CHAPTER2 Engines and engine technology
2.1 The internal-combustion engine
2.1.1 The solution for the automobile industry
The need to produce an engine that was able to meet the demands of industry and the public was met for a long period of time during the 1700s through the use of the rather large and awkward steam engine. This type of engine was able to produce a lot of power and, as time went on, became more and more efficient. The steam engine worked by producing steam in the large boiler and passing this under pressure to the cylinder that contained the piston. This steam then created pressure on the piston to force it down the cylinder to produce the rotary motion of the crankshaft linked directly to the wheels. One of the main problems with the steam engine was its size and weight. Along with this, the steam engine required a separate water tank and boiler to provide it with enough steam to operate in various conditions.
It wasnrsquo;t long before the need to create a more compact power unit led to the development of an engine that was able to create the pressure inside the cylinder without the need to create steam pressure externally to the cylinders. The first fuel type used to create combustion within the cylinder to provide pressure to push the piston down the cylinder was coal gas. This was ignited within the cylinder to provide combustion pressure to move the piston down the cylinder bore, providing the rotary motion of the crankshaft. This was the first type of internal combustion engine. Unfortunately, this engine did not last very long as it still struggled to meet the ever increasing demand for more powerful and efficient ways of creating engine power.
Designers worked on improving the engine and looked for a fuel that provided a much more controllable combustion process. The solution was to use fuels that were able to produce much more power during combustion. The best candidates were refined mineral oils derived from crude oil (a fossil fuel) as these could be introduced into the engine along with air and ignited on a timelier basis. This produced much greater combustion pressure and power. The need to increase this combustion pressure further led to the additional requirement to increase the heat within the cylinder to ensure that the fuel and air were burnt completely.
The initial solution was to ignite the air and fuel mixture with the use of a spark. This improved the combustion process creating higher pressures and heat generation, but it was still not enough. To improve this process further, engine designers found that pre-compressing the air and fuel in the cylinder before it was ignited created much higher
combustion pressures. The principle of using pre-compressed air and fuel to create additional heat can be demonstrated by placing your finger over the end of a bicycle tyre pump and pushing the plunger down to create air pressure. You will notice that the heat generated at your finger increases as the air is compressed. This process is exactly what happens during the compression of the air and fuel in the cylinder. The additional heat increased the combustion pressure and ensured that most of the fuel was burnt during combustion due to the more tightly packed air and fuel mixture.
Soon designers found that there was an ideal ratio of air and fuel to achieve the best possible combustion. This ratio was approximately 14–15 parts of air to 1 part of fuel – 14–15 : 1. This air/fuel ratio provided much better combustion and, along with the increased compression created during the compression stroke and the addition of a spark to start the combustion process, the internal-combustion engine was soon becoming a very powerful and efficient unit. Designers worked on trying to control the ignition point of the air/fuel mixture through altering the timing of the spark. This started to make big improvements in creating a much more progressive combustion process, which led to improved power delivery.
On page 31 we examine alternative types of engines, including an internal-combustion engine that does not need the use of a spark to ignite the air and fuel but instead uses very high compression pressure to create enough heat to ignite the air/fuel mixture on its own. These engines are called compression-ignition engines or diesel engines.
In both the compression-ignition engine and spark ignition engine, the combustion process creates very high pressures and generates high amounts of heat. This heat and rapid pressure rise is the basis of how the engine turns this combustion energy into reciprocation motion of the engine, through pushing the pistons down the cylinders to turn the crankshaft of the engine.
As you will start to understand, the whole combustion process is very rapid, especially when the engine speed starts to rise towards the higher revolutions per minute (rpm). At 6000 rpm, the engine is carrying out the combustion cycle, including forcing the piston from the top to the bottom of the cylinder bore at approximately four thousandths of a second (4 milliseconds). The actual combustion of the air and fuel is much quicker.
Many people have debated whether the combustion process is actually an explosion or a very rapid burning process. You can make your own mind up after studying this section of the book.
Designers soon preferred the internal-combustion engine because it enabled high power outputs to be achieved in a fairly compact and integrated assembly compared with previous steam and gas powered units. The steam engine did, however, remain popular for a while due to its ability to generate exceptionally high power and where size was a less important factor. Steam locomotives and traction engines were still used to pull trains and run large industrial equipment through to the early 1960s.
As mentioned earlier, the internal-combustion engine runs on
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2 发动机和发动机技术
2.1内燃机
2.2四冲程和二冲程发动机的工作原理
2.3扭矩和功率
2.4单缸和多缸发动机
2.5曲轴
2.6连杆
2.7活塞、活塞环和活塞销
2.1内燃机
2.1.1汽车行业的解决方案
在十七世纪，对于生产一种能够满足工业和公众需求的发动机在很长一段时间内可以通过使用相当大而笨重的蒸汽机而满足。这种发动机能够产生大量的动力，并随着时间的推移，效率越来越高。蒸汽机通过在大锅炉中产生蒸汽并在压力下将蒸汽输送到装有活塞的汽缸中来工作。然后，蒸汽在活塞上产生压力，迫使活塞沿气缸向下运动，使与车轮直接相连的曲轴产生旋转运动。蒸汽机的主要问题之一是它的尺寸和重量。除此之外，蒸汽机还需要一个独立的水箱和锅炉为其提供足够的蒸汽，以便在各种条件下运行。
不久之后，由于需要制造更紧凑的动力装置，从而开发出一种新型发动机。该发动机能够在气缸内部产生压力，而无需在气缸外部产生蒸汽压力。第一类燃料是煤气，用于在气缸内产生燃烧以提供压力从而推动活塞到气缸下部。这使活塞沿气缸孔向下移动，从而提供曲轴的旋转运动。 这是第一类型的内燃机。不幸的是，这台发动机并没有被使用很长时间，因为它仍然难以满足不断增长的需求。以更强大、更高效的方式来产生发动机动力。
设计师们致力于改进发动机，并寻找一种燃烧过程更可控的燃料。解决方案是使用能够在燃烧过程中产生更多动力的燃料。最好的候选燃料是从原油（化石燃料）中提取的精制矿物油，因为它们可以与空气一起引入发动机并及时点燃。 这产生了更大的燃烧压力和功率。 增加燃烧压力的需求进一步导致增加气缸内热量以确保燃料和空气完全燃烧的额外要求。
最初的解决方案是使用火花点燃空气和燃料的混合物。 这改善了燃烧过程，产生了更高的压力和热量，但还远远不够。 为了进一步改善这一过程，发动机设计人员发现，在气缸点火之前对气缸中的空气和燃料进行预压缩会产生更高的燃烧压力。 通过将手指放在自行车轮胎打气泵的末端并向下推动柱塞来产生气压可以证明使用预压缩空气和燃料产生更多热量的原理。 你会注意到，随着空气的压缩，手指上的热量增加。 这个过程正是在压缩气缸中的空气和燃油时发生的。 额外的热量增加了燃烧压力，并确保了大部分燃料由于更紧密地压缩空气和燃料混合物而在燃烧过程中得到燃烧。
很快设计师们发现了一个理想的空气和燃料的比例以实现最佳的燃烧。这一比例约为14至15份空气与1份燃料，15:1的比例。这种空燃比提供了更好的燃烧效果，随着在压缩冲程期间压缩量增加以及为燃烧而添加的火花，内燃机很快成为一个非常强大和高效的装置。设计者试图通过改变火花的点火时间来控制空气和燃料混合物的燃点。这开始大大改进了燃烧过程，从而改善了动力输出。
在第31页，我们研究了其他类型的发动机，包括内燃机。该内燃机不需要使用火花来点燃空气和燃料，而是使用很高的压缩压力来产生足够的热量来点燃空气和燃料混合物。 这些发动机被称为压燃式发动机或柴油发动机。
在压缩点火发动机和火花点火发动机中，燃烧过程都产生非常高的压力并产生大量的热量。 这种热量和压力的迅速升高是通过将活塞向下推到气缸以转动发动机的曲轴，从而将燃烧能量转化为发动机的往复运动的基础。
正如你将理解的那样，整个燃烧过程非常迅速，特别是当发动机转速开始上升到较高的每分钟转数（rpm）时。 当发动机以6000 rpm的转速进行燃烧循环，包括推动活塞从气缸孔的顶部到底部在大约四分之一秒（4毫秒）内完成。 空气和燃料的实际燃烧要快得多。
许多人都在争论燃烧过程到底是爆炸还是非常快速的燃烧过程。你可以在研究这本书的这一部分后再作决定。
设计师们很快就倾向于使用内燃机，因为与以前的蒸汽和燃气动力装置相比，内燃机能够在相当紧凑和集成的总成中实现高功率输出。不过，由于蒸汽机能够产生极高的功率，而且体积并不是一个重要的影响因素，因此蒸汽机在一段时间内仍然很受欢迎。直到20世纪60年代早期，蒸汽机车和牵引发动机仍然被用来牵引火车和运行大型工业设备。
如上所述，内燃机依靠提炼原油产生的化石燃料运转。压燃式发动机和火花点火式发动机的区别在于燃料在燃烧过程中的点燃和燃烧方式。有关这两种发动机的区别的更多详细信息，请参见第34页，其中概述了发动机循环中的主要区别。
2.1.2汽油发动机的历史
法国人艾蒂安·莱诺尔（Etienne 莱诺尔）于1860年制造了第一台商业上成功的内燃发动机。该发动机使用煤气运行，但工作周期不包括点火前压缩天然气：因此，它的效率不是很高。 尽管如此，在某些方面，它还是比当时的许多出售给工厂用来驱动机器小型蒸汽机优越。 1862年，莱诺尔制作了一个由他的发动机驱动的无马马车，并可能在公路上行驶。但是他逐渐对这个发明丧失了兴趣，最终一无所获。
1862年1月16日，法国公务员M.Beau de Rochas申请了一项专利，其中描述了第一种商业上成功的内燃机操作循环方法。由于他自己没有能力自行开发这项专利，所以专利权人把它提供给了莱诺尔。但是莱诺尔没有意识到它的重要性，拒绝了该专利。
在德国，奥托博士（N.A.Otto）于1866年左右开始制造燃气发动机。他的第一台发动机噪音很大，但是相当有效。然而，大约在1875年，奥托申请了一项专利，该专利描述了一种与13年前M.Beau de Rochas相同的周期操作方法。（然而，Otto 不太可能听说过这个法国人或他的专利）。奥托的新引擎立即获得了成功，它比勒诺尔的效率高得多，而且非常安静——这一特点使其被命名为“奥托静音汽油发动机”。
莱诺尔意识到自己的错误，便开始制造以相同原理工作的发动机。当然，奥托起诉他侵犯了他的专利权，但莱诺尔毫不费力地证明他的发动机是根据M.Beau de Rochas早期的专利制造的，而M.Beau de Rochas的专利现在已经失效。法庭诉讼最终使贫穷的M.Beau de Rochas获得了他应得的名声，巴黎科学院授予他一笔钱以表彰他的发明。即便如此，他最早描述的操作方法，也是大多数现代发动机使用的操作方法，多年来（有时仍然如此）被称为奥托循环。
2.1.3压燃式（柴油）发动机的历史
压缩点火式发动机通常被称为“柴油发动机”，源自德国工程师鲁道夫·狄赛尔博士（Rudolf Diesel），他在1892年获得了发动机的专利（第7241号），该发动机依靠压缩过程中产生的热量来点燃煤尘燃料。
当活塞在其冲程的末端或接近顶端时，燃油被气压压入气缸。该设计的目的是通过使用比汽油发动机更高的压缩比来实现更高的热效率或改善燃油消耗。在内燃机的早期，如果压缩比超过给定值，则在汽油发动机中发生提前点火（火花前点火）。事实上如果压缩太高，这个问题仍然可能发生在现代发动机上。
图2.1柴油燃烧过程
曲轴
连杆
活塞
阀门
喷油嘴
许多权威人士并不认为鲁道夫·迪塞尔博士是这种当今现代压燃式发动机的前身的发动机的发明者。他们说，1890年由英国工程师赫伯特·阿克罗伊德·斯图尔特（Herbert Ackroyd Stuart）提出并于两年后投入商业生产的专利（第7146号）包含了现代装置的所有基本特征。该专利是低压缩油发动机实际开发工作的结果，包括空气的进气和压缩，以及通过泵定时喷射液体燃料（图2.1）。
为避免引起争议，通常使用“压缩点火”或“油力发动机”一词。
2.1.4汽油和柴油往复式发动机的主要区别
根据使用的燃料不同，有两种类型的往复式发动机：汽油发动机和柴油发动机。这两种发动机都有许多相似的操作和部件，但主要的区别在于燃料供给、点火和燃烧方式。
此外，汽油和柴油发动机还可以分为两类，取决于适合其功能需求的运行周期。因此，通常分为二冲程或四冲程发动机，本章涵盖了两个类型的工作原理。
柴油机和汽油机的主要区别在于：柴油机需要在极高的压力下将燃油引入燃烧室，并使用高压燃油泵提供精确的喷射正时。这类燃油泵可以根据行驶周期或驾驶员要求提供准确的燃油计量和所输送燃油的正时。汽油发动机有效地运行不需要依赖与柴油发动机相同的工作要求。早期的汽油发动机使用一种称做化油器的装置来控制计量和燃料供给。直到2000年，化油器仍在一些车型上使用，但是由于排放要求，该装置的不久便从车辆上消失。现在，制造商生产的装有高度复杂的燃油喷射系统的汽车，都精确控制进入发动机的燃油量。这提高了汽油发动机的效率，并使其能够在低排放的同时产生卓越的动力。
为了使柴油在柴油机气缸内被点燃，它通过使用高压缩比产生极高热量。这些柴油机能够产生远高于汽油发动机的压力。汽油发动机的压缩比较小，因此需要采用其他方法点燃空气和燃油混合气。点火过程由电子控制的火花或电弧完成。
多年来，由于更严格的废气排放法规和其他排放法规，汽油发动机不得不进行大量改进。由于这些法规上的变化，化油器的使用逐渐减少，采用电控燃油喷射系统已成为汽车制造商的主流途径。随着燃油系统的变化，点火系统必须升级以满足性能和排放的要求。基本的机械点火系统已改为更先进的电子控制系统，能够不断监测自身并提供改进的点火正时控制。这个系统已经发展成既包括燃料供给控制又包括点火控制，通常被称为发动机管理系统（EMS）。当查看当前的车辆时，您会发现控制汽油和柴油发动机的过程已经非常相似。
现在的汽油发动机拥有有更高的燃油压力，并就像柴油发动机一样直接向燃烧室喷射燃油。
这种发展是为了确保每台发动机尽可能多地从燃烧的每升燃油中获取动力。所有新发动机也必须产生尽可能少的污染并提供尽可能多的动力。
近年来，汽油和柴油系统的管理控制非常相似。尽管两者都必须满足严格的排放要求，但柴油机控制的立法却更加先进。如上所述，与当前的汽油发动机相比，柴油发动机的运行需要较高的燃油喷射压力，以及足够的压缩空气来点燃每个气缸内的柴油。因此，为了使今天的柴油机高效运转，它需要一个复杂的发动机管理系统，而不必依靠燃油泵来输送经过仔细计量的燃油。它们输送方法与带有高压燃油轨的汽油发动机相似，高压燃油轨将燃油输送到各个电子控制喷油器。这些喷油器由发动机管理系统以非常精确的速度打开和关闭，以在任何给定的发动机转速下提供正确的燃油量。
柴油机和汽油机有许多相同的主要部件和设计特点。因此，除非说明书中另有说明，否则两种发动机的主要部件的描述通常相同。有关汽油和柴油发动机的具体问题，请参见第35页。
2.1.5往复式发动机的主要部件
图2.2显示了发动机的主要部件：
1圆柱体-最简单的形式，一个一端封闭的圆形截面的管。
2活塞销-连接连杆和活塞，允许曲轴旋转和活塞衬套移动。
3活塞-与气缸紧密配合。理想情况下，它将是完全气密的，但完全可以在气缸内上下移动。
4连杆-连接活塞和曲轴。活塞端有一个称为活塞销的销，它安装在活塞和连杆的孔中，将它们连接在一起。
5曲轴-这是发动机的主轴，装在曲轴箱的轴承中。从轴的主要部分偏移的是曲柄销，连杆安装在曲柄销上，可以自由转动。
图2.2发动机主要部件
报错
曲轴
连杆
活塞销
活塞
圆柱
曲轴的旋转使活塞在气缸内上下移动：管路A和B（图2.2）指示活塞顶部的行程限制。当活塞向上移动时，活塞顶面和气缸封闭端之间的空间减小（即，该空间中的气体被压缩）。当活塞向下移动时，活塞上方的空间增大（即，该空间中的气体膨胀）。
曲轴可以通过在气缸中上下推动活塞来旋转。从图2.2所示的位置开始，当活塞向下推动时，曲轴顺时针旋转，直到活塞到达其行程的最低点。此时，曲柄销将直接位于曲轴中心下方，活塞销、曲柄销和曲轴的中心都将位于一条直线上。在这个位置，活塞上的压力不会对曲轴产生转动影响，因此这个位置被称为止点。当活塞处于行程的最顶端时，会出现另一个死点。这两个止点被称为下止点（BDC）和上止点（TDC），标志着活塞行程的极限（图2.3）。活塞从一个死点到另一个死点的运动称为行程，每转一圈曲轴，活塞就有两个行程
止点：活塞在气缸孔中处于其上或最低点的点。
图2.3 上止点和下止点
发动机尺寸
标明发动机尺寸的通常方法是说明每个操作周期吸入发动机的空气和燃料量，这是在活塞的TDC和BDC位置之间的那部分气缸中包含的体积。
圆柱体的体积由以下公式给出：
或：
：
V=气缸容积
r=半径
d=直径
h=高度或长度
发动机气缸的内径称为缸径，而活塞在上止点和下止点之间移动的距离称为行程。分别用d和l表示，可以写出以下公式：
因为这是活塞位移或扫掠的体积，所以称为气缸的位移体积或扫掠体积。如果发动机和大多数气缸一样有多个气缸，则发动机的总扫掠体积为每个气缸的扫掠体积乘以气缸数。
如果孔d和行程l以毫米为单位测量，如果n代表气缸数，则总容积（Vt）为： lt;
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