发动机工作原理润滑与油路分析
范志同
一、发动机的工作原理
（一）基本理论
汽油发动机将汽油的能量转化为动能来驱动汽车，最简单的办法是通过在发动机内部燃烧汽油来获得动能。因此，汽车发动机是内燃机----燃烧在发动机内部发生。 有两点需注意：
1． 内燃机也有其他种类，比如柴油机，燃气轮机，各有各的优点和缺点。
2． 同样也有外燃机。在早期的火车和轮船上用的蒸汽机就是典型的外燃机。燃料（煤、木头、油）在发动机外部燃烧产生蒸气，然后蒸气进入发动机内部来产生动力。内燃机的效率比外燃机高不少，也比相同动力的外燃机小很多。所以，现代汽车不用蒸汽机。 相比之下，内燃机比外燃机的效率高，比燃气轮机的价格便宜，比电动汽车容易添加燃料。这些优点使得大部分现代汽车都使用往复式的内燃机。 （二）燃烧是关键
汽车的发动机一般都采用4冲程。（马自达的转子发动机在此不讨论，汽车画报曾做过介绍） 4冲程分别是：进气、压缩、燃烧、排气。完成这4个过程，发动机完成一个周期(2圈)。 理解4冲程 活塞，它由一个活塞杆和曲轴相联，过程如下： 1．活塞在顶部开始，进气阀打开，活塞往下运动，吸入油气混合气 2．活塞往顶部运动来压缩油气混合气，使得爆炸更有威力。
3．当活塞到达顶部时，火花塞放出火花来点燃油气混合气，爆炸使得活塞再次向下运动。 4．活塞到达底部，排气阀打开，活塞往上运动，尾气从汽缸由排气管排出。
注意：内燃机最终产生的运动是转动的，活塞的直线往复运动最终由曲轴转化为转动，这样才能驱动汽车轮胎。 （三）汽缸数
发动机的核心部件是汽缸，活塞在汽缸内进行往复运动，上面所描述的是单汽缸的运动过程，而实际应用中的发动机都是有多个汽缸的（4缸、6缸、8缸比较常见）。我们通常通过汽缸的排列方式对发动机分类：直列、V或水平对置（当然现在还有大众集团的W型，实际上是两个V组成）。 不同的排列方式使得发动机在顺滑性、制造费用和外型上有着各自的优点和缺点，配备在相应的汽车上。 （四）排量
混合气的压缩和燃烧在燃烧室里进行，活塞往复运动，你可以看到燃烧室容积的变化，最大值和最小值的差值就是排量，用升（L）或毫升（CC）来度量。汽车的排量一般在1.5L~4.0L之间。每缸排量0.5L，4缸的排量为2.0L，如果V型排列的6汽缸，那就是V6 3.0升。一般来说，排量表示发动机动力的大小。 （五）发动机的其他部分
凸轮轴 控制进气阀和排气阀的开闭 火花塞 火花塞放出火花点燃油气混合气，使得爆炸发生。火花必须在适当的时候放出。 阀门 进气、出气阀分别在适当的时候打开来吸入油气混合气和排出尾气。在压缩和 燃烧时，这两个阀都是关闭的，来保证燃烧室的密封。活塞环 在气缸壁和活塞中提出密封：
1．防止在压缩和燃烧时油气混合气和尾气泄漏进润滑油箱。 2．防止润滑油进入汽缸内燃烧。
大多“烧机油”的汽车就是因为发动机太旧：活塞环不再密封引起的（尾气管冒青烟）活塞杆连接活塞环和曲轴，使得活塞和曲轴维持各自的运动。润滑油槽 包围着曲轴，里面有相当数量的油。
二、 油路的分析与液压系统的应用
（一）供油系统的基本组成及作用
供油系统的结构组成，因其用途不同而有所不同，但主要组成部分基本相同，一般由各分支供油系统、油泵及辅助装置，压力调节装置等部分组成。供油系统的作用是向变速器各部分提供具有一定油压。足够流量、合适温度的液压油。具体作用是：
（1）给变速器（或偶合器）供油，并维持足够的补偿压力和流量，以保证液力元件完成传递动力的功能；防止变矩器产生的气蚀，并及时将变矩器的热量带走，以保持正常的工作温度。
（2）在一部分工程车辆和重型运输车辆中，还需向液力减速器提供足够流量及温度适宜的油液，以便能适时地吸收车辆的动能，得到满意的制动效果。
（3）向控制系统供油，并维持主油路的工作油压，保证各控制机构顺利工作。 （4）保证换挡离合器等的供油，以满足换挡等的操纵需要。
（5）为整个变速器各运动零件如齿轮、轴承、止推垫片、离合器摩擦片等提供润滑用油，并保证正常的润滑油温度。
（6）通过油料的循环散热冷却，使整个自动变速器的发热量得以散逸，使变速器保持在合理的温度范围内工作。 （二）供油油泵的结构与工作原理
油泵是自动变速器中最重要的总成之一，它通常安装在变矩器的后方，由变矩器壳后端的轴套驱动。在变速器的供油系统中，常用的油泵有内啮合齿轮泵、转子泵和叶片泵。由于自动变速器的液压系统属于低压系统，其工作油压通常不超过2MPa，所以应用最广泛的仍然是齿轮泵。
1．内啮合齿轮泵的结构与工作原理
内啮合齿轮泵主要由外齿齿轮、内齿齿轮、月牙形隔板，泵壳、泵盖等组成，液压泵的齿轮紧密地装在泵体的内腔里，外齿齿轮为主动齿轮，内齿齿轮为从动齿轮，两者均为渐开线齿轮；月牙形隔板的作是将外齿齿轮和内齿齿轮隔开。内齿和外齿齿轮紧靠着月牙形隔板，但不接触，有微小的间隙。泵体是铸造而成的，经过精加工，泵体内有很多油道，有进油口和出油口，有的还有阀门或电磁阀。泵盖也是一个经精加工的铸件，也有很多油
道。泵盖和泵体用螺栓连接在一起。
内啮合齿轮泵的工作原理如图1-21所示。月牙形隔板将内齿轮与外齿轮的之间空出的容积分隔成两个部分，在齿轮旋转时齿轮的轮齿由啮合到分离的那一部分，其容积由小变大，称为吸油腔；齿轮由分离进入啮合的那一部分，其容积由大变小，称为压油腔。
由于内、外齿轮的齿顶和月牙形隔板的配合是很紧密的，所以吸油腔和压油腔是互相密封的。当发动机运转时，变矩器壳体后端的轴套带动小齿轮和内齿轮一起朝图中顺时针方向运转，此时在吸油腔内，由于外齿轮和内齿轮不断退出喷合，容积不断增加，以致形成局部真空，将油盘中的液压油从进油口吸入，且随着齿轮旋转，齿间的液压油被带到压油腔；在压油腔，由于小齿轮和内齿轮不断进入啮合，容积不断减少，将液压油从出油口排出。油液就这样源源不断地输往液压系统。
油泵的理论泵油量等于油泵的排量与油泵转速的乘积。内啮合齿轮泵的排量取决于外齿齿轮的齿数、模数及齿宽。油泵的实际泵油量会小于理论泵油量，因为油泵的各密封间隙处有一定的泄漏。其泄漏量与间隙的大小和输出压力有关。间隙越大、压力越高，泄漏量就越大。
内啮合齿轮泵是自动变速器中应用最为广泛的一种油泵，它具有结构紧凑、尺寸小、重量轻、自吸能力强、流量波动小、噪音低等特点。各种丰田汽车的自动变速器一般都采用这种油泵。
2．摆线转子泵的结构与工作原理
摆线转子泵由一对内啮合的转子、泵壳和泵盖等组成。内转子为外齿轮，其齿廓曲线是外摆线；外转子为内齿轮，齿廓曲线是圆弧曲线。内外转子的旋转中心不同，两者之间有偏心距e。一般内转子的齿数为4、6、8、10等，而外转子比内转子多一个齿。内转子的齿数越多，出油脉动就越小。通常自动变速器上所用摆线转子泵的内转子都是10个齿
发动机运转时，带动油泵内外转子朝相同的方向旋转。内转子为主动齿，外转子的转速比内转子每圈慢一个齿。内转子的齿廓和外转子的齿廓是一对共轭曲线，它能保证在油泵运转时，不论内外转子转到什么位置，各齿均处于啮合状态，即内转子每个齿的齿廓曲线上总有一点和外转子的齿廓曲线相接触，从而在内转子、外转子之间形成与内转子齿数相同个数的工作腔。这些工作腔的容积随着转子的旋转而不断变化，当转子朝顺时针方向旋转时，内转子、外转子中心线的左侧的各个工作腔的容积由大变小，将液压油从出油口排出。这就是转子泵的工作过程。
摆线转子泵的排量取决于内转子的齿数、齿形、齿宽以内外转子的偏心距。齿数越多，齿形、齿宽及偏心距越大，排量就越大。
摆线转子泵是一种特殊齿形的齿形的内啮合齿轮泵，它具有结构简单、尺寸紧凑、噪音小、运转平稳、高速性能良好等优点；基制点是流量脉动大，加工精度要求高。 3．叶片泵的结构与工作原理
叶片泵由定子、转子、叶片、壳体及泵盖等组成。转子由变矩器壳体后端的轴套带动，绕其中心旋转；定子是固定不动的，转子与定子不同心，二者之间有一定的偏心距。
当转子旋转时，叶片在离心力或叶片底部的液压油压力的作用下向外张开，紧靠在定子内表面上，并随着转子的转动，在转子叶片槽内作往复运动。这样在每两个相邻叶片之
间便形成密封的工作腔。如果转子朝顺时针方向旋转，在转子与定子中心连线的右半部的工作腔容积逐渐减小，将液压油从出油口压出。这就是叶片泵的工作过程。
叶片泵的排量取决于转子直径、转子宽度及转子与定子的偏心距。转子直径、转子宽度及转子与定子的偏心距越大，叶片泵的排量就越大。
叶片泵具有运转平稳、噪音小、泵油油量均匀、容积效率高等优点，但它结构复杂，对液压油的污染比较敏感。 （三）调压装置
自动变速器的供油系统中，必须设置油压调节装置，一方面是因为油泵泵油量是变化的。自动变速器的油泵是由发动机直接驱动的，油泵的理论泵油量和发动机的转速成正比，为了保证自动变速器的正常工作，当发动机处于最低转速工况（怠速）时，供油系统中的油压应能满足自动变速器各部分的需要，防止油压过低使离合器、制动器打滑，影响变速器的动力传递；但如果只考虑怠速工况，由于发动机在怠速工况下的转速（750r/min左右）和最高转速（6000r/min左右）之间相差太大，那么当发动机高速运转时，油泵的泵油量将大大超过自动变速器各部分所需要的油量和油压，导致油压过高，增加发动机的负荷，并造成换挡冲击。另一方面是因为自动变速器中各部分对油压的要求也不相同。因此，要求供油系统提供给各部分的油压和流量应是可以调节的。
自动变速器供油系统的油压调节装置是由主油路调压阀（又称一次调节阀）、副调压阀（又称二次调节阀）、单向阀和安全阀等组成。 1．主油路调压阀
主油路调压阀又称一次调节阀，它的作用是根据汽车行驶速度和化油器节气门开度的变化，自动调节流向各液压系统的油压，保证各系统液压的稳定，使各信号阀工作平稳。主油路调压阀一般由阀芯，阀体和弹簧等主要元件组成。来自油泵的压力油液从进油口a进入，并作用到阀芯的右端，来自于节气门调节阀和手动阀倒挡油路的两个反馈油压则经进油口f作用在阀芯的左端。
当发动机负荷较小，输出功率较小时，此时的节气门调节压力也较低，作用在阀芯右端的油液压力较高，油压所产生的作用力大于阀芯左端弹簧预紧力和节气门调节压力对阀芯的作用力时，弹簧将被压缩，阀芯向左移动，阀芯中部的密封台肩将使泄油口露出一部分（来自油泵的油液压力越高则泄油口露出越多），来自油泵的油液有一部分经出油口b输住选挡阀，有一部分经出油口d输出往变矩器，还有一部分泄油口流回油盘，使油压下降，直至油液压力所产生的推力与调压弹簧的预紧力和节气门调节压力的合力保持平衡为止，此时调压阀以低于油泵输入压力的油压输出；当节气门开度增大，输出功率增大时，此时增大了的节气门调节油压将使阀芯向右移动，阀芯中部的密封台肩将堵住泄油口，泄油口开度降低，泄油道减小或处于封闭状态，使油压上升，调节阀以高于油泵输入压力的油压输出。节气门开度越大，调压阀输出的压力越高，输往选挡阀和变矩器去的油液压力将随所要传递的功率的增大而增大，则时可使油液压力保持在相对稳定的范围（通常为0.5MPa~1MPa）内。
在阀芯的右端还作用着另一个反馈油压，它来自于压力校正阀。这一反馈油压对阀芯产生一个向左的推力，使主油路调压阀所调节的主油路油压减小。
当自动变速器处于前进挡的1挡或2挡时，倒挡油路油压为0，压力校正阀关闭，调压阀右端的反馈油压也为0。而当变速器处于3挡或超速挡时，若车速增大到某一数值，压力校正阀开启，来自节气门阀的压力油经压力校正阀进入调压阀右端。增加了阀芯向左的推力，使主油路油压减小，减小了油泵的运转阻力。当自动变速器处于倒挡时，来自手动阀的倒挡油路压力油进入阀芯的左端，阀芯左端的油压增大，主油路调压阀所调节的主油路压力也因此升高，满足了倒挡时对主油路油压的需要。此时的主油路油压称为倒挡油压。
2．副调压阀和安全阀
副调压阀又称二次调节阀，它的作用是根据汽车行驶速度和化油器节气门开度的变化，自动调节变矩器的油压、各部件的润滑油压和冷却装置的冷却油压。
二次调节阀也是由阀体、阀芯和弹簧等组成。当发动机转速低或化油器油门关闭时，二次调压阀在弹簧的作用下，把通向液压油冷却装置的油道切断。当发动机转速升高和液力变矩器油压升高时，把油路开放。发动机停止转动时，二次调压阀用一个单向控制阀把液力变矩器的油路关闭，使液压油不能外流，以免影响转矩输出。
安全阀实际上也是一个调压阀，由弹簧和钢球组成，并联在油泵的进、出油口上，以限制油泵压力。当油泵压力高时，压开钢球，油经钢球和油道流回油盘。
旁通阀（单向阀）是液压油冷却装置的保护器，与冷却装置并联。当流到冷却装置的液压油温度过高、压力过大时，阀体打开，起旁通作用，以免高温、高压的液压油损坏冷却装置。
三、发动机的润滑
什么是汽润滑系统及其工作原理，汽车的许多构件是通过相互之间的相对运动来实现整体功能的。
固体之间接触的表面用肉眼看似乎很平整，但将表面极细微部分放大就会发现处处是凸凹不平，所以一运动就会有摩擦。用润滑剂可以将两个互相摩擦的表面分开，从而有效减少摩擦。因此，润滑是保障汽车正常运行的重要因素。
发动机有最复杂的润滑系统，通过输送机油或飞溅的形式，使机件表面形成油膜，减少摩擦和摩损，带走摩擦表面的热量和杂质，增加气缸的密封性等。 所以，发动机润滑不仅起到减少摩擦和摩损的作用，它还有多种功能。要使实现所有的功能，设计师就要从发动机构造上保证实现的条件，例如保证机油输送管路的压力，曲轴箱的构造，油底壳的形状尺寸等。
当发动机一启动，机油泵就通过集滤器将油底壳内的机油吸上到缸体油道，输送到各个部位，对摩擦表面润滑后的油滴又回到油底壳。 工作原理
在反复润滑循环的过程中，机件金属表面的细小毛糙体在不断的摩擦过程中会脱落，机油就会混入金属片或者尘埃等杂质，因此就要在油路中安装机油滤清器，将这些“多余分子”拦截下来。为了防止机油滤清器一旦堵塞机油通不过去，还有