发动机内部构造解析

机体组

现代汽车发动机机体组主要由机体、气缸盖、气缸盖罩、气缸衬垫、主轴承盖以及油底壳等组成。机体组是发动机的支架，是曲柄连杆机构、配气机构和发动机各系统主要零部件的装配基体。气缸盖用来封闭气缸顶部，并与活塞顶和气缸壁一起形成燃烧室。

机体组部件

气缸盖

气缸盖用来封闭气缸并构成燃烧室。气缸盖铸有水套、进水孔、出水孔、火花塞孔、螺栓孔、燃烧室等。

气缸盖

气缸体

气缸体是发动机的主体，它将各个气缸和曲轴箱连成一体，是安装活塞、曲轴以及其他零件和附件的支承骨架。

气缸体

气缸垫

气缸垫位于气缸盖与气缸体之间，其功用是填补气缸体和气缸盖之间的微观孔隙，保证结合面处有良好的密封性，进而保证燃烧室的密封，防止气缸漏气和水套漏水。

气缸垫

活塞连杆组件

活塞连杆组是发动机的传动件，它把燃烧气体的压力传给曲轴，使曲轴旋转并输出动力。活塞连杆组主要由活塞、活塞环、活塞销及连杆等组成。

活塞连杆组件

活塞

活塞的主要功用是承受燃烧气体压力，并将此力通过活塞销传给连杆以推动曲轴旋转，此外活塞顶部与气缸盖、气缸壁共同组成燃烧室。活塞是发动机中工作条件最严酷的零件，作用在活塞上的有气体力和往复惯性力。

活塞

连杆

连杆组包括连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴承等零件。连杆组的功用是将活塞承受的力传给曲轴，并将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。连杆小头与活塞销连接，同活塞一起做往复运动；连杆大头与曲柄销连接，同曲轴一起做旋转运动，因此在发动机工作时连杆在做复杂的平面运动。

连杆

曲轴飞轮组

曲轴飞轮组包括曲轴、飞轮、扭转减振器、平衡轴。曲轴飞轮组的作用是把活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，为汽车的行驶和其他需要动力的机构输出扭矩；同时还储存能量，用以克服非做功行程的阻力，使发动机运转平稳。

曲轴飞轮组

曲轴的功用

曲轴的功用是把活塞、连杆传来的气体力转变为转矩，用以驱动汽车的传动系统和发动机的配气机构以及其他辅助装置。曲轴在周期性变化的气体力、惯性力及其力矩的共同作用下工作，承受弯曲和扭转交变载荷。

曲轴

曲轴术语

曲轴的安装位置

曲轴的安装位置

曲轴工作原理

我们都知道，气缸内活塞做的是上下的直线运动，但要输出驱动车轮前进的旋转力，是怎样把直线运动转化为旋转运动的呢？其实这个与曲轴的结构有很大关系。曲轴的连杆轴与主轴是不在同一直线上的，而是对立布置的。

曲轴工作原理

这个运动原理其实跟我们踩自行车非常相似，两个脚相当于相邻的两个活塞，脚踏板相当于连杆轴，而中间的大飞轮就是曲轴的主轴。左脚向下用力蹬时（活塞做功或吸气向下做运动），右脚会被提上来（另一活塞压缩或排气做向上运动）。这样周而复始，就有直线运动转化为旋转运动了。

配气机构

配气机构主要包括正时齿轮系、凸轮轴、气门传动组件（气门、推杆、摇臂等），主要作用是根据发动机的工作情况，适时的开启和关闭各气缸的进、排气门，以使得新鲜混合气体及时充满气缸，废气得以及时排出气缸外。

配气机构示意图

配气机构组成

配气机构类型

按照凸轮轴的位置可分为底置凸轮轴式和顶置凸轮轴式。底置凸轮轴式就是凸轮轴布置在气缸底部；顶置凸轮轴式是指是凸轮轴布置在气缸的顶部。OHV（Overhead valve）是指顶置气门底置凸轮轴。OHC（Overhead camshaft）是指顶置凸轮轴。如果气缸顶部只有一根凸轮轴同时负责进、排气门的开、关，称为单顶置凸轮轴（Single overhead camshaft，SOHC）。

顶置气门发动机

如果在顶部有两根凸轮轴分别负责进气门和排气门的开、关，则称为双顶置凸轮轴（Double overhead camshaft，DOHC）。在DOHC下，凸轮轴有两根，一根可以专门控制进气门，另一根则专门控制排气门，这样可以增大进气门面积，改善燃烧室形状，而且提高了气门运动速度，非常适合高速汽车使用。

双顶置凸轮轴

OHV与SOHC

气门正时

所谓气门正时，可以简单理解为气门开启和关闭的时刻。理论上在进气行程中，活塞由上止点移至下止点时，进气门打开、排气门关闭；在排气行程中，活塞由下止点移至上止点时，进气门关闭、排气门打开。

配气相位示意图

正时的目的其实在实际的发动机工作中，是为了增大气缸内的进气量，进气门需要提前开启、延迟关闭；同样地，为了使气缸内的废气排得更干净，排气门也需要提前开启、延迟关闭，这样才能保证发动机有效的运作。

凸轮轴

凸轮轴主要负责进、排气门的开启和关闭。凸轮轴在曲轴的带动下不断旋转，凸轮便不断地下压气门，从而实现控制进气门和排气门开启和关闭的功能。

凸轮轴构造

凸轮轴术语

气门

气门的作用是专门负责向发动机内输入燃料并排出废气。

气门组成

气门术语

气门弹簧

气门弹簧的作用是依靠其弹簧的张力使开启的气门迅速回到关闭的位置，并防止气门在发动机的运动过程中因惯性力量而产生间隙，确保气门在关闭状态时能紧密贴合，同时也防止气门在振动时因跳动而破坏密封性。

典型气门弹簧与相关部件

气门座圈

气门座圈是气门和气缸盖之间的接触面。气门和气门座圈用于燃烧室的密封，以调节进、排气。

气门座圈

气门间隙

发动机在冷态下，当气门处于关闭状态时，气门与传动件之间的间隙称为气门间隙。图（a）表示通过螺钉调整气门间隙，图（b）表示通过垫片调整气门间隙。

气门间隙

液力挺杆

液压挺杆主要由挺杆体、柱塞、球头柱塞（推杆支座）、单向阀、单向阀弹簧及回位弹簧等零件组成。利用液压挺杆内部独特的结构设计，可自动调节配气机构传动间隙、传递凸轮升程变化、准时开闭气门。

液力挺杆

其工作原理是，当凸轮在升程阶段，凸轮压缩柱塞，单向阀关闭，高压腔中的油液从挺杆体与柱塞按偶件配合的间隙中泄出少量，这时液压挺杆可近似被看作一个不被压缩的刚体，在“刚体”的支撑作用下，将进、排气门打开。在凸轮回程阶段，柱塞的受力被解除，在回位弹簧作用下柱塞恢复上升，气门在气门弹簧的作用下自动关闭，完成一个工作循环，达到自动调节气门间隙的目的。

摇臂

摇臂是顶压气门的杠杆机构，用于驱动气门开启和关闭。

摇臂

摇臂轴

有些发动机利用摇臂轴支撑摇臂。

摇臂轴

可变气门正时与可变气门升程

可变气门正时和可变气门升程可以根据发动机转速和工况的不同而进行调节，使得发动机在高低速下都能获得理想的进、排气效率。

可变气门正时

利用液压控制凸轮轴正时齿轮内部内转子，可以实现一定范围内的角度提前或延迟。

可变气门正时

可变气门升程

可变气门升程系统主要通过切换凸轮轴上的低角度凸轮和高角度凸轮，来实现气门的可变升程。

可变气门升程

丰田智能可变气门正时系统

丰田的可变气门正时系统已被广泛应用，主要的原理是在凸轮轴上加装一套液力机构，通过ECU的控制，在一定角度范围内对气门的开启、关闭时间进行调节，或提前或延迟或保持不变。

丰田智能可变气门正时系统

凸轮轴的正时齿轮的外转子与正时链条（皮带）相连，内转子与凸轮轴相连。外转子可以通过机油间接带动内转子，从而实现一定范围内的角度提前或延迟。

本田智能可变气门正时和升程电子控制

本田的VTEC可变气门升程系统可以看做在原来的基础上加了第三根摇臂和第三个凸轮轴。通过三根摇臂的分离与结合一体，来实现高低角度凸轮轴的切换，从而改变气门的升程。

本田VTEC系统

当发动机处于低负荷时，三根摇臂处于分离状态，低角度凸轮两边的摇臂来控制气门的开闭，气门升程量小；当发动机处于高负荷时，三根摇臂结合为一体，由高角度凸轮驱动中间摇臂，气门升程量大。

奥迪气门升程系统

奥迪的AVS可变气门升程系统，主要通过切换凸轮轴上两组高度不同的凸轮来实现气门升程的改变，其原理与本田的VTEC非常相似，只是AVS系统是通过安装在凸轮轴上的螺旋沟槽套筒，来实现凸轮轴的左右移动，进而切换凸轮轴上的高低凸轮。在电磁驱动器的作用下，通过螺旋沟槽可以使凸轮轴向左或向右移动，从而实现不同凸轮间的切换。

奥迪气门升程系统

发动机处于高负荷时，电磁驱动器使凸轮轴向右移动，切换到高角度凸轮，从而增大气门的升程。

AVS工作原理（高负荷）

当发动机处于低负荷时，电磁驱动器使凸轮轴向左移动，切换到低角度凸轮，以减少气门的升程。

AVS工作原理（低负荷）

审核编辑：汤梓红