汽车发动机发展进程-汽车概论（第2版）

1864年，居住在奥地利的德国人马尔库斯在一次研制装饰灯时，偶然发现石油炼制后的产品之一——汽油，在汽化后有很大的爆发力，从而他开始制造实验汽油发动机。

1866年，德国工程师尼古拉斯·奥托偶然在报纸上看到一篇关于勒诺瓦赫内燃机的报道，下决心对其内燃机进行改进，并研究了罗夏的四冲程内燃机的论文，成功地试制出动力史上具有划时代意义的立式四冲程内燃机。1876年，他又试制出第一台实用的活塞式四冲程煤气内燃机，如图3－11所示。这台功率为2.9kW 的单缸卧式煤气内燃机，压缩比为2.5，转速为250r／min。这台内燃机被称为奥托内燃机而闻名于世。奥托于1877年8月4日获得专利。后来，人们一直将四冲程循环称为奥托循环。奥托以内燃机奠基人载入史册，其发明的内燃机为汽车的发明奠定了基础。

图3－11　奥托和奥托内燃机

1875年，波士顿的乔治·布雷顿研制了一种预压式发动机，它以轻质油作燃料，被认为是第一台实用、安全的液体燃料发动机。

1881年，英国人克拉克创新研制了一台近代二冲程发动机，因其结构简单、输出功率大，当时得到了较多的应用。

1897年，德国人鲁道夫·狄塞尔成功地试制出了第一台柴油内燃机。

（一）单缸和多缸发动机的发展

最早的发动机是单缸的，由于单缸发动机功率有限，因而人们转向研制多缸发动机。多缸发动机可以提高发动机的工作平稳性和降低噪声。在带有液力耦合器的自动变速器被采用以前，为了减少振动并使发动机运转平稳，在昂贵的豪华型汽车中采用了12缸发动机和16缸发动机，以解决发动机输出的平稳性问题。

（二）点火装置的发展

自从奥托循环发动机被发明并得以在实际中应用以来，点火方式对内燃机来说就是个关键问题。为了解决这个难点，1884年，德国人狄塞尔利用压缩空气产生的热量，发现了喷射燃油压缩着火的原理，并在1897年研制成功最终发展到今天的柴油发动机。

对于奥托循环发动机，最早的点火方式是烧球式点火。此后出现了断电式点火装置，断电器的动作由凸轮控制。当活塞位于压缩冲程的上止点时，凸轮控制使触点分离，使两触点之间因高压而跳出一个火花，点燃工质。

火花塞点火装置的诞生，使汽车点火技术取得了质的飞跃。将火花塞和磁电机结合使用，使点火变得安全可靠。在火花塞刚发明不久，大多数点火装置都采用一个线圈向发动机的各个气缸分配输出电压，即附带有电容器的断电器点火装置。20世纪70年代初期，又出现了无触点点火装置。它用信号发生器替代了断电器触点，经多级三极管放大，控制点火线圈的接通与断开使火花塞跳火，这种技术被广泛应用在现代汽车上。

（三）配气系统的发展

1930年以前的发动机，大多采用侧置式气门的设计方案，随着发动机转速的提高，逐步采用顶置式气门。顶置式气门的优点是可使气门的动作加快，减少进气阻力，以便更好地进行换气，还可使燃烧室的设计更加紧凑，火花塞也可以布置在气体的中心，从而缩短火焰传播距离，减小爆燃的倾向。另外，其顶置式凸轮轴还可以省略气门挺杆和挺柱，以进一步提高发动机的工作效率。

气门的数量也从原先的双气门发展到现代汽车流行的多气门，以适应各种负荷工况下的进、排气需要。

20世纪50年代初出现的下置凸轮顶置式气门用液压气门挺柱，不需预留气门间隙，并自动保持间隙为零的状态。因其取消了气门传动链之间的间隙和避免了调整不良的机械挺柱的咔嗒声，使发动机运转更安静、平稳，因此液压气门挺柱成为现代汽车可靠、耐久的发动机部件之一。

缸体上采用镶嵌式气门座。由于气门与缸体铸件上的气门孔加工面不直接接触，当气门烧损或维护不良时，只要重新压入新的气门座即可，既省时又省钱，因而镶嵌式气门座在发动机史上具有重要意义。

（四）燃油供给系统的发展

早期的汽车工程师已懂得了将空气与燃油充分混合的有利作用。可以说，化油器的发展历史就是探索、完善燃油雾化与蒸发的过程。(www.xing528.com)

最早的化油器实际上是一种灯芯装置，其下端浸入到汽油中，上端顺着发动机的气流方向放置，气化了的汽油随着进气气流而被吸入。当然，被吸入的燃油量是随机变化的，不能适当地控制空气与燃油的比例。1893年，德国人发明了单量孔喷雾式化油器，很快就替代了灯芯装置。化油器一般分为上吸式、下吸式和边吸式，设计师们对此各有所好。为适应发动机的各种工作情况，汽车工程师们又逐渐发明了多种性能更好的化油器。现代车用化油器除具有浮子室和喉管外，还具有怠速系统、主供油系统、起动装置、全负荷加浓装置及加速喷油装置。

随着汽油机性能的提高，现代化油器仍不能满足要求，它已大量被电子燃油喷射装置所代替，后者能严格控制混合气的空燃比，其准确性胜过大多数最先进的化油器。

1967年，德国博世公司开发出K型机械式燃油喷射系统。同年，博世公司推出D型模拟式电子燃油喷射系统。1973年，博世公司又推出L型电子燃油喷射系统，由于采用了测量空气流量的方法控制喷油量，提高了控制精度。1979年，博世公司推出了集点火与喷油于一体的M型数字式发动机综合电子控制系统。在这期间，美国通用公司的DEFI、福特公司的EEC、丰田公司的TCCS纷纷出场，这些都是综合控制的电子系统。1995年，美国在轿车上全部采用电子燃油喷射系统，欧洲的轿车采用电子燃油喷射系统的占90%以上。目前，汽车工业发达的国家在汽油车上均采用电子燃油喷射系统，以满足日益严格的排放要求。

（五）润滑系统

早期的汽车发动机润滑大多采用“全失”润滑系统。机油送到发动机的工作部件，进行润滑，使用后的机油就流到地上浪费掉。现代汽车广泛采用压力飞溅润滑系统，在采用了压力润滑后，大大提高了发动机的使用寿命。随着钻孔和机加工工艺的改进和革新，曲轴、连杆等轴承的润滑油路可以通过孔道输送，这样，机油就可以输送到主轴承、连杆轴承以及活塞销孔等各处，进行有效而可靠的润滑。而在压力润滑推广应用之前，发动机是依靠曲轴旋转来进行飞溅润滑的。直到目前，在压力润滑系中，活塞与气缸壁之间仍靠飞溅润滑。

（六）冷却系统

早期内燃机的冷却系统是简单的环绕气缸的大水套，在水套中注入一定量的水，发动机开始工作后水量随着沸腾而减少、散失，带走热量。1908—1909年，一种与现代散热器极其相似的管芯式散热器诞生并迅速发展，使冷却效率得到很大的改善。在早期的汽车上，冷却水从气缸体到散热器的循环完全借助于温差对流的方法来实现，即根据热水上升、冷水下降的原理来达到温度的交换。后来采用的水泵强制冷却水循环大大改善了冷却系统的工作效能。它可以有效地避免冷却水因蒸发而造成的损失，同时还可以起到提高冷却水沸点的作用，也就可以使汽车长时间爬坡时避免发生“开锅”现象，大大降低了对发动机零部件的损害，提高了行驶的安全性和平稳性。

（七）发动机的增压技术

发动机增压是指将进入气缸的工质在缸外进行预压缩，以提高进气压力来增加缸内工质密度的技术。

增压发动机汽车出现于1908年，曾一度被冷落，在近20年后才被人们想起，继而开发出高性能的增压发动机。20世纪50年代，增压发动机普遍用在赛车上。汽车发动机的增压方式主要有机械增压、废气涡轮增压以及气波增压。现代汽车发动机中采用较多的是柴油机废气涡轮增压方式，它不仅能达到增压效果，而且能解决汽车污染物的排放及噪声问题。目前，汽油机增压方式在一些高级轿车上得到较多运用。

（八）汽车发动机的改进

随着现代汽车的发展，当今汽油发动机出现了两个突出的问题：一个是汽车排放污染；另一个是能源问题。从一些主要汽车生产国的研究方向来看，车用汽油发动机在节能与净化方面主要有以下几个发展趋势。

①开发多气门、高压缩比、增压高动力性发动机。

②采用电子控制燃油喷射的发动机。

③发动机的附属设备上广泛采用电子技术。

④减小发动机各部件的磨损，降低油耗，减小噪声，使发动机小型轻量化。

⑤研制稀薄燃烧的发动机。

⑥发动机的无须解体诊断。

由此可见，汽油发动机的发展趋势是朝着低燃油耗、低公害、质量小、结构紧凑、高性能的方向发展，因此也就产生了很多汽车新技术，如可变气门正时（Variable Value Timing，VVT）、可变压缩比、电子节气门、车载自诊断系统（On-Board Diagnostics，OBD）等汽车新技术。

近年来，随着汽车技术的进步，早期柴油机的转速提高难、振动噪声大等问题得到了很大的改善，又因为柴油相对便宜、热效率高，20世纪80年代已开始将柴油机安装在各种轿车和轻型车上。同时，由于柴油电子燃油喷射系统的产生，使得柴油机的燃油喷射供给更加精确、热效率更高、工作更加平稳，因此柴油机汽车有进一步取代汽油机汽车的趋势。