发动机基本结构和参数影响发动机的输出功率和转矩，影响汽车的动力性与经济性。下面主要分析影响发动机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4-2所示。一般用L来表示发动机的排量。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发动机排量密切相关。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4-3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。

图4-2 单缸发动机排量

图4-3 发动机压缩比

一般地说，发动机的压缩比越大，在压缩行程结束时混合气的压力和温度就越高，混合气的燃烧速度越快，混合气的燃烧效率也越高，因而发动机的功率也就越大，经济性也越好。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。

汽油发动机着火方式是点燃式，压缩比低；柴油发动机着火方式是压燃式，压缩比高。轿车的汽油发动机压缩比通常为8～11，柴油发动机压缩比通常为18～23。

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，压缩比为7.5～8.5应选用90～93号车用汽油，压缩比为8.5～10.0应选93～95号车用汽油。

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；排量为1～2.5L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形直线排列的方式，如图4-4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缸发动机也呈直线排列方式，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。

（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4-5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。

图4-4 直列四缸发动机

图4-5 V形8缸发动机

（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。图4-6为奥迪A8发动机W12采用的新型缸体W形发动机，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。

（4）水平对置发动机 水平对置发动机如图4-7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。

图4-6 发动机所有的气缸呈W形对置排列

图4-7 水平对置发动机

图4-8 转子发动机结构示意图

（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，与传统的往复活塞式发动机的直线运动方式迥然不同。

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外齿轮啮合，外齿轮固定在缸体上不转动，内齿圈与外齿轮的齿数之比为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。输出轴的转速是转子自转速度的3倍，具体结构如图4-8所示。

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”，因为氢燃烧后排出的是水蒸气，对环境没有任何污染。马自达公司将转子发动机装配在马自达HR-X汽车上，用氢做燃料，1m³的燃料箱可吸储相当43m³的压缩氢气，以60km/h的车速可行驶230km。现在，马自达已经在其使用氢气与汽油两种燃料的“RX-8 Hydrogen 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速度。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。

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，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，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。(www.daowen.com)

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。

图4-9 顶置凸轮轴发动机

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，转速可达5000r/min以上，为保证进、排气效率，都采用顶置式凸轮轴，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，省略了气门的推杆和挺柱，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4-9所示。更重要的是，这种安装方式可以减少整个往复运动系统的质量，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形气缸排列，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品牌发动机所采用。

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可以减小发动机质量并且有利于散热 采用全铝缸盖和缸体可以减小发动机质量并且有利于散热，从而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比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，如图4-10和图4-11所示。缸盖是铝合金、缸体是铸铁的发动机，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2L四缸发动机和通用的新型直列四缸发动机等都采用铝合金制造。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，这款发动机被应用在哈飞路宝和昌河爱迪尔上，并取得了很大的成功。

图4-10 铝合金发动机缸体

图4-11 铝合金发动机缸盖

以前的汽车发动机也采用全铝缸盖。缸盖的重量不大，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。

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，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显得尤为重要，因为较轻的前轴负荷可以改善汽车的操控性能。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。

（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，进气管是另外一个质量很大的部件。特别当今流行的结构更为复杂的可变长度进气管，其质量相当大。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：价格便宜、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，如图4-12所示。

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反感的噪声。因此，许多豪华车都没有采用这种材料制造进气管。

奔驰选择镁合金制造进气管。这种材料比铝更轻，但它价格比较昂贵，而且耐高温能力差。实践证明，空气在镁合金制造的进气管内流动，要比在塑料管的噪声小得多。

图4-12 树脂材料进气管

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。

（3）铝合金活塞和铸铁气缸套配合减小摩擦系数 发动机的性能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，只能采用高强度钢来制造。

在高转速发动机上，通常都用铝合金来制造活塞（图4-13）。减轻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，成本不是非常昂贵，主要问题在摩擦阻力。发动机运转的时候，活塞与气缸壁之间产生摩擦，而铝材和铝材之间的摩擦系数是很高的，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，目前最主要的解决办法是在铝制的气缸体内镶一个铸铁的气缸套（图4-14），让铝合金活塞不与铝制的气缸壁直接接触。

图4-13 铝合金活塞

图4-14 铝合金气缸体内镶铸铁缸套

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，活塞采用铝合金制造。这样活塞与气缸壁之间的摩擦阻力比全铸铁发动机要小得多，它的动力得到了很大程度的提高，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。

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。

图4-15 钛合金连杆

（4）采用钛合金连杆提高发动机转速 钛是一种质量很轻，强度很大的金属材料，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采用钛合金来制造连杆（图4-15），以提高发动机的转速，如兰博基尼的Diablo、法拉利的F355/360M/550M、保时捷的911 GT3等。因为提高了发动机的转速，从而提高了发动机的动力性。