发动机创新设计历程分析
摘要：汽车整体技术日新月异，而作为汽车的心脏——发动机技术的进步和创新步显得更受关注。回顾一下发动机的发展历程或许更能使你理解这一百多年来汽车技术所发生的巨大变革。发动机的不同形式，各有各自的优缺点。
水平对置发动机关键词：发动机  机构    创新      历程
汽车整体技术日新月异，而作为汽车的心脏——发动机技术的进步显得更受关注。如今当介绍一辆汽车的发动机时：双顶置凸轮轴技术，缸内直喷技术，VCM汽缸管理技术，涡轮增压技术，等等都已经运用的相当广泛；在用料上也是往轻量化的方向发展：全铝发动机目前的应用已经非常广泛；汽车的污染也是不可避免，于是新能源技术，包括柴油机的高压共轨，燃料电池，混合动力，纯电动，生物燃料技术也已经有普及的趋向，但回顾一下发动机的历史或许更能理解这一百多年来汽车技术所发生的巨大变革。
一、蒸汽发动机：“汽车”由此诞生
18世纪中期，瓦特发明的蒸汽机引发了欧洲工业革命。作为当时强大的动力机器，人们一直在想方设法把它安置到车上，以代替马匹。1770年，法国人居纽成功地把蒸汽机运用到了车子上，制作了世界第一辆三轮蒸汽机车。这辆车长7.23米，时速3.5公里。虽然速度很慢，但开创了汽车的新时代。这种蒸汽发动机的缺陷是：热量浪费太大，效率不高，只有简单的往复式的线性运动。
二、煤气发动机：内燃机的初级产品
1858年定居法国巴黎的里诺发明了煤气发动机（单缸、二冲程、无压缩和电点火的煤气机，输出功率为0.74—1.47KW，转速为100r/min，热效率为4%）。并于1860年申请专利。里诺的煤气发动机以煤气和空气的混合燃烧取代了往复式蒸汽机的蒸汽，用电池和感应线圈产生电火花。这种发动机有气缸、活塞、连杆、飞轮等，已经初步具备了现代发动机的基本雏形，是内燃机的初级产品，为现代汽车发动机的出现打下了结构设计方面的基础。
煤气发动机虽然比蒸汽发动机具有很大的优越性,但在社会化大生产情况下,仍不能满足交通运输业所要求的高速、轻便等性能。因为它以煤气为燃料,需要庞大的煤气发生炉和管道系统。而且煤气的热值低(约1.75×107～2.09×107J/m3),故煤气机转速慢,功率比小。
三、四冲程理论：现代发动机的核心理论
法国工程师德罗沙认识到，要想尽可能提高内燃机的热效率，就必须使单位气缸容积的冷却面积尽量减小，膨胀时活塞的速率尽量快，膨胀的范围（冲程）尽量长。在此基础上，他在1862年提出了著名的等容燃烧四冲程循环：进气、压缩、                                              燃烧和膨胀、排气。 1876年，德国人奥托制成了第一台四冲程往复活塞式内燃机（单缸、卧式、以煤气为燃料、功率大约为2.21KW、180r/min）。在这部发动机上，奥托增加了飞轮，使运转平稳，把进气道加长，又改进了气缸盖，使混合气充分形成。这是一部非常成功的发动机，其热效率相当于当时蒸汽机的两倍。奥托把三个关键的技术思想：内燃、压缩燃气、四冲程融为一体，使这种内燃机具有效率高、体积小、质量轻和功率大等一系列优点。在1878年巴黎万国博览会上,被誉为“瓦特以来动力机方面最大的成就”。等容燃烧四冲程循环由奥托实现,也被称为奥托循环。
四、汽油发动机：现代汽车的开端
到19世纪下半叶,随着石油工业的兴起,用石油产品取代煤气作燃料已成为必然趋势。1886年1月29日，德国人奥姆勒和卡尔.本茨在里诺卧式气压煤气发动机以及四冲程理论的基础上制造出了第一台汽油发动机，使汽车正式进入汽油动力时代，1886年卡尔·本茨制造出世界上第一辆以汽油为动力的三轮汽车。该车装有卧置单缸二冲程汽油发动机,785CC容积,0.89匹马力,每小时行走15公里。该车前轮小,后轮大,发动机置于后桥上方,动力通过链和齿轮驱动后轮前进。该车已具备了现代汽车的一些基本特点,如电点火、水冷循环、钢管车架、钢板弹簧悬挂、后轮驱动、前轮转 向和掣动手把等。其齿轮齿条转向器是现代汽车转向器的鼻祖。当时,由于该车的性能还未完善,发动机工作时噪音很大,而传递动力的链条质量不过关,常常发生断裂,因而在汽车经过的道路上,人们看见的经常是人推车而不是人坐车。
五、柴油发动机：现代汽车的丰富
柴油发动机是燃烧柴油来获取能量释放的发动机。它是由德国发明家鲁道夫·狄塞尔于1892年发明的，柴油发动机的工作过程其实跟汽油发动机一样的，每个工作循环也经历进气、压缩、作功、排气四个行程。但由于柴油机用的燃料是柴油，其粘度比汽油大，不易蒸发，而其自燃温度却较汽油低，因此可燃混合气的形成及点火方式都与汽油机不同。
    柴油机在进气行程中吸入的是纯空气。在压缩行程接近终了时，柴油经喷油泵将油压提高到10MPa以上，通过喷油器喷入气缸，在很短时间内与压缩后的高温空气混合，形成可燃混合气。由于柴油机压缩比高（一般为16-22），所以压缩终了时气缸内空气压力可达3.5-4.5MPa，同时温度高达750-1000K（而汽油机在此时的混合气压力会为0.6-1.2MPa，温度达600-700K），大大超过柴油的自燃温度。因此柴油在喷入气缸后，在很短时间内与
空气混合后便立即自行发火燃烧。气缸内的气压急速上升到6-9MPa，温度也升到2000-2500K。在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转而作功，废气同样经排气管排入大气中。           
六、转子发动机：现代汽车的进一步丰富
1957年，德国人汪克尔发明了转子活塞发动机，这是汽油发动机发展的一个重要分支。转子发动机的特点是利用内转子圆外旋轮线和外转子圆内旋轮线相结合的机构，无曲轴连杆和配气机构，可将三角活塞运动直接转换为旋转运动。它的零件数比往复活塞式汽油少40%，质量轻、体积小、转速高、功率大。转子发动机直接将可燃气的燃烧膨胀力转化为驱动扭矩。与往复式发动机相比，转子发动机取消了无用的直线运动，因而同样功率的转子发动机尺寸较小，重量较轻，而且振动和噪声较低，具有较大优势。
  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（即汽缸壁的形状）似“8”字形。三角转子把汽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，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，这与往复运动式发动机的活塞与曲轴１：１的运动关系完全不同。
 
七、汽车发动机的类型主要有以下几种：（直列L，V型，水平对置，W型和转子发动机(三角活塞发动机,RE)）
1.直列式（line）简写以L表示，例如L4，L6等，一般排气量在2000cc以下的发动机大多采用此种结构。直列发动机(LineEngine)，它的所有汽缸均按同一角度肩并肩排成一个平面，它的优点是缸体和曲轴结构十分简单，而且使用一个汽缸盖，
制造成本较低，尺寸紧凑。直列发动机稳定性高，低速扭矩特性好并且燃料消耗也较少，但缺点是功率较低，并且不适合6缸以上的发动机采用。直列发动机在国产车中应用十分广泛，几乎所有中档以下国产车及采用四缸发动机的车型都是直列发动机。
优点：结构简单，成本低，稳定，运转平衡性好，体积小。
缺点：当排气量和汽缸数增加时，发动机的长度将大大增加
2. V型发动机，V型发动机汽缸采用V字形排列，将所有汽缸分成两组，把相邻汽缸以一定夹角布置一起，使两组汽缸形成有一个夹角的平面，从侧面看汽缸呈V字形，故称V型发动机。V型是最节省空间的排列方式。V型发动机的高度和长度尺寸小，在汽车上布置起来较为方便。尤其是现代汽车比较重视空气动力学，要求汽车迎风面越小越好，也就要求发动机盖越低越好。另外，如果将发动机长度缩短，便能为驾乘舱留出更大的空间。由于汽缸之间已相互错开布置，这便于通过扩大汽缸直径来提高排量和功率并且适合于较高的汽缸数。此外，V型发动机汽缸对向布置，还可抵消一部分振动，使发动机运转更平顺。V型发动机的缺点则是必须使用两个汽缸盖，结构较为复杂、成本较高。另外其宽度加大后，发动机两侧空间较小，不易再安排其它装置。其优点是运转稳定，尤其是V6 V8和V12 这三种V型发动机使用的最为广泛。许多豪华轿车都是使用这种发动机。V型发动机的长度和同
缸数的直列机比更短适用6缸以上的发动机，加上其中间有一个V型的夹角，可以放置进气，燃油喷注系统，更节省空间，当然结构也更复杂。
一般的V型发动机的夹角为90度，这样可以最好的抵消运转时的震动。
3.水平对卧式：上面提到V型汽缸拥有一个夹角，当夹角大到180度的时候，其实就不是V型了，而成水平排列，这就是水平对卧发动机。水平对置发动机的最大优点是重心低。由于它的汽缸为平放，因此降低了汽车的重心，同时又能让车头设计得又扁又低。这些因素都能增强汽车的行驶稳定性。此外，水平对置的汽缸布局是一种对称稳定结构，这使得发动机的运转平顺性比V型发动机更好，运行时的功率损耗也是最小。水平对置发动机一般为4缸或6缸其原理和V型发动机差不多，只是V型发动机的夹角达到180度这样的好处是降低了发动机重心，有利于操控。水平对置，其平衡性也非常的好，可是产生的震动是水平的，而不是像一般的汽车上下抖动其缺点的结构非常复杂，因为是水平对置，所以发动机的宽度较大，便需要短行程的发动机，而短行程发动机
的制造精度和难度会高很多。
4.W型发动机W在发动机技术上不一定是世界第一，但在发动机的汽缸排列方式上绝对是最能出花样的。W型与V型发动机相比可将发动机做得更短一些，曲轴也可短些，这样就能节省发动机所占的空间，同时重量也可轻些，但它的宽度更大，使得发动机室更满。W型发动机最大的问题是发动机由一个整体被分割为两个部分，在运作时必然会引起很大的振动。针对这一问题，大众在W型发动机上设计了两个反向转动的平衡轴，让两个部分的振动在内部相互抵消。
结论：时间的巨轮不断的前进，人们的生活水平不断提高，我觉得创新设计在生活中的意义与作用就是概念与实现。首先在生活中的意义，就好像车展里的概念车一样，有太阳能车，有电池车，为将来的资源短缺和生态环境做好基础，使空气更清新，使人们更方便快捷, 创新设计在生活中是非常重要的，发动机经过不断的创新和机构的改造使得它功率越来越大，转速越来越快，能量损失越来越小，噪音污染越来越小。发动机创新设计的意义是更优质，更环保，更加协调人们生活作贡献。作用是更方便，更快捷，更实用，更节省能源。