发动机对汽车动力性和经济性的影响

三、发动机对汽车动力性和经济性的影响

发动机是汽车的心脏，为汽车的行驶提供动力，汽车的动力性、经济性、环保性直接与汽车发动机相关联，因此发动机技术不好的汽车决不会是一台好的汽车。

世界上生产汽车发动机的厂家相当多，产品质量也良莠不齐。美国权威汽车杂志Ward’s Auto World评选出了2010年世界汽车发动机排名，它们的前10名见表2-2-1所示。

表2-2-1　2010年世界十大汽车发动机排名

从发动机的产量同样也可以看出发动机受整车制造厂的欢迎程度，表2-2-2列出了我国2009年国产汽车发动机产量的前10名。

表2-2-2　2009年中国十大汽车发动机产量排名

1.发动机功率

1）发动机最大功率。

功率是指物体在单位时间内所做的功。在一定的转速范围内，汽车发动机的功率与发动机转速成非线性正比关系，转速越高，功率越大，转速越低，功率越小。它反映了汽车发动机在一定转速范围内的做功能力。以同类型汽车做比较，由于发动机转速越高其功率越大，在相同底盘传动比的条件下，汽车的最高速度也越高，汽车的动力性也就愈好。

图2-2-8　某发动机外特性曲线

如图2-2-8所示的发动机外特性曲线所示，随着发动机转速的增加，发动机的功率也相应提高，但是到了一定的转速以后，功率反而呈下降趋势。因此，一般在说明发动机最高输出功率时，应当标出最高输出功率是在哪个转速下达到的。如100马力（5 000r/min）表示该发动机在每分钟5 000r时最高输出功率为100马力（73.5kW）。功率的单位通常用马力或千瓦表示，在这里，马力用HP表示，千瓦用kW表示，它们之间的换算关系为1马力＝0.735千瓦。

设计汽车时，发动机最大功率的选择必须保证汽车预期的最高车速。最高车速愈高，要求的发动机功率愈大，其超出正常行驶所需克服的阻力功率之后的剩余部分功率（后备功率）也大，这部分剩余功率（后备功率）可以用来加速和爬坡，因而汽车的加速和爬坡能力必然较好。但发动机功率不宜过大，否则在常用条件下，发动机负荷率过低，油耗增加，经济性反而会降低。

2）升功率。

升功率是指每升气缸工作容积所发出来的功率，表征了单位气缸工作容积的利用率，升功率越大表示单位气缸工作容积所发出的功率越大。那么，对于相同排量的发动机而言，升功率越大，表明发动机的重量利用率就越高，发动机体积就越小，发动机质量也就越轻。因此，发动机升功率的高低反映了发动机设计与制造的质量。

升功率N大小主要决定于气缸平均有效压力P和转速n的乘积，即N＝P×n。

常见乘用汽车中，江南奥拓汽车的升功率只有33kW/L左右；桑塔纳1.8的升功率为40kW/L；高档车的升功率大致都为50kW/L左右；一些跑车的升功率大得惊人，三菱十代evo的升功率能达到148kW/L，保时捷9ff DraXster的升功率甚至达到了242.5kW/L。由于越野车主要强调驱动力大而不是强调最高车速，因此越野车的的升功率相对较低，陆虎新发现者的升功率只有34.43kW/L，越野车中升功率比较高的宝马X5也只有53.4kW/L。

3）比功率。

单位汽车质量所具有的发动机最大功率P/G称为比功率或功率利用系数，其单位为kW/kG。

比功率是汽车发动机最大功率与汽车总质量之比，是衡量汽车动力性能的一个综合指标。一般来讲，汽车的比功率越大，汽车的动力性就越好。

汽车的动力性（最高车速和后备功率）是由汽车的驱动功率和行驶阻力功率决定的，如图2-2-9汽车的功率平衡曲线所示。发动机的输出功率通过传动系统推动汽车前进，扣除传动损失，即得到汽车的驱动功率。汽车在行驶过程中，其驱动功率等于阻力功率。汽车的行驶阻力一般包括滚动阻力、空气阻力、坡道阻力和加速行驶时的惯性阻力，行驶阻力和车速的乘积即为阻力功率。

显然，汽车的阻力功率随车辆总重和车速的增加而增大，汽车的比功率越大，则汽车的最高车速也越高，节气门仅仅部分开启时所留出的后备功率也越大，因而其加速能力和爬坡能力也越强，所以说，比功率决定了汽车的动力性。

图2-2-9　汽车的功率平衡曲线

2.发动机转矩

转矩是使物体发生转动的力量。发动机的转矩就是指发动机从曲轴端输出的转动的力量。在功率一定时转矩与发动机转速成反比关系，转速越高，转矩越小，反之越大，它反映了汽车在一定范围内的负载能力。转矩在汽车的某些特殊工况下能真正反映出汽车的“本色”，例如，汽车启动时，转矩越高汽车运行时的速度提升比较快；在山区道路行驶时，爬坡能力比较强。实际上，因为以同排量发动机做比较，转矩输出愈大，承载能力愈强，加速性能愈好，爬升力愈强，换档次数愈少，对汽车的磨损也会相对减少。

转矩的单位是牛·米（N·m）。同功率一样，一般在说明发动机最大输出转矩的同时也应标出在哪一个转速范围内才能得到最大转矩。最大转矩一般出现在发动机的中、低转速的范围。

发动机的最大转矩大，在主减速器传动比i₀，变速器传动比i_g一定时，汽车的加速能力和上坡能力也越强。

3.发动机油耗

汽车的燃料经济性常用一定工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量或一定燃油量能使汽车行驶的里程来衡量。在我国及欧洲采用的指标是汽车行驶100km消耗多少升燃料（L/100km），而美国的指标是消耗每加仑燃料能够行驶多少英里（MPG）。

通常通过测定在良好的水平的直线道路上行驶的耗油量得到汽车等速百公里油耗，在各种不同道路上行驶测定得到汽车的综合油耗等，现在，随着测定手段的进步，更多的是在底盘测功试验台上模拟路试来检测其燃油消耗量。

1）等速百公里油耗。

等速百公里油耗是指在平坦硬实的路面上，汽车以最高档或次高档分别以不同车速等速行驶同一段路程，往返一次取平均值，记录下油耗量，即可获得不同车速下汽车的百公里耗油量。如果厂家以经济车速作为耗油量参数提供给用户，用户仅仅只能作为参考而已，因为一般用户在使用汽车的过程中由于汽车行驶条件不同，是很难达得到这个油耗数值的。

2）循环油耗。

循环油耗是指在一段指定的典型路段内汽车以等速、加速和减速等几种工况行驶时的耗油量，有些还要计入起动和怠速等工况的耗油量，然后折算成百公里耗油量。一般而言，循环油耗与等速百公里油耗（指定车速）加权平均取得综合油耗值，这种方法比较客观地反映了汽车的耗油量。一些汽车在技术性能表上将循环油耗标注为“城市油耗”，而将等速百公里油耗标注为“等速油耗”。

3）理论油耗。

由于实际汽车行驶状况与测试油耗时的汽车行驶状况不可能完全一致，所以，“城市油耗”和“等速油耗”都是“理论油耗”。

4）实际油耗。

用户在使用汽车时，汽车行驶百公里实际所消耗的油耗称为“实际油耗”。

5）油耗标识。

按照工信部2009年8月份发布的《轻型汽车燃料消耗量标示管理规定》，从2010年1月1日起，凡在国内销售的最大设计总质量不超过3.5t的国产轻型载货车及座位数不超过9个的乘用车（含轿车、SUV和MPV），不分国产还是进口，均须按照相关规定粘贴“油耗标识”。也就是说，从2010年起上市销售的新车，均应按照“油耗标识”的要求粘贴相应的油耗标识。

油耗标识2010年1月1日起粘贴上车。按油耗标识管理规定，汽车燃料消耗量标示数据是包括销售新车在市区、市郊和综合三种工况的燃料消耗量，相关测定方法由国家指定检测机构按照统一的国家标准采用模拟试验工况，分市区、市郊两部分，分别模拟车辆在城市市区道路和市区以外其他典型道路条件下的行驶状态。通过测量车辆在上述道路模拟循环下的二氧化碳、一氧化碳和碳氢化合物的排放量，从而计算得出市区、市郊和综合燃料消耗量。消费者在购车时，可根据车辆的预期使用情况选择不同工况下的燃料消耗量作为主要参考依据。

4.发动机排放

汽车尾气排放是指从废气中排出的CO（一氧化碳）、HC（碳化氢）、NO_X（氮氧化合物）、PM（微粒，碳烟）等有害气体。它们主要是发动机在燃烧做功过程中所产生的。

一氧化碳是烃燃料燃烧的中间产物，主要是在局部缺氧或低温条件下，由于烃不能完全燃烧而产生，混在内燃机废气中排出。当汽车负重过大、慢速行驶时或空挡运转时，燃料不能充分燃烧，废气中一氧化碳含量会明显增加。一氧化碳是一种化学反应能力低的无色无味的窒息性有毒气体，对空气的相对密度为0.9670，它的溶解度很小。一氧化碳由呼吸道进入人体的血液后，会和血液里的红血蛋白Hb结合，形成碳氧血红蛋白，导致人体携氧能力下降，使人体出现不良反应，如听力会因为耳内的耳蜗神经细胞缺氧而受损害等。吸入过量的一氧化碳会使人发生气急、嘴唇发紫、呼吸困难甚至死亡。研究表明，人对一氧化碳的承受能力相当高，一个健康的人能短时间承受血液中含量为20%～40%的一氧化碳的侵袭。虽然对人体无副作用的一氧化碳阈值尚未确定，但长期吸收一氧化碳对城市居民身体健康是一种潜在的威胁。

氮氧化合物的排放量取决于燃烧温度、时间和空燃比等因素。从燃烧过程看，排放的氮氧化物95%以上可能是一氧化氮，其余的是二氧化氮。人受一氧化氮毒害的事例尚未发现，但二氧化氮是一种红棕色呼吸道刺激性气体，其气味阈值约为空气质量的1.5倍，对人体影响甚大。由于其在水中溶解度低，不易为上呼吸道吸收而深入下呼吸道和肺部，容易引发支气管炎、肺水肿等疾病。

汽车尾气中的碳氢化合物来自三种排放源，对一般汽油发动机来说，约60%的碳氢化合物来自内燃机的尾气排放，20%～25%来自曲轴箱的泄漏，还有15%～20%来自燃料系统的蒸发。甲烷是窒息性气体，其嗅觉阈值是142.8mg，只有高浓度时才对人体健康造成危害。乙烯、丙烯和乙炔则主要对植物造成伤害，使路边的树木不能正常生长。苯是无色类似汽油味的气体，可引起食欲不振、体重减轻、易倦、头晕、头痛、呕吐、失眠、黏膜出血等症状，也可引起血液变化，红血球减少，出现贫血，还可导致白血病。

HC和NO_X在大气环境中受强烈太阳光紫外线照射后，产生一种复杂的光化学反应，生成一种新的污染物形成光化学烟雾，1952年12月伦敦发生的光化学烟雾4天中死亡人数较往常同期间约多出4 000人。

21世纪以来，随着能源的加速枯竭和生存环境的日益恶化，汽车与生态的矛盾越发尖锐。人类社会的可持续发展给未来的汽车发展提出了新的要求：节能环保，减少对生态环境的破坏。各汽车厂商竞相研制改善汽车环保性能的先进技术，我们就一些主要的先进技术予以简单的介绍。

1）催化式热排气净化器（图2-2-10）。

催化式热排气净化器的关键在于“催化”，也就是利用催化剂对汽车的废气进行净化，将废气中的有害物质转化为无害物质。早在20世纪70年代中期，美国已经实行了这种方法，以后被各国汽车业广泛使用，到目前为止仍是最有效的净化方法。催化式热排气净化器有氧化型、双床型、三元型等多种型式，其中最常用的是三元型催化式净化器。欧共体规定从1993年1月开始，在欧共体各国出售的汽油发动机新车一律要配置三元型催化式净化器。

所谓三元型催化式净化器是指汽车废气只要通过净化器本身，就可同时将废气中的三种主要有害物质转化为无害物质的一种高效率净化器。三元型催化式净化器的外形象一个排气消声器。其壳体用耐高温的不锈钢制成，内部的蜂巢式气流通道上涂有催化剂，催化剂的成份有铂、钯和铑等稀有金属，当汽车废气通过净化器的气流通道时，一氧化碳和碳氢化合物就会在催化剂铂与钯的作用下，与空气中的氧发生化学反应产生无害的水和二氧化碳，而氮氧化合物则在催化剂铑的作用下被还原为无害的氧和氮。

为了充分发挥三元催化剂的净化效率，汽车发动机的空燃比（充入气缸的空气量与进入气缸燃油量的重量比值）必须接近理论空燃比（14.7∶1），而且，其空燃比只能在很小的范围内变动，否则就不能同时对废气中的三种有害物质进行净化。所以，三元型催化式净化器要与车上的电子计算机控制系统连在一起使用，使用氧传感器检测排放尾气中的氧气浓度，将信息反馈到计算机，再由计算机对空燃比进行精确控制。

三元型催化式排气净化器是安装在汽车发动机的排气装置上，它只适用于无铅汽油燃料汽车，使用含铅汽油时，废气中的铅会复盖催化剂，使净化器停止工作而不起净化作用，俗称催化剂“中毒”。因此，汽车使用三元催化式排气净化器的前提条件有两个：一是要用无铅汽油，二是发动机要使用电控燃油喷射装置，这样，三元型催化式排气净化器才能起到净化效果。

图2-2-10　三元催化转换器

2）废气再循环（EGR）系统。

废气再循环是指把发动机排出的部分废气回送到进气歧管，并与新鲜混合气一起再次进入气缸。因为氮和氧只有在高温、高压且富氧条件下才能发生化学反应，生成NO_X。少部分废气进入气缸参与混合气的燃烧，降低了燃烧时气缸中的温度，抑制了NO_X的生成，从而降低了废气中的NO_X的含量。

发动机控制电脑根据发动机的转速、负荷（节气门开度）、温度、进气流量、排气温度控制废气再循环电磁阀适时地打开，进气管真空度经电磁阀进入EGR阀真空膜室，膜片拉杆将EGR阀门打开，排气中的少部分废气经EGR阀进入进气系统，与混合气混合后进入气缸参与燃烧。少部分废气进入气缸参与混合气的燃烧，降低了燃烧时气缸中的温度，因NO_X是在高温富氧的条件下生成的，故抑制了NO_X的生成，从而降低了废气中的NO_X的含量。但是，过度的废气参与再循环，将会影响混合气的着火性能，从而影响发动机的动力性，特别是在发动机怠速、低速、小负荷及冷机时，再循环的废气会明显地影响发动机动力性能和经济性能。所以，当发动机在怠速、低速、小负荷及冷机时，ECU控制废气不参与再循环，避免发动机性能受到影响；当发动机超过一定的转速、负荷及达到一定的温度时，ECU控制少部分废气参与再循环，而且，参与再循环的废气量根据发动机转速、负荷、温度及废气温度的不同而不同，以达到废气中的NO_X最低为原则。

3）二次空气喷射系统。

二次空气喷射系统应用在汽车上，用以减少尾气中的HC和CO排放量。二次喷射系统的工作原理为：空气泵将新鲜空气送入发动机排气管内，从而使排气管中的HC和CO进一步氧化和燃烧，即把导入的空气中的氧在排气管内与排气中的（HC）和（CO）进一步氧化形成水蒸气和二氧化碳（CO₂），从而降低了尾气中的HC和CO的排放量。

二次空气喷射系统按其空气喷入的部位可分为两类：一是新鲜空气被喷入排气歧管的基部，即排气歧管与气缸体相连接的部位，因此，排气中的HC、CO只能从排气歧管开始被氧化；二是新鲜空气通过气缸盖上的专设管道喷入排气门后气缸盖内的排气通道内，排气中HC、CO的氧化便得以更早地进行。

4）PCV装置。

PCV是PositiveCrankcaseVentilation（曲轴箱强制通风）的缩写。它的作用是防止“窜气”进入大气，同时防止机油变质。所谓“窜气”是指当发动机做功燃烧过程将要结束时，一些未燃混合气在高压下经由活塞环漏入曲轴箱内。如果窜入的混合气不被排除，就会形成气压，稀释曲轴箱内的机油，使机油变质，造成发动机由于润滑不良发生机件过早磨损。当窜入的混合气从曲轴箱内逸入大气时，还会造成严重的空气污染。

PCV装置主要由通气软管、PCV阀组成。一条通气软管接通空气滤清器至气门室盖，另一条从气门室盖接通PCV阀至进气歧管。PCV阀由柱塞式阀门和弹簧构成，位于进气歧管的一侧，进气歧管的真空度决定了PCV阀的开闭及开启的程度，而PCV阀的开闭及开启的程度又决定了窜气混合气被重新吸入进气歧管参加燃烧的数量。当发动机转速比较慢时，进气量小，窜气少，PCV阀开度较小甚至关闭。当发动机加速或转速比较高时，气流量大，窜气多，PCV阀开度较大，因而被强制吸入燃烧的窜气也比较多。

5）EVAP（燃料蒸发排放控制系统）。

燃料蒸发排放控制系统主要由活性碳罐贮存装置、燃油蒸发净化控制装置和燃油箱燃油蒸发控制装置组成。汽油是一种易挥发的液体，在常温下燃油箱经常充满蒸气，燃料蒸发控制系统的作用是将燃油蒸气引入气缸燃烧，防止其挥发到大气中。

在系统中起重要作用的是活性碳罐，燃油箱的汽油蒸气通过管路进入活性碳罐的上部，新鲜空气则进入活性碳罐的下部。因为活性碳有吸附燃油的功能，发动机熄火后，汽油蒸气与新鲜空气在罐内混合并贮存在活性碳罐中，当发动机起动后，装在活性碳罐与进气歧管之间的燃油蒸发净化装置的电磁阀门打开，活性碳罐内的汽油蒸气被吸入进气歧管参加燃烧。

5.发动机基本结构和参数

发动机基本结构和参数影响发动机所输出功率大小和转矩大小，从而影响汽车的动力性与经济性。下面，我们分析影响发动机的输出功率和转矩的主要结构和参数。

1）发动机排量。

发动机排量是指发动机各气缸工作容积的总和，每个气缸工作容积是指活塞从上止点到下止点所扫过的气缸容积，又称为单缸排量，它取决于缸径和活塞行程，如图2-2-11所示。一般用升来表示发动机的排量，常用符号L表示。发动机排量是发动机最重要的结构参数之一，它比缸径和缸数更能代表发动机动力的大小，发动机的许多指标都和排量密切相关。一般来说，发动机排量越大，最大功率也越大。

2）压缩比。

压缩比是指某台发动机气缸总容积与燃烧室总容积的比值，如图2-2-12所示，它表示活塞从下止点移到上止点时气缸内气体被压缩的程度。压缩比是衡量汽车发动机性能指标的又一个重要参数。

一般地说，发动机的压缩比愈大，在压缩行程结束时混合气的压力和温度就愈高，混合气的燃烧速度愈快，混合气的燃烧效率也愈高，因而发动机的功率也就愈大，经济性也愈好。但压缩比过大时，不仅不能进一步改善燃烧情况，反而会出现爆燃、表面点火等不正常燃烧现象。此外，发动机压缩比的提高还受到排气污染法规的限制。

汽油发动机是点燃式，压缩比低；柴油发动机是压燃式，压缩比高。轿车的汽油发动机压缩比通常取8～11，柴油发动机压缩比通常取18～23。

图2-2-11　单缸发动机排量

图2-2-12　发动机压缩比

对于汽油机来说，压缩比越高的汽油发动机，要求汽油的抗爆性指标越高，即汽油的标号也就越高。通常，压缩比在7.5～8.0之间应选用90～93号车用汽油，压缩比8.0～8.5之间应选用90～93号车用汽油，压缩比在8.5～9.0之间应选93～95号车用汽油，压缩比在9.5～10.0应选用95～97号汽油。

3）发动机气缸数量。

汽车发动机常用缸数有3、4、5、6、8、10、12缸。排量1L以下的发动机常用3缸；排量在1～2.5L之间的发动机一般为4缸；排量在3L左右的发动机一般为6缸；排量在4L左右的发动机一般为8缸；排量在5.5L以上采用12缸发动机。

一般来说，在同等缸径下，发动机缸数越多，排量就越大，发动机的功率也就越大。

4）发动机气缸排列形式。

（1）发动机气缸直线式排列。即发动机所有的气缸呈一字型直线排列的方式，如图2-2-13所示。一般5缸以下发动机的气缸多采用直线方式排列，少数6缸发动机也有直线排列方式的，一般1L以下的汽油机多采用3缸直列，1～2.5L汽油机多采用4缸直列，有的四轮驱动汽车采用直列6缸，因为这种排列方式的发动机宽度较小，可以在旁边布置增压器等设施。直列6缸发动机的动平衡性能较好，振动相对较小，所以也为一些中、高级轿车采用。

图2-2-13　直列四缸发动机

图2-2-14　V形8缸发动机

（2）发动机气缸V形排列。即发动机所有的气缸呈V形对称排列的方式。6～12缸发动机一般采用V形排列，图2-2-14所示为V形8缸发动机。其中V形10缸以上发动机主要装在赛车上。V形排列的发动机与直列方式发动机相比较，其特点是发动机的长度和高度尺寸小，在汽车发动机舱内布置起来更加方便。此外，由于气缸对称排列，机体所产生的振动容易被横向支撑零件所吸收，相对来说工作较为平稳。

（3）发动机气缸W形排列。即发动机所有的气缸呈W形对称排列的方式。如图2-2-15所示大众公司生产的奥迪A8汽车发动机它的12个气缸采用新型缸体W型式排列，它实际是两个6缸发动机呈V形排列，两个6缸发动机又相互呈小角度V形排列而成。此种发动机与直列式、V形排列式发动机相比较，其结构更为紧凑，工作更平稳。

图2-2-15　发动机所有的气缸呈W形对置排列

（4）水平对置发动机。水平对置发动机，如图2-2-16所示。发动机气缸水平布置，活塞在水平方向上左右运动。这种布置形式使发动机的整体高度降低、长度缩短、整车的重心降低，车辆行驶更加平稳。如果发动机安装在整车的中心线上，两侧活塞产生的冲击振动更容易被横向支撑零件所吸收，大大降低车辆在行驶中的振动，使发动机转速得到很大提升，同时还能减少噪声。目前，世界上仅有保时捷和斯巴鲁两个品牌的部分车型采用水平对置发动机技术。

（5）转子发动机。转子发动机又称为米勒循环发动机。它采用三角转子旋转运动来控制压缩行程和排气行程，与传统的活塞往复式发动机的直线运动迥然不同。

图2-2-16　水平对置发动机

图2-2-17　转子发动机结构示意图

转子发动机的运动特点是：三角转子的中心绕输出轴中心公转的同时，三角转子本身又绕其中心自转。在三角转子转动时，以三角转子中心为中心的内齿圈与以输出轴中心为中心的齿轮啮合，齿轮固定在缸体上不转动，内齿圈与齿轮的齿数之比为3∶2。上述运动关系使得三角转子顶点的运动轨迹（即气缸壁的形状）似“8”字形。三角转子把气缸分成三个独立空间，三个空间各自先后完成进气、压缩、做功和排气的工作循环，三角转子自转一周，发动机点火做功三次。由于以上运动关系，输出轴的转速是转子自转速度的3倍，具体结构如图2-2-17所示。

这种发动机由德国人菲加士·汪克尔发明，一向对新技术情有独钟的马自达公司投巨资从汪克尔公司买下了这项技术。马自达公司深信转子发动机的潜力，独自研究和生产转子发动机，他们逐步克服了转子发动机的缺陷，成功地由试验性生产过渡到商业性生产，并将安装了转子发动机的RX-7型跑车打入了美国市场。

在世界环保意识日益强化、石油资源日渐沽竭的今天，以氢气做为汽车动力源的研究已成为当今一大课题。当年马自达坚持下来的转子发动机从结构上讲是最适合燃烧氢气能源的，而且最“干净”，因为氢燃烧完后排出的是水蒸气，对环境没有任何污染。马自达公司改制了RX-7型跑车的转子发动机，使它可以用氢做燃料。这种发动机装配在马自达HR-X汽车上，1m³的燃料箱吸储了相当43m³的压缩氢气，以60km/h的车速可行驶230km，引起了各界人士的关注。

现在，马自达已经在其使用氢气与汽油两种燃料的“RX-8Hydrogen RE”上配备了“RENESIS氢气转子发动机”。

转子发动机的转子每旋转一圈就做功一次，与一般的四冲程发动机曲轴每旋转两圈才做功一次相比，具有高功率容积比（发动机容积较小就能输出较多动力）的优点。另外，由于转子发动机的轴向运转特性，它不需要精密的曲轴平衡就能达到较高的运转转速。整个发动机只有两个转动部件，与一般的四冲程发动机具有进、排气活门等20多个活动部件相比结构大大简化，故障的可能性也大大减小。除此之外，转子发动机还具有体积较小、重量轻、低重心等优点。

图2-2-18　两进两排四气门发动机

5）发动机气门数目。

传统的发动机多是每缸一个进气门和一个排气门，这种二气门配气机构相对比较简单，制造成本也低，对于输出功率要求不太高的普通发动机来说，就能获得较为满意的发动机输出功率与转矩性能。排量较大、功率较大的高速发动机需要采用多气门技术。最简单的多气门技术是三气门结构，即在一进一排的二气门结构基础上再加上一个进气门。近年来，世界各大汽车公司新开发的轿车大多采用四气门结构，如图2-2-18所示。四气门配气机构中，每个气缸各有两个进气门和两个排气门。四气门结构能大幅度提高发动机的进气、排气效率。

现在，国外有的公司开始采用每缸5气门结构，即3个进气门，2个排气门，主要作用是加大进气量，使燃烧更加彻底。气门数量并不是越多越好，5气门确实可以提高进气效率，但是结构极其复杂，加工困难，采用较少，国内生产的新捷达王就采用五气门发动机技术。

6）凸轮轴布置方式。

发动机的凸轮轴安装位置有下置、中置、顶置三种形式。轿车发动机由于转速较快，每分钟转速可达5 000r以上，为保证进排气效率，都采用顶置式气门装置，这种装置适合于凸轮轴的三种安装形式。但是，如果采用下置式或者中置式的凸轮轴，由于气门与凸轮轴的距离较远，需要气门挺杆和挺柱等辅助零件予以传递运动和力，造成气门传动机件较多，结构复杂，发动机体积大，而且在高速运转下还容易产生噪声，而采用顶置式凸轮轴则可以改变这种现象。所以，现代轿车发动机一般都采用了顶置式凸轮轴技术，将凸轮轴配置在发动机的上方，缩短了凸轮轴与气门之间的距离，省略了气门的挺杆和挺柱，简化了凸轮轴到气门之间的传动机构，将发动机的结构变得更加紧凑，如图2-2-19所示。更重要的是，这种安装方式可以减少整个系统往复运动的质量，提高了传动效率，间接地提高了发动机的动力性和经济性。

按凸轮轴数目的多少，可分为单顶置凸

轮轴（SOHC）和双顶置凸轮轴（DOHC）两种，由于中高档轿车发动机一般是多气门及V型气缸排列，需采用双凸轮轴分别控制进排气门，因此双顶置凸轮轴被不少名牌发动机所采用。

7）发动机新材料。

传统的发动机无论是缸体还是缸盖都是采用铸铁材料制造，但是铸铁材料有着密度大、散热性差、摩擦系数高等缺点，许多发动机厂商都在寻找更好的新材料制造发动机的部件。

（1）采用全铝缸盖和缸体减小发动机质量和有利于散热。

采用全铝缸盖和缸体减小发动机质量和有利于散热，而减小发动机质量和提高发动机机体的散热能力又能提高发动机的动力性和经济性，因此，采用全铝缸盖和缸体发动机的汽车较铸铁发动机汽车具有较好的动力性和经济性。

我们日常所说的全铝发动机是指缸盖和缸体都是铝合金制造的发动机，见图2-2-20和2-2-21。而缸盖是铝合金、缸体是铸铁的发动机，一般我们还是称作铸铁发动机。现在，全铝发动机已经在大量的车型上被采用，在国外，罗孚的K系列发动机，宝马的M52直列六缸发动机，日产的VQ发动机，捷豹的AJ-V8发动机、奔驰的V6和V8发动机、通用的LS1和北极星V8发动机、标致的2升四缸发动机和通用的新型直列四缸发动机等都是采用全铝合金制造。国内的许多小排量发动机也逐步采用全铝发动机，如国产铃木系列的发动机G13、K14等，还有东安动力开发的468发动机，这款发动机被配备在哈飞路宝和昌河爱迪尔上，并获得了很大的成功。

很早以前的汽车发动机就开始大规模采用铝质缸盖了。缸盖的重量并不大，汽车制造商喜欢它并不是因为它重量轻，而是因为它有更好的散热性能。目前，四气门结构成为发动机的主流设计趋势。与以前的两气门发动机相比，每缸四气门的气缸盖比每缸两气阀的气缸盖在工作时要产生更多的热量，采用全铝缸盖是解决散热问题最好的办法。

图2-2-19　顶置凸轮轴发动机

出于成本的考虑，气缸体采用全铝设计比气缸盖要晚得多。气缸体是发动机上最重的部分，因而使用铝合金材料可以减轻发动机的重量，从而达到减轻整车重量的目的。这一点对于前置前驱车型来说，较轻的前轴负荷可以改善汽车的操控性能，因而显得尤为重要。当然，由于材料价格和加工工艺的原因，采用铝合金缸体的发动机会导致生产成本的增加。

图2-2-20　铝合金发动机缸体

图2-2-21　铝合金发动机缸盖

图2-2-22　树脂材料进气管

（2）采用树脂或镁合金作为进气管的材料以提高充气效率。

在发动机的结构中，复杂的进气管是另外一个质量很大的部件。特别如今流行的结构更为复杂的可变长度进气管，其质量相当大。最初，人们采用铝合金来作为进气管的替代材料，后来许多汽车制造商采用具有热塑性的66号尼龙或者其他耐热的可塑性材料制造进气管。因为这些复合材料有许多优点：价钱便宜、重量轻、内臂平滑（从而空气流动好、气阻小），是很理想的进气管材料，见图2-2-22。

但是，66号尼龙等复合材料在使用中很容易产生一些细小的裂纹，这种裂纹导致高速进气时会在进气管里产生令人不快的噪声。因此，许多高档的豪华车都没有采用这种材料制造进气管，例如奔驰就选择了镁合金——这种材料比铝更轻，但它价格比较昂贵，而且耐高温能力不足。可是对于豪华车来说，性能的提高比材料成本相对来说要更重要，耐热能力不足也不是大的问题，因为进气管的温度并不高。实践证明，镁合金是金属材质的，空气在镁合金制造的进气管内流动，要比在塑料的噪声要小得多。

镁合金进气管噪声小、质量轻、充气效率高，提高了发动机的动力性、经济性和环保性。

也有一些车采用了非常少见的非金属材料，例如TVR和法拉利V8采用的是一种称作凯福拉（Kevlar）的材料来制造进气管，它能获得更轻的重量，而且进气噪声与金属进气管相当。

（3）合金铝活塞和铸铁气缸套配合减小摩擦系数（见图2-2-23和图2-2-24）。

图2-2-23　合金铝活塞

图2-2-24　铝合金气缸体内镶铸铁缸套

发动机的响应性与发动机部件的运动惯性是分不开的，发动机的运动部件包括曲轴、活塞、连杆等。由于曲轴要求瞬间强度非常高，所以只能采用高强度钢来制造。

在高转速发动机上，通常都是用铝合金来制造活塞。更轻的活塞质量能产生更高的发动机转速，从而能获得更大的动力输出。

使用铝合金来制造活塞，成本并不是非常昂贵，主要问题是在摩擦阻力上。在发动机运转的时候，活塞与气缸壁之间肯定会产生摩擦，而铝材和铝材之间的摩擦系数是很高的，它比铝和铸铁之间的摩擦系数要高得多。这样一来，如果全铝缸体配合全铝活塞，发动机运转的时候摩擦阻力就会非常大，这也是许多发动机使用铝合金活塞同时使用铸铁缸体的原因。

图2-2-25　钛合金连杆

目前最主流的解决办法，就是在铝制的气缸体内镶一个钢制的气缸套，让铝合金活塞不会与铝制的气缸壁直接接触。

这种方法在20世纪70年代中期首先被雪佛兰Vega所采用。它的发动机采用全铝设计，在铝合金的气缸体内镶上了一个铸铁的缸套，当然活塞同样也采用用铝合金制造。这样的设计使得活塞与气缸壁之间的摩擦阻力比全铸铁发动机要小得多，因此它的动力得到了很大程度的提高。不仅如此，这台发动机还能获得更轻的重量和更小的运动惯性，改善了汽车的加速性、操控性和经济性。现在，许多配备了高转速发动机的汽车都采用这种方法。

本田汽车在它的NSX 3.2L发动机上采用了增强型金属纤维气缸套（FRM）技术，即在全铝的缸体上直接把金属纤维加热融化以后，通过特殊工艺把金属粒子渗透到气缸壁上，就仿佛在气缸壁上电镀了一层厚度只有0.5mm的金属纤维。该技术的生产成本和发动机升功率指标在铸铁缸体和镶铸铁缸套技术之间。

（4）采用钛合金连杆提高发动机转速（见图2-2-25）。

钛是一种质量很轻，强度很大的金属材料，而且价格非常昂贵，一般只在航空领域采用。不过，现在一些高性能的运动轿车为了提高性能而不计成本的采用钛合金来制造连杆，以提高发动机的转速，如兰博基尼的Diablo、法拉力的F355/360M/550M、保时捷的911GT3等。因为提高了发动机的转速，就等于提高了发动机的动力性。