汽车发动机应用简介-发动机原理

1769年，法国人琼诺利用当时生产的蒸汽机制作了世界上最初的蒸汽机三轮汽车，该车全长7.23 m，车速仅为3.5 km/h。当时排出的黑烟和噪声等公害严重到何等程度不言而喻，连车速都慢得成为“行驶公害”的程度。但是“无马的汽车”的概念却由此而形成。之后，高压蒸汽等技术的应用改善了蒸汽机的效率，使蒸汽机的体积尽可能地紧凑化。但是，由于笨重的蒸汽汽车对道路的破坏，以及煤的消耗量增加等原因，并未得到当时社会的认可。

1875年，法国人雷恩·谢鲁玻尔发明了炽热曲管式锅炉，由此大大减小了锅炉的尺寸，同时消除了锅炉爆炸的危险。这一发明不仅使蒸汽汽车得到根本上的改善，而且也改善了原蒸汽汽车起动困难的问题。基于此，1902年诞生了世界最快的以蒸汽机为动力源的赛车。由此，蒸汽机作为汽车的第一代动力源而得到广泛应用。从19世纪末到20世纪初，蒸汽汽车达到了鼎盛时期。之后逐渐被新兴的发动机所替代，直到1927年才彻底停止了蒸汽汽车的生产。

1.汽车的基本结构

发动机的问世彻底改变了庞大的蒸汽机牵引小车的局面，使笨重而破坏公路、移动迟缓而影响交通的汽车，变成了小型轻量而快速灵活的汽车。但是，直到1908年的T型福特汽车问世为止，车体的基本结构依然是“无马的马车”，发动机只不过是替代马的位置而牵引汽车而已。

汽车结构的发展，也经历了其外形和底盘的发展过程。早在1899年，法国的雷诺首先将车身结构改成如同花轿的箱体结构，第一次制造出封闭式车身。之后，随着航空技术的应用，车身采用钢板制作，并且车身结构向质量分布尽可能均匀化的紧凑型发展。随着发动机动力性、经济性的不断提高，车速也不断升高，车身结构伴随流体力学的发展也向流线型发展。

与此同时，美国的古德依尔通过对一种热带植物渗汁的研究发现了橡胶，同时发现橡胶与硫和氧化铅混合加热即硫化，可以生产出很有实用价值的橡胶产品，并于1842年发明了实心轮胎；1845年，汤姆森发明充气式轮胎并进行了试验研究，但由于缺乏市场经验而停止生产。1888年，苏格兰人邓禄普首先发明了自行车用充气式轮胎，并获得了自行车和三轮车的新式轮胎专利。1894年，法国的米其林兄弟俩发明了可拆卸式装有内胎的充气式轮胎，并在巴黎开设自行车轮胎厂，于1895年将充气式轮胎应用于汽车；于1923年试制成低压轮胎，与高压轮胎相比较，低压轮胎与地接触面积大、弹性好，能有效地减轻冲击振动和提高汽车的行驶稳定性。1948年，米其林橡胶公司发明了子午线轮胎，其特点是减小车轮的滚动阻力以节约燃料，同时耐磨性好，提高了汽车操纵稳定性，改善了乘坐舒适性，所以得到广泛应用。

汽车的动力传动装置首先是在T型福特车上采用的。在该车型上首次采用前进两挡加倒挡的脚踏式变速器后，受到当时广大用户的欢迎。由此，传动装置作为发动机动力的补充，使汽车驾驶及行驶条件更加安全灵活和丰富多样。

20世纪前期，汽车的发展历史是人类发明汽车并完善其基本结构的过程；而20世纪后期直到现在，汽车的发展历史是提高性能与人类社会环境要求以及多学科技术协调发展的过程。

可以说，有了能源动力革命和轮胎的文化，才有了汽车的文化，才有了现代人类社会文明。

2.汽车动力的竞争

自蒸汽机发明直到1887年，经过100多年的发展历史，蒸汽汽车的技术已成熟，人们已经充分认识到汽车在人类社会活动中的重要性。但是，蒸汽机热效率低，体积庞大而笨重，冒烟严重等致命弱点很难从根本上得到解决。所以，许多科学家着力研究新型动力装置。从19世纪后期到20世纪初作为车用动力源的有蒸汽发动机、汽油机和电动机3种，而这3种动力汽车当时竞争非常激烈。其中，由于蒸汽机首先应用到汽车上，因此其技术在当时比较成熟。(https://www.xing528.com)

通过1895年6月在法国举行的著名的巴黎—波尔多—巴黎的第二次汽车拉力赛，人们才开始认识到机动车的重要意义。同时，通过参赛的各种车型（如蒸汽汽车、汽油车、电动车及马车）的比较，人们也开始意识到车身质量越小，优势越大。在这次拉力赛中，充气式轮胎也得到了充分的肯定，同时各种车型所存在的问题暴露了出来。当时，人们对汽车所关心的主要问题并不是能源与排放，而是燃料的能源密度和一定量燃料所能达到的续驶里程。通过巴黎的第二次汽车拉力赛，人们对当时的3种动力车和马车的行驶特性进行了对比分析，结果发现：蒸汽汽车每行驶10 mile（1 mile=1 609.344 m）需要加一次水；电动车每行驶30 mile需要充一次电；而汽油车每行驶150 mile才加一次油。马车既无车速也无续驶里程概念，一般任何一种马车，每天至多只能行走15～20 mile；由于当时欧洲及美国城市都比较小，任何一种私人车只要其续驶里程能达到15 mile以上就可以接受了，但饲养马是一件很费劲的事情。

到19世纪末，西欧一些发达国家已进入旅游时代，所以动力汽车取代马车已成为必然趋势。蒸汽汽车所存在的固有问题及每10 mile都要加水等问题，使其不太适合旅游业。而电动汽车一次充电的续驶里程较短，且每次充电费用又昂贵，所以也满足不了当时旅游业的要求。1886年，汽油车刚刚被发明的初期，在热效率、起动性、排放噪声及车速等方面与蒸汽车相比并不占优势，反而由于当时无消声器而噪声大，成为其主要缺点。但是，在续驶里程方面，根据第二次汽车拉力赛的分析结果，汽油车具有其他车种无法比拟的绝对优势。后来，马克西姆发明了消声器，1899年克莱德·科尔曼设计出电动起动装置，并由查尔斯·富兰克林·卡特林于1912年使之进一步完善，使得汽油车的优势逐渐明朗化。进入20世纪以后，石油又被世界公认为机动车辆的主要燃料，由此确立了汽油车的主导地位，使得发动机作动力源的汽车（内燃机汽车）得到迅速的发展。

3.内燃机汽车的发展阶段

20世纪初期，随着汽车结构的基本完成，社会上已普遍形成了汽车的概念。特别是从第二次世界大战之后汽车工业复兴至今，汽车的发展过程经历了提高性能、主动安全、被动安全、环境保护、节能等几个阶段。

第二次世界大战后，人们对汽车的要求越来越高，对汽车性能方面的要求主要体现在车速要快、操作要方便、价格要更便宜。高速化的要求主要是由于当时赛车的盛行，而操作方便和价格便宜的要求是由于汽车的大众化需求。但是，汽车的普及也给社会带来了新的问题，即交通拥挤、交通事故、环境污染及石油能源紧张等。随着社会经济的高速发展，汽车工业也得到了迅速发展。

随着汽车保有量的急剧增加，交通事故也大幅度增加，成为社会化的问题。甚至，在国外一些国家称汽车为“行驶的凶器”。为汽车洗清这一绰号的是汽车安全措施。伴随汽车大众化的发展，各汽车公司开始纷纷研究汽车的安全技术。汽车的安全技术主要包括主动安全技术和被动安全技术。所谓主动安全技术就是为了预防事故的发生而采取的一系列措施，如制动系统的开发与完善，判断行驶路面状态和驾驶员疲劳状态的感知、判断及支援系统，减轻操作力和疲劳强度、帮助驾驶员控制操作运行的辅助行驶支援系统，考虑驾驶过程中人的反应时间的人和汽车的协调控制技术等。而被动安全技术是当事故不可避免地发生时，用来保护乘客和驾驶员的安全技术措施，如车辆撞击时吸收能量以缓和冲击力的车辆结构上的技术措施，包括保险杠、安全带及气囊等。直到如今，安全技术在主动、被动两方面仍在被继续深入研究，且通过采用电子技术和自动控制技术使之更加完善。

从法律形式控制汽车有害尾气排放物的起因是1943年9月在美国洛杉矶发生的光化学烟雾事件。当时，整个洛杉矶市被一层烟雾遮住，给市民带来催泪、呼吸系统疾病等灾难。美国联邦和加利福尼亚州政府对该烟雾事件进行的调查结果表明，造成这起严重烟雾事件的主要元凶就是汽车尾气排放物中的HC和NO。于是，美国于1960年首次制定了防止汽车尾气污染物的法案，并从1965年开始实施。所以，从20世纪60年代后期到70年代后期的十几年间，汽车排气净化技术得到了迅速的发展。其中，典型的技术就是转子发动机和稀薄燃烧技术。转子发动机于1967年达到量产化，其特点是燃烧温度低，所以NO排放量少。而稀薄燃烧技术是日本本田技研工业于1972年首先发明。由于稀混合气燃烧时生成的CO和HC量少，而且空气的冷却作用也使燃烧温度较低，故NO的排放量也低。之后，还出现了废气再循环（EGR）技术、电控汽油喷射技术、三效催化转换装置等。

除了汽车安全和尾气排放污染问题之外，对汽车发展影响较大的还有石油能源危机。1945年和1972年的两次石油危机，使得世界各汽车制造行业大力研制有关节能技术。在整车上，美国通用汽车公司采用减小外形尺寸来减轻整车质量，福特汽车公司则通过提高铝等轻合金及塑料等氧化树脂材料的使用率，达到减轻整车质量的目的。在整车布置上，采用发动机前置、前轮驱动方式，或发动机后置、后轮驱动方式等，通过发动机变速箱直接驱动差速器及半轴以提高传动效率，同时减轻传动系统的质量；为了减小发动机室空间，提高发动机单位质量输出功率（比功率），采用V型四缸机、V型六缸机；奔驰、奥迪开发的直列五缸机，日本大发开发的直列三缸机等都是针对节能问题而研制的技术措施。这些技术有效地降低了发动机的比质量（单位输出功率的整车质量），改善了整车燃油经济性。同时，各车企对发动机燃烧过程的改善、电控技术的应用、汽车空气阻力特性的改善等方面也进行了深入的研究。在节能和排放控制方面，以及安全等整车性能控制方面，汽车发动机的电子控制技术及其发展起着关键性的作用。目前，电控技术已作为汽车必备的部分，在现代汽车领域占据不可缺少的重要位置。

随着节能与排放法规要求的不断提高，柴油机以其独特的热效率高、油耗低、耐久性好、可靠功率覆盖面宽等特点，不仅广泛应用于货车，而且逐步广泛应用于轿车。而柴油机工作粗暴、振动噪声大、起动性差等缺点，通过电控高压喷射技术及燃烧系统的改进，已得到大幅度的改善。在西欧，柴油机在轿车上的应用比较普及。但目前柴油机的微粒排放（PM）和NO排放尚未得到很好的解决。为此，相关研究人员正广泛深入地研究电控高压喷射、EGR中冷、增压中冷、后处理技术及HCCI/CAI燃烧方式等新技术。