铝合金AlSixx制造。由于进排气道、冷却水腔、配气机构附近的几何形状复杂，采用低压硬模铸造。材料要有良好的铸造性。由于冷却要求，在火花塞和排气门附近较窄的引水道在铸造时不应被砂芯烧结。为气缸盖材料均质化和提高耐热强度，铸造后要接着进行热处理，以消除高的内应力。
图5.1-13 点燃式发动机轻型结构活塞（实例MAHLE）
气缸密封垫（气缸垫）是一个重要部件，要求高的疲劳强度和很好的密封（特别是在高气缸燃烧压力的增压柴油机上）。现代气缸垫为多层钢片密封结构，在燃烧室周围为卷边。作为止动装置的密封造型限制卷边的相互挤压，提高密封系统寿命[16，17]。
6.配气机构和调节机构
（1）配气机构
中气门驱动的主要部件 配气机构有进排气门、关闭气门的弹簧、凸轮驱动机构和其他传递力和运动的零件。
1）气门。
气门，至少在气门头部范围是由高耐热钢和抗氧化钢（如NiCr20TiAI、Nimonic）制成的。气门杆是由相对低合金钢制成并通过摩擦焊与头部连接。气门头部座合面周围用耐磨材料等离子喷涂或淬火。高功率发动机排气门有一个延伸到头部的空腔，其内充入一部分钠。在空腔中的液体钠（熔点97℃）可以改善排气门在快速运动时从热的头部到气门杆的热量传递，并通过气门导管散出。
气门质量关系到配气机构的受力，并对所需的气门弹簧的刚度有重要影响，需尽可能减轻。图5.1-14是正在试验中的轻型气门结构。其气门杆为钢管，头部为成型钢板。这种气门的减重目标是原有气门重量的30%～40%。气门也可用钛材料加工而成。
图5.1-14 各种材料的气门（实例MAHLE）
陶瓷气门材料的重量比标准钢气门的重量约可减轻50%，但由于在保证质量的同一性和大批量生产时生产成本没有竞争优势等问题至今没有应用。
2）凸轮轴。对凸轮轴的要求是凸轮表面要硬、耐磨损、耐疲劳，为此常采用钢质材料（渗碳钢、渗氮钢）或片状、球状石墨铸铁，如GGG60。凸轮表面采用钨—惰性气体再溶法（WIG：Wolf-ram—Inertgas Umschmelzverfahren）或感应淬火达到所需硬度。也采用壳型铸造法（Schalenhartgussver-fahren，Croning）。该法是热硬化性树脂和砂混合做成铸模。为减轻重量，凸轮轴空心浇铸或之后钻孔。
新型凸轮轴采用组合结构。凸轮、轴承、驱动轮、定位套和其他必要的零件单独制造，并按位置套在支撑管上，利用支撑管的收缩、焊法、支撑管内机械扩孔或支撑管内孔液压成型将套在支撑管上的各零件固定（图5.1-15）。组合结构凸轮轴的目标是不需要最终加工。但有时还需对凸轮型面进行最后磨削。其优点是可以自由选择各零件材料，并因为用钢管代替实心轴，可显著减轻凸轮轴重量。
图5.1-15 组合凸轮轴（实例MAHLE）
配气机构的零件由于它们的造型加工费用较贵，或由于需要特殊的合金材料费用也高，所以优先采用烧结金属。机油泵齿轮、链轮和齿带轮是完成件，不再需要机械再加工。气门摇臂或压杆是成型件，采用烧结或钢板成型，只要少量加工或精整。气门座圈需用专门的耐热合金，保证在工作期间不“下沉”。气门导管由耐摩擦、耐磨损合金制成。
（2）配气机构的结构型式 图5.1-16是常用的配气机构结构型式、典型的气门升程曲线和相应的速度和加速度曲线。目前汽车上采用“倒挂”气门，英文名称为“顶置气门（OHV）”。凸轮轴同样为顶置，称为“顶置凸轮轴（OHC）”。两根轴顶置时称为“双顶置凸轮轴（DOHC）”这些结构型式的好处是配气机构驱动气门的运动质量较小，与早先使用的凸轮轴放在气缸体中的“下置凸轮轴”通过挺柱、推杆到位于气缸盖上的摇臂驱动气门相比，发动机转速可以更高。
此外，在气缸充气期间，气门通过断面决定发动机功率密度。这就是发动机为什么采用多气门的原因。从经典的每缸2个气门布置方案到每缸布置3个、4个、5个气门；从一根凸轮轴到两根凸轮轴（进、排气门分开驱动）。在奇数气门时进气门多于排气门。
气门运动由凸轮轴上的凸轮通过压杆或摆杆、摇臂或气门杆上的挺柱驱动。各传递力和运动的零件由它们的支撑吸收力，这些力来自凸轮的滑移运动、气门弹簧力和各零件运动的惯性力。气门杆只吸收尽可能小的侧向力。导筒挺柱的配气机构型式是气门运动的理想工作条件，它可引导气门轴向运动。
设计控制凸轮型线要考虑凸轮接触区的允许赫兹（Hertz）压力、凸轮上升前沿和下降后沿的加速度变化，直至感兴趣的气门升程的最大丰满度，即在大的气门升程时尽可能长的开启保持。有一种“平稳”凸轮，气门加速度是连续的，没有力的跳跃（突变）。在滚轮接触的气门驱动中，需要凹形凸轮侧面，以达到平稳的气门升程。这种凸轮需要用专门的带式或盘式磨床加工。
在从凸轮到气门的接触环节中总是存在摩擦力。为此，要尽量减小质量，并通过适度的气门弹簧刚度减小摩擦力。由于凸轮的高接触面压力，需对凸轮和与它接触的摩擦副材料作特别的材料处理或进行表面涂层处理，使它们间具有良好的耐磨性能。尽管采取了各种减摩的预防措施，但在压杆/摆杆或导筒挺柱上的滑移运动仍会产生可观的摩擦力矩。为此，越来越多的现代发动机上采用气门压杆，在凸轮接触区有滚针支撑的滚轮，即滚轮压杆（RSH—Rollenschepphebel），使摩擦功率显著降低。在低转速时RSH驱动的总的平均摩擦压力降低到导筒挺柱（TS—Tassenstöβel）滑动接触的平均摩擦压力的1/3（图5.1-17）。在发动机高速时滑动接触区出现好的流体动力学的润滑状况，平均摩擦压力达到像采用滚轮压杆时那样低的平均摩擦压力。因为汽车的实际行驶工况是在发动机低转速范围，采用滚轮压杆减小摩擦损失，对降低燃料消耗有好的效果。
图5.1-16 配气机构结构型式、气门升程、速度和加速度曲线
为降低气门驱动的维护费用，开发了导筒挺柱或压杆或在摆杆支座上开发了液压作用式补偿元件。它由发动机润滑油循环供油，凸轮基圆和气门杆间的间隙总保持为零。由于对气门座圈的冲击和在长时间和短时间工作中热量引起的长度变化使气门下沉，需要不断补偿。液压补偿元件达到的无间隙驱动气门可降低噪声。但这种补偿也产生挺柱或压杆/摆杆与凸轮基圆间持续的摩擦接触。因此，一些生产厂家再次放弃气门间隙液压补偿。此后，气门座圈采用更好的长期热稳定的材料，调整好的气门间隙经长期工作几乎不变。
凸轮轴由链（单或双滚子链）或齿形带以曲轴转速一半的转速驱动（四冲程发动机）。在采用没有调节装置的固定的凸轮驱动时，链或齿形带通过一个或两个凸轮轴轮（链轮或带轮）转动。传递零件的载荷是波动的，因为由各个凸轮循环载荷的叠加得到的凸轮轴上的转动力是不相等的。
气门与气门驱动在与进气行程和排气行程相互协调中控制发动机的充量更换。这是一个动态过程，受流通断面、流通持续时间以及气门开启特性的影响。如果不能实现流通几何参数和气门定时的变化，则气缸最佳充气只能设计在限定的发动机转速范围。
为使气缸充气与发动机各转速匹配（发动机转速从小于1000r/min到大于6000r/min工作），采用可变进气凸轮轴的调整方案，即改变凸轮轴相对曲轴的位置，这时气门重叠随转速的变化这样设定：转速增加，进气门较早开启。这时排气门还开着（即进、排气门重叠加大）。调整的目标是无论发动机在低速还是在高速运转，气缸充气以及与它关联的发动机转矩增加，点燃式发动机实际的制约因素是在充气、压缩比和点火的相互协调中，发动机爆燃限制了发动机转矩的进一步增长。
图5.1-17 用滚轮压杆的气门驱动和导筒挺柱（TS）、摆杆气门驱动的平均摩擦压力随发动机转速变化的比较曲线（实例：奥迪V8-5气门技术）
利用齿形带、链或齿轮驱动凸轮轴。在各种使用场合选择合适驱动方案的主要标准是维护费用和要传递的力。带驱动已经用于附加驱动高压喷油泵的柴油机上。但仍有采用链驱动的趋势，因为它是免维护的。
（3）可变气门控制
除固定设置气门升程和凸轮轴相对曲轴位置的常规配气机构外，不断实现气门驱动的可变性。它可随发动机工况动态改变气门相对曲轴位置的开启角度和升程。可变气门控制的优点在实际上到底好到何种程度主要取决于所选择的方案或机构允许在多大范围实现气门定时和气门升程的可变性。
在机构上实现可变气门控制有不少方案，有的是部分实现。下面就一些重要方案分为凸轮操纵系统和直接操纵气门系统作一介绍。
1）凸轮操纵系统。在凸轮操纵系统中通过相应的干预气门驱动的运动学，可在一定范围改变气门定时、开启持续角和气门升程。改变气门定时一般靠转动凸轮轴相对曲轴的位置实现。凸轮轴调节器首次在1983年成批用于阿尔法罗密欧汽车上。除两点式位置调节器（它只调节两个定义的位置）外，还有使用可连续调节的系统[18]，它的功能是基于可移动的液压斜齿啮合（图5.1-18）或基本叶片泵的反原理。在雷克萨斯460汽车双顶置凸轮轴（DOHC）、排量4.6L、V形8缸、32气门发动机上第一次使用进气凸轮轴调节器，并命名为VVT—iE。已批生产的该系统可实现凸轮轴转角达40°NW（相当曲轴转角80°KW）的变化，所有由凸轮轴控制的气门正时可以在一致的方向移动。在双顶置凸轮轴（DOHC）发动机上，按这种控制方式可改变气门重叠角的位置和大小。如果还有需要显著改善发动机部分负荷和全负荷的工作状况，那就是在整个调节系统不变情况下，由于有限的转动范围和不能改变气门开启持续角度而无法实现无节流的负荷调节。
图5.1-18 凸轮轴调节器
其他的可能性是凸轮型线与挺柱之间的可控传递零件。可控的导筒挺柱或支撑零件可以关闭各个气门。也可用两个不同型线的凸轮分别驱动气门。凸轮轴上相对每个气门有两个不同凸轮，更准确地说有一对凸轮。这对凸轮操纵可控导筒挺柱的两同心工作面。这样就可优化部分负荷和全负荷的气门升程。在其他负荷时气门定时和升程则为必要的折中。这种技术的实例是三菱公司（Mitsubishi）批量生产的MIVEC发动机。可控机构组合在摇臂中，这样可实现低速和高速气门升程曲线的转换，并可完全使气门失去作用，实现部分气缸的闭缸（不工作）。图5.1-19是本田公司的类似方案，命名为VTEC的可控气门驱动系统已批量生产，用在各种发动机上。保时捷汽车公司将以Vario Plus命名的这种技术用在包括涡轮增压6缸对置式发动机的各种高功率发动机上。
图5.1-19 可控的气门驱动（本田VTEC）(www.xing528.com)
奥迪2.8L V6 FSI发动机上首次使用的气门升程可变系统同样也是在两个气门升程曲线之间控制。有两个不同凸轮型线的凸轮块可在凸轮轴的滚压配合啮合槽上移动。在气门关闭的凸轮基圆相位，液压控制销与开在凸轮块上的两个移动槽一起总是连到另一凸轮型线上。利用滚轮压杆以及凸轮轴支架将凸轮的运动传递到气门上，原理上就是常规的气门驱动[19]。
如果凸轮升程通过液压传动到气门上，则切断压力油就可控制气门提早关闭（图5.1-20）。这样气门升程和关闭角度与凸轮升程曲线无关。为缓冲气门在接近气门座时的冲击，要使用液压系统。
为连续控制凸轮升程和凸轮运动之间的转换，提出了一些结构方案的建议。这些方案中的不少方案采用一个压杆或摇臂，利用压杆或摇臂的偏心轴改变它们的位置。按运动学设计，这样可以一起控制气门升程和开启持续角（图5.1-21）。由附加的气门驱动部件产生的摩擦功增加，在部分负荷范围由于气门升程较小而得到补偿。这甚至是一个附加的优点[20]。在与凸轮轴调节器联合作用时，这个系统可达到更大的变化范围。
图5.1-20 液压气门控制
图5.1-21 机械式可变气门控制（宝马[20]）
另一个增大配气机构可变范围的方案是采用两根凸轮轴实现气门运动。一根凸轮轴是为气门开启，另一根凸轮轴是为气门关闭。两根凸轮轴的凸轮升程通过杠杆机构相互机械叠加。在两根凸轮轴独自转动时既可控制气门开启点，也可控制气门关闭点[21]。该方案可进一步将气门升程和气门开启持续角的控制分开，有利于减少充量更换损失。
增大凸轮控制的气门驱动的可变范围的另一个可能性是结构方面的一些方案。它们直接影响凸轮升程，即影响气门升程。在大型发动机制造中，可轴向移动的、有空间型线的凸轮是大家熟知的。轿车发动机采用两个半环结构的凸轮轴。利用机械干预允许各个凸轮在凸轮轴上转动[22]。在由罗孚批量生产的1.8L、16V发动机（MGF-1.8i-VVC）上使用了一个类似的工作系统。在进气门开启和关闭时该系统可实现气门运动的减速。
2）直接操纵气门系统。考虑用液压或电磁系统直接操纵气门。液压系统利用储存在液压罐中的能量操纵气门，通过高速电磁阀和液压缸操纵气门。控制对气门的作用时间和气门的升程改变气门运动。这样也可独立地控制各个气门。电磁阀操纵气门的缺点是动态特性差，在高速应用时受到限制。
如果气门运动是由弹簧力作用的结果，而磁力只是用于起动和帮助气门开启和关闭，则用磁力操纵进、排气门时具有特别的优点。可节省为操纵气门而消耗大部分能量。这种联合作用的方式称为机电式气门控制（EMV）。图5.1-22表示了基于这种原理的气门驱动结构简图。气门由挺柱驱动，挺柱与衔铁连在一起。衔铁与两个弹簧组成一个弹簧—质量振动器。振动器的止点位置相当于气门关闭和全开位置。振动器的频率主要由气门开启和关闭时间决定。利用两个电磁铁，振动运动的气门可以在两个止点位置中断。没有激励两个电磁铁，视摩擦情况系统的振动就会衰减，并保持在相当于气门升程一半的静止位置。因此，在起动发动机前，系统必须用谐振频率交替激励两个电磁铁，直至闭合电磁铁在气门关闭位置吸住气门。
图5.1-22 机电式气门驱动
气门控制过程可从图5.1-22的典型电流变化过程看出。从气门关闭位置开始，用保持电流激励的闭合电磁铁断开。在上部弹簧储存的势能推动气门至振动器达到它的下止点位置。该位置由于接通下电磁铁电流，振动再次中断。在气门运动时产生的摩擦损失通过短时提供给下电磁铁的较大电流而得以补偿。在快到振动器止点位置前瞬间接通捕获电流。关闭气门是一个独立的过程，并以与上面相同的方式关闭。这时下弹簧开始运动，上电磁铁通电激活。在与执行器的闭环控制连接时，需要这样控制衔铁接近电磁铁极平面（确切说就是气门靠向气门座），一方面不会产生噪声，也不会出现过大的力学强度问题；另一方面需要高的电流，以安全开启和关闭气门。这种控制技术也允许气门部分开启（小升程）或延迟关闭，以达到有目的的、充分的充气运动。
在低转速时较快开启气门，使进气断面增加，降低了新鲜充气流入气缸速度，从而减少与壁面的传热。其效果是降低压缩终了的充量温度和爆燃的倾向，增加发动机在全负荷的转矩。
机电式气门驱动所需的电能必须与常规气门驱动所需的驱动能量（反映在机械损失中）对比。在发电机效率80%时可得到在部分负荷工作时机电式气门驱动所需的电能，它等于用滚轮接触的低摩擦气门驱动的能量水平[23]。
可变气门控制节省的燃料消耗，按欧洲汽车行驶循环试验与采用的可变程度有很大关系。机电式气门驱动与部分负荷闭缸技术或与增压技术联合使用可节省燃料消耗18%。与汽油直喷发动机相比，从排气净化方面没有下降。但可变气门控制可降低发动机冷起动排放和通过加速加热催化转化器尽量发挥三效催化转化器的潜能。
7.发动机冷却
发动机实际工作循环的燃烧室壁面损失使组成燃烧室的气缸盖、活塞、气缸受热件温度升高。为此，需对它们冷却而不致出现过热、润滑油结胶和由于充量损失而降低发动机功率。优化发动机工况的基本条件是设计好的冷却和润滑，这样所有运动件的摩擦和工作温度在设定的、可接受的范围。
当前，空气冷却很少用在汽车发动机上。尽管空气的冷却效果通过良好的气流设计、精致的冷却翅片（散热片）不断改进，通过结构措施风扇消耗的功率和噪声辐射大幅下降，但在高比功率发动机上的应用仍受到实际的限制。与水冷相比，空气冷却传热差，空气热容量小，需采用散热片加大散热表面。甚至摩托车发动机也不断转向水冷却。水冷却可保证发动机温度均匀分布，并可设计和控制汽车加热/采暖。
在发动机—汽车系统中，通常由2个或3个各有一个节温器的冷却液循环回路，控制发动机冷却和汽车内部乘员采暖（图5.1-23，并参见3.3节）。在一些汽车上的冷却系中还有发动机机油冷却器、发电机变速器油冷却器等。
图5.1-23 冷却液冷却循环（实例：大众）
常用水与防冻液（大多为乙醇）的混合液作为冷却液。按发动机使用情况还添加防腐剂。冷却液吸收发动机余热并输入到冷却液散热器。冷却液散热器再将热量传给流过它的外部空气。
发动机冷却系必须保证最大热负荷部件（带排气道的气缸盖）足够散热；较冷的部件不要过分冷却，甚至还要加热，使零部件达到均匀的温度分布。一般冷却液先进入气缸体，并沿发动机纵向长度分配到各个气缸盖，最后从发动机另一端流出。利用气缸垫上的流通断面大小控制冷却液进入气缸盖的流量，并利用有针对性的导向通道流到部件上的“热点（Hotspot）”。重要的是冷却液在气缸盖的流动路线中不允许出现蒸气泡的聚集处，因为它会破坏散热。
另外，发动机冷却只是限定在必要的冷却范围。基于这一理由，气缸壁的冷却液腔仅限制在活塞在气缸中的工作行程的上半部行程或上面1/3行程范围。其目的是活塞与气缸壁面存在的润滑油膜达到能降低摩擦损失的理想状态，即使在发动机冷起动时也能快速达到理想热状态。冷却液泵通常靠齿形带直接由发动机驱动。冷却系统的节温器首先接通小循环，加热了的、尽可能少的冷却液绕过散热器而不被冷却，直至达到80～90℃的正常工作温度，节温器逐渐开启，引导一部分冷却液通过散热器。
更好的是冷却液的流动路线要与发动机工况（不只是在起动，而且要在发动机各种负荷下的热状态）相匹配。电控冷却系就可达到此目的，如图5.1-23所示。节温器不仅由冷却液的温度控制，而且还要加上特性场控制的电子闭环控制。闭环控制的结果是发动机在部分负荷冷却液温度调节到95～110℃，而在较高负荷时又调节到85～95℃。提升冷却液在部分负荷的温度可降低发动机在部分负荷范围的燃料消耗、降低CO和HC排放。利用分开控制进入气缸体和气缸盖的冷却液流量（Split Cooling）可以进一步改进冷却系。在发动机起动后只冷却气缸盖。这样就可快速加热活塞与气缸壁面存在的润滑油膜。
机械式冷却液泵的泵送功率设计在发动机低转速、全负荷工况（即在限定的冷却液泵转速）时发动机达到最大热负荷。这样，在其他工况时，泵送功率过大而造成不希望的功率损失。在发动机暖机时，如果冷却液泵妨碍快速加热发动机，则可以通过摩擦轮驱动短时断开冷却液泵[25]。可调电动冷却液泵由于成本较贵几乎没有采用，因为需要大功率电动机才能达到所需的冷却液泵的峰值功率。在发动机高热状态停机时，特别是增压发动机停机时，再冷却可用小功率的电动冷却液泵。
蒸发冷却的方式至今主要用在固定式发动机上。利用冷却液的蒸发热容量可以减少一部分冷却液流量。至今，由于考虑新的汽车—冷却—加热系统的整体设计方案和蒸发冷却的一些未解决的问题，如冷却液成分分解，限制了蒸发冷却在汽车上的批量应用。但为冷却“热点”区域，在目前实施的冷却系中有针对性地采用局部地区形成蒸气泡的方式提高该地区的传热系数。
8.发动机润滑
发动机润滑系中，机油的重要任务是润滑和冷却所有曲柄连杆机构部件、必要的一些安装部件（如废气涡轮增压器）、传递支撑力、张紧/压紧轮、平衡和调整调节装置、阻尼振动、带走不洁物和磨粒/磨屑以及中和到达发动机内的燃烧产物。机油能够完成这么多任务的前提是：只要这些任务是适当的，且有足够的油量输送到需要输送的发动机的各个点。发动机机油是以矿物油为基础油制成的，并含有与使用目的相适应的添加剂（Additiv-Pack-age）。全合成机油具有较好的抗老化性能，但较贵[24]。
大多汽车发动机采用压力循环润滑（图5.1-24）。机油泵从曲柄连杆机构下面的油底壳吸油，机油泵泵出的压力油经机油滤清器，必要时还有机油冷却器进入发动机主油道。在发动机上实际见到的机油泵或者是随曲轴一起转动的内齿轮泵，或者是通过链或齿轮驱动的内或外齿轮泵。机油泵的设计原则是：在发动机热机状态和怠速时，在发动机整个寿命期内油压不允许低于某一值，以保证安全、可靠润滑；在冷的机油和发动机在高速运转时会输送过多的机油，需用限压阀限制机油压力并通过旁通阀分流过多的机油，分流的机油返回机油泵吸油道或油底壳。在机油循环中还安装一个调压阀。在正常工作时调压阀调整的机油压力要比作为安全阀工作的减压阀的压力稍低一些。现代发动机不断配备可调节的机油泵，它的体积流量随压力而改变[12，25]。这样可使发动机在不同工况和状态下机械损失最小，从而提高发动机机械效率、降低燃料消耗。此外，这种较贵的可调节的机油泵在发动机各种工况下要求有足够的机油压力时才会考虑，如依靠机油压力控制的一些重要功能部件（如可控的配气机构部件、凸轮轴相位调节器）。
从纵向延伸到整个发动机气缸体的主油道向所有的主轴承供油，并由此经曲轴上的孔到达连杆轴承，必要时还通过连杆杆身到达活塞中的连杆小头衬套。在高负荷发动机上，在主油道上还安装了冷却活塞的喷嘴。喷嘴从下部向活塞内腔喷射油束。在气缸盖上有一个分支油道，给凸轮轴轴承供油。按设计，还向气缸盖上的配气机构的液压补偿元件（在导筒挺柱或支撑元件中）供油。可能还为气门调节机构或凸轮轴调节机构提供压力机油和润滑凸轮的飞溅机油。
图5.1-24 机油压力循环润滑（实例：奥迪V6）
从轴承侧面流出的机油和其他飞溅、泄漏的机油收集在气缸盖中，并通过溢流油道和排空气道，经气缸体又回到油底壳。油底壳也收集来自曲柄连杆机构的机油。为消除机油泡沫，利用带孔的回油隔板将气缸体与油底壳分开，即“机油刨光（Olhobel）”。油底壳是储油室和稳定室。回流的机油在油底壳中消沫和再冷却。如果需要，机油还可在机油冷却器中以压力循环的方式冷却。机油冷却器可以在冷却液系统中（图5.1-25），也可以是一个机油—空气冷却器。
只有在运动车、越野车以及赛车上的发动机采用干式油底壳。利用附加的机油泵从油底壳集油室抽机油到单独的机油箱中，再从机油箱泵出压力的机油。这样，在汽车的所有工作条件（上坡、下坡、倾斜、特殊的弯道行驶、加速和制动）下确保润滑系供油。
机油滤清器是保证发动机工作可靠和寿命的重要部件。它过滤机油中的固体异物（金属磨粒、尘埃、燃烧残余物）和保证在维护间隔内机油的各种功能。主要使用全流滤清器，它过滤机油泵泵出的全部机油量并同时捕捉不洁物。滤清器上有一个旁通阀，在滤清严重脏污或堵塞，通过滤清器的机油太少、压降增加时，旁通阀开启，以保证机油循环（虽然机油未被过滤）。
较早的机油滤清器有一个纸质滤芯，它装在壳体中并拧在发动机机体上，是油路的组成部分。机油滤清器的更换一般采用滴油试验检查它的脏污程度。新的滤清器设计是在可分开的壳体有一个可更换的纸质卷云状花纹边滤芯。更换时不从壳体中取出脏污油滴，壳体也不废弃。图5.1-25为机油滤清器模块。在模块中将机油滤清器、机油冷却器和发电机固定架组成一体。它由系统供货商完成预安装并提供给发动机总装。
图5.1-25 机油滤清器模块（实例：奥迪V8）
为控制机油油面，不断使用电子传感技术。在机油储量减少机油压力下降前，传感系统显示机油已到最低油面并报警。为节省汽车用户成本和降低机油消耗以及减少废旧机油，正在不断努力延长机油更换间隔时间。机油不再按固定的汽车行驶里程或最长的时间更换，而是按照发动机的工作方式和工作时间更换。在电控发动机上，根据有关发动机燃料流量、工作温度、运转时间、补充机油量等负荷信息得到需要更换机油的提示并向驾驶人显示。对正常的适度的汽车行驶方式，则更换机油的行驶里程要明显延长。
9.进气管
进气系的单件由铝材采用砂模或硬模铸成。多件用铝或镁压铸而成。为进一步减轻重量常采用玻璃纤维增强的塑料，如玻璃纤维增强的聚酰胺。对空间复杂的几何形状，进气系或用单件熔化工艺或用多件摩擦焊制成。也有采用铝或镁的混合结构。金属部件用于固定到热的气缸盖的法兰上。金属部件包括进气管长度可变的转换机构。塑料要有良好的热稳定性（至150℃）和强度（用纤维增强）。在螺钉连接处或特别是在热冲击处（如废气再循环支管处）要有金属衬垫。所有的塑料件，按VDA260和DIN标准的塑料名称和缩写符号，都带上一个材料标识。这样，在再生时可有效进行材料分类和安全处理。
为提高自然吸气点燃发动机的转矩，常使用长度可变的进气管。影响充量更换气动力学的进气管几何形状，即长度和断面可随发动机转速而变。除已经广泛流行的长度两级可变进气管外，目前还采用长度连续可变的进气系统。它可在发动机整个转速范围均匀改变全负荷转矩。
10.辅助装置和组装件
紧凑的汽车方案发展趋势和用户对乘员舱有用空间和行李舱容积的不断追求，已成为研发新汽车的重要边界条件——对组装件的要求。
设计者不只关注原来的曲柄连杆机构，更要关注：凸出在外的带空气滤清器和引导空气的软管/套筒，必要时还有中冷器的进气系；带催化转化器的排气系；以及安装在发动机室内的包括转向泵和空调压缩机的辅助装置。组装件必须考虑预装配动力装置的可装配件以及对侧向防撞的要求。从汽车方面还要加上很多应该安装在发动机室的安全性和舒适性部件。这样，组装件已成为汽车研发的重要任务。这只能采用3维CAD模型才能解决。
为驱动辅助装置，目前主要采用多V带（宽V带）。它是纤维增强型塑料/橡胶多槽断面结构。多槽断面结构可在带的一侧或两侧。与早期V带不同，它可在一个平面的两个方向弯曲。采用这样的多V带可将换向轮、张紧轮与辅助装置的各个部件的驱动轮一个跟一个地安装在一起，从而可非常紧凑地占满发动机上的安装空间（图5.1-26）。与先前采用多根V带、错开在不同平面驱动辅助装置各个部件不同，现在只要在一个平面用一根多V带即可完成。此外，还可驱动冷却液泵和交流发电机，大多数还驱动转向泵和空调压缩机。在一些汽车上还驱动黏液风扇。因为多V带对驱动轮的错位误差和排列误差敏感，所以要将辅助装置的各个部件安装在一个模块的共同支架上，这样也可达到紧凑的安装目的。这可能要不断地预装配辅助装置各部件，然后用较大的法兰面积将作为整体的辅助装置拧紧在发动机机体上。
图5.1-26 辅助装置多V带传动，发动机纵向或横向安装（实例：大众VR5发动机）
1—曲轴驱动 2—转向伺服泵 3—空调压缩机 4—冷却液泵 5—张紧-换向轮 6—交流发电机 7—黏液风扇
最近，设计者正在努力取消指定在发动机前端的带驱动的安装长度。替代的驱动方案是辅助装置的链和曲轴驱动、齿轮驱动以及组合驱动。这时辅助装置不是安装在发动机前端，而是安装在飞轮端。目标是辅助装置通过变速器法兰侧向安装在发动机上。图5.1-27是这种安装的实例。在曲轴飞轮侧的链驱动与齿轮模块相连。由此分别驱动发动机上的机油泵、转向泵和冷却液泵，只是交流发电机还用V带驱动。
属于发动机组装件的还有：起动时与飞轮啮合的起动机；接上前、后部件的进气模块；接上前、后部件的排气模块。它们的安装不只是对功能的优化设计是重要的，而且在汽车防撞性能试验时要一起观察。从试验中可得到严重变形的一些部件和限制车身可能变形的途径以及对乘员的危害程度。补救措施是设计的这些部件要在定义的交通事故中断裂或变形，这对保护行人的法规要求具有重要意义。
图5.1-27 用链和齿轮驱动辅助装置（实例：奥迪V8）
在空气滤清器和节气门之间安装空气质量流量计。为使气流不受干扰地检测空气流量，在引导空气的直线段上至少要保证一个最小的长度。制动力放大器的负压软管、与活性炭罐（燃油箱通风）的连接管、操纵节气门的拉索（或许只是电控节气门的电缆）要布置在空气进气侧。在排气系，带氧传感器的催化转化器或挡热板或许还安装在发动机室。电缆、起动机电缆、冷却液软管、空调机、采暖/加热和其他更多的零部件把发动机室塞得满满的。在布置这些零部件时相互间不应有磨损处、没有电气影响、不出现过度加热和尽可能不妨碍维护和修理。
在汽车生产厂家最后装配时，设计者试图将尽可能多的各个部件捆挷成各个模块，以应付与组装件相连的复杂问题。这种趋势需要不断扩大系统供货商的职能，即系统延伸的职能。
图5.1-28是乘用车动力装置直列4缸发动机长、宽、高尺寸（所有发动机安装件的箱式尺寸）的散布带。从散布带的宽度（特别是有代表性的气缸工作容积为1.6～2.0L等级的发动机）表明，现代汽车动力装置在紧凑性方面还有很大的优化潜力。
图5.1-28 直列4缸发动机组装件外部尺寸（FEV发动机技术）
参考文献
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
