第二节 机体组构造
机体是发动机的骨架和外壳，曲柄连杆机构、配气机构以及发动机各系统许多零部件和辅助系统的元件都安装在机体上。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。它是发动机的固定件，是发动机形状尺寸的主要决定因素。
机体组由气缸体、曲轴箱、气缸盖、气门盖罩、主轴承盖、气缸垫以及油底壳等零件组成。镶气缸套的发动机，机体组还包括干式或湿式气缸套。
一、气缸体
气缸体是发动机各个机构和系统的装配基体，并由它来保持发动机各运动件相互之间的准确位置关系。水冷式发动机通常将气缸体与上曲轴箱铸成一体，简称气缸体，如图2-3a所示。气缸体上半部有若干个为活塞在其中运动导向的圆柱形空腔，称为气缸。下半部为支承曲轴的上曲轴箱，其内腔为曲轴运动的空间。在上曲轴箱上制有主轴承座孔，有的发动机还制有凸轮轴轴承座孔。为了这些轴承的润滑，在侧壁上面铸有主油道，前后壁和中间隔板上铸有分油道。
气缸体的上、下平面用以安装气缸盖和下曲轴箱，是气缸修理的加工基准。在发动机工作时，气缸体要承受较大的机械负荷和较复杂的热负荷，气缸体的变形会破坏各运动件之间准确的位置关系，导致发动机技术状况变坏，使用寿命缩短，因而要求气缸体应具有足够的刚度、强度和良好的耐热、耐蚀性。一般气缸体采用灰铸铁、球墨铸铁或合金铸铁制造，有些发动机为了减轻质量、加强散热而采用铝合金制造。
大众直喷发动机缸体是用含有片状石墨的铸铁制造的。它采用的是“open-deck design”设计。这种设计的理念是气缸的水套的开口向上，这样可以使得温度比较高的气缸上部分的冷却效果更好。
在采用顶面敞开式结构的同时，气缸盖与气缸体还采用了分开循环回路冷却，能够可靠地解决曲轴箱通风和冷却液中掺杂空气泡的问题。
在气缸盖用螺栓拧紧的情况下，压紧力通过气缸盖螺栓传入气缸体曲轴箱，由此引起气缸筒的变形，使之偏离理想的圆度，限制了与活塞环的贴合程度而导致较高的机油消耗量。顶面封闭式气缸体曲轴箱的气缸筒的变形（花瓣形）如图2-3b所示，而图2-3c表示的是顶面敞开式气缸体曲轴箱的气缸筒的变形，无论是失圆度还是总的绝对变形量，顶面敞开式结构的都要小得多。
这种长裙式气缸体曲轴箱选择片状石墨铸铁（GJL）作为材料，以便即使在2.17MPa的高平均有效压力下也能确保在任何时候都能够绝对可靠地运转。为了降低制造成本，这种薄壁的气缸体曲轴箱采用卧式浇注工艺进行铸造。平均壁厚为（3±0.5）mm，在局部范围内需要视应力大小而适当加大壁厚。这种灰铸铁气缸体曲轴箱的质量只有29kg（不含主轴承盖），在该功率等级汽油机中是非常轻的。
片状石墨铸铁缸体的运行表面应用了液体射流研磨加工工艺。液体射流和光滑研磨是已知的两级研磨工艺的进一步发展，即在原工艺基础上加上两个工作过程。在第一个新的工作过程，消除缸套表面的任何变形及在磨削中产生的缺陷和合金裂缝。由此产生了基本上没有金属缺陷的金属表面。在最后的工作过程，将射流或其他原因造成的遗留粗糙表面磨削至最高光洁水平。这种磨削工艺缩短了发动机磨合时间，也减少了机油消耗。
图2-3 大众直喷发动机气缸体
a）片墨铸铁气缸体曲轴箱 b）顶面封闭式气缸筒的变形 c）顶面敞开式气缸筒的变形
图2-4 气缸壁等离子涂膜
大众迈腾1.8TSI直喷发动机气缸壁应用等离子喷涂，如图2-4所示。等离子气体在流出时由电弧点燃，等离子束温度约为11700℃，流度可高达600m/s，等离子束中喷射的是涂层粉末（50%合金钢，50%钼），涂层粉末被加热到约2500℃，速度加速到150m/s，动能会转换成塑性变形，液态涂层会嵌入到缸壁的不平处。在固化后，涂层和缸壁就形成良好的结合收缩应力，还可产生与缸壁的附着力。
优点：
1）与铸造气缸套相比质量可减轻1kg。
2）涂膜厚度只有0.085mm。
3）减小摩擦力和磨损。
无论是缸套气缸工作面还是等离子涂层气缸工作面都要经过珩磨，由此会产生彼此相连的网纹，机油就保存在这些网纹中，以保证足够的润滑，活塞环推开网纹中的机油，与气缸工作面接触（混合摩擦），造成磨损。网纹的沟槽压印得不那么深，平坦的表面上有小凹坑，微腔就包含在等离子涂层中，机油就存于这些微腔中，使得活塞环浮起（液力润滑），如图2-5所示。
气缸体的构造与气缸排列形式、气缸结构和曲轴箱形式有关。
（1）气缸的排列形式 直列式、V型和水平对置式。
①直列式。各气缸排成一列的称直列式气缸，如图2-6所示，其特点是机体的宽度小而高度和长度大，一般只用于六缸以下的发动机。通常把采用直列式气缸排列的发动机称为直列式发动机。六缸直列式发动机的平衡性最好，发动机工作时不产生振动。
图2-5 微腔系统
图2-6 直列式
②V型。所谓V型发动机，简单地说就是将所有气缸分成两组，把相邻气缸以一定夹角布置在一起（左右两列气缸中心线的夹角γ<180°），使两组气缸形成一个有夹角的平面，从侧面看气缸呈V字形（通常的夹角为60°），故称V型发动机，如图2-7所示。目前有V4、V6、V8、V10、V12、V16等机型。V型发动机机体宽度大，而长度和高度小，形状比较复杂。但机体的刚度大，质量和外形尺寸较小。
一些厂家也设计了一种特殊V型结构即W型发动机，是将V型发动机的每侧气缸再进行小角度的错开，就成了W型发动机。或者说W型发动机的气缸排列形式是由两个小V形组成一个大V形，两组V型发动机共用一根曲轴。它看上去与V型结构很像，但与V型结构相比，每一侧的活塞数增加了一倍，结构紧凑，较小的尺寸却有较大的动力。W型用在较重负荷的车辆，这些车辆需要10缸或12缸的动力，但却要求尺寸较小。
③水平对置式。水平对置发动机指的是气缸水平相对排列。发动机活塞平均分布在曲轴两侧，在水平方向上左右运动。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，发动机安装在整车的中心线上，两侧活塞产生的力矩相互抵消，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，减少噪声，如图2-8所示。保时捷除Cayenne（卡宴）、Panamera（帕纳梅拉）外全系和斯巴鲁全系车型均采用此排列形式。
图2-7 V型
a）V型 b）W型（奥迪W12）
图2-8 水平对置式
低重心：产生的横向振动容易被支架吸收、有效地将全车较重的发动机重心降低，更容易达到整体平衡。
低振动：活塞运动的平衡良好（180°左右抵消）。相比直列式，在曲轴方面所需的平衡配重因素减少，有助于转速提升。它能保持650r/min的低转速，并保证发动机平稳的工作，与其他形式发动机相比，油耗最低。
（2）气缸结构 气缸结构形式也有3种，即无气缸套式、干式气缸套和湿式气缸套。
①无气缸套 即不镶嵌任何气缸套的机体，在机体上直接加工出气缸，如图2-9所示。其优点是可以缩短气缸中心距，从而使机体的尺寸和质量减小。另外，机体的刚度大，工艺性好。其缺点是为了保证气缸的耐磨性，整个铸铁机体必须用耐磨的合金铸铁制造，这就既浪费了贵重材料又提高了制造成本。气缸内表面经珩磨加工成深度为4～6.5μm的网纹，以改善气缸的润滑性和磨合性。如CA488-3、捷达EA827、桑塔纳JV、夏利TJ376Q等发动机都采用无气缸套的气缸体。
②干式气缸套 指的是在一般灰铸铁的气缸座孔内压入或装入干式气缸套，如图2-10所示。干式气缸套不与冷却液接触。用合金铸铁离心铸造的干式气缸套壁厚度为2～3mm，而精密拉深的钢制气缸套厚度仅为1.0～1.5mm。干式气缸套外圆表面和气缸套座孔内表面均须精加工，以保证必要的形位精度和便于拆装。气缸套与座孔的配合，现在多采用动配合，其间隙为0.017～0.037mm。镶嵌干式气缸套的优点是机体刚度大，气缸中心距小，质量轻和加工艺简单。缺点是传热较差，温度分布不均匀，容易发生局部变形。
图2-9 无气缸套式机体
图2-10 干式气缸套机体
图2-11 湿式气缸套机体
③湿式气缸套的气缸套外壁与冷却液直接接触，如图2-11所示。用合金铸铁制造的湿式气缸套的壁厚一般为5～8mm。利用湿式气缸套的上、下定位环带A、B实现其径向定位，而轴向定位一般是靠气缸套上部凸缘与机体顶部相应的支承面。湿式气缸套下部用1～3道耐油的橡胶密封圈进行密封，防止冷却液泄漏。气缸套顶要高出机体顶面0.05～0.15mm。这样拧紧气缸盖螺栓时，大部分压紧力作用在气缸套凸缘上，使其与气缸盖衬垫和机体支承面贴合得非常紧密，起到防止气缸漏气和水套漏水的作用。湿式气缸套的特点是机体上没有封闭的水套，容易铸造，传热好，温度分布比较均匀，修理方便，不必将发动机从汽车上拆下来，就可以更换气缸盖。缺点是机体刚度差，容易漏水。湿式气缸套广泛应用于柴油机上，也有部分汽油机采用，如凯迪拉克V8、BJ492发动机等应用。
水冷式气缸周围和气缸盖中均有用以充冷却液的空腔，称为水套。气缸体和气缸盖上的水套是相互连通的，利用水套中的冷却液流过高温零件的周围而将热量带走。
（3）曲轴箱结构形式 曲轴箱结构形式有一般式、龙门式和隧道式3种。
①一般式指的是机体底平面与曲轴轴线齐平，如图2-12所示。这种气缸体的优点是机体高度小，重量轻，结构紧凑，便于加工，曲轴拆装方便；但其缺点是刚度和强度较差，如CA488-3汽油机。
②龙门式指底平面下沉到曲轴轴线以下的机体，如图2-13所示。它的优点是强度和刚度都好，能承受较大的机械负荷；但其缺点是工艺性较差，结构笨重，加工较困难，如捷达轿车、富康轿车、桑塔纳轿车采用的发动机。
③隧道式。这种形式的气缸体曲轴的主轴承孔为整体式，采用滚动轴承，主轴承孔较大，曲轴从气缸体后部装入，如图2-14所示。其优点是结构紧凑、刚度和强度好，但其缺点是加工精度要求高，工艺性较差，曲轴拆装不方便，如国产6135Q型柴油机。
图2-12 一般式气缸体
图2-13 龙门式气缸体
图2-14 隧道式气缸体
二、气缸盖
气缸盖的作用是封闭气缸上部，并与活塞顶部和气缸壁一起形成燃烧室。
气缸盖是发动机上最复杂的零件之一。气缸盖内部有与气缸体相通的水套；有进、排气门座及气门导管孔和进、排气通道；有燃烧室、火花塞座孔或喷油器座孔；上置凸轮轴式发动机的气缸盖上还有用以安装凸轮轴的轴承座。
大众2.0L直喷发动机采用可以改善冷却功能的四气门横流式气缸盖。进气道由涡旋板分成上部进气道和下部进气道。气门采用两个上置式凸轮轴来控制，这两个凸轮轴支承在一个抗扭曲梯形框架内。高压喷油阀的支座集成在缸盖内，这样高压喷油器就直接伸到燃烧室内了，如图2-15所示。
气门室盖密封配气机构等零部件，防止灰尘污染机油或灰尘进入加快气门传动机构的磨损。有的气门室盖上有加机油口和曲轴箱通风管接口，有的气门室盖用铝合金铸造或薄钢板冲压制成，与气缸盖结合面加上橡胶衬垫。
高尔夫A6的气门室盖由塑料制成，并带有一个永久的弹性密封垫。气门室盖中包含有用于曲轴箱通风的压力调节阀和内部机油分离器，如图2-16所示。
为保证高温高压燃气的密封，气缸盖用多个缸盖螺栓以一定拧紧力矩紧固到气缸体上。气缸盖螺栓的拆装顺序一般采用对称法：装配时，由中间向两端逐个对称拧紧；拆卸时，则由两端向中间逐个对称拧松。几乎所有发动机都明确规定了气缸盖螺栓的拧紧力矩并要求分几次拧紧至规定值。铝合金气缸盖应在发动机冷态下按规定力矩拧紧，铸铁气缸盖应在热态下再拧紧一遍。这样气缸盖要承受多个缸盖螺栓的紧固力和高温高压燃气产生的机械负荷和热负荷，同时，复杂的缸盖结构使铸造残留应力难以彻底消除。因此要求气缸盖必须要有足够的刚度、强度才能保证发动机正常工作。
气缸盖材料一般采用优质灰铸铁、合金铸铁或铝合金铸造。轿车上多采用铝合金气缸盖。导热性好，有利于提高发动机的压缩比。其次，铸造性能优异，适于浇注结构复杂的零件。但必须注意铝合金气缸盖的冷却，控制其底平面的温度在300℃以下。否则，底平面一旦过热将产生塑性变形翘曲。
图2-15 气缸盖
图2-16 气门室盖
1.气缸盖的结构形式
汽车发动机气缸盖的结构形式有两种：整体式和分开式。
整体式气缸盖是指多缸发动机的多个气缸共用一个缸盖。整体式缸盖结构紧凑，零件数少，可缩短气缸中心距和发动机总长度，制造成本低。当气缸数不超过6个，气缸直径小于105mm时，均采用整体式气缸盖。
分开式气缸盖是指一个、两个或三个气缸共用一个缸盖。这种结构刚度较高，变形小，易于实现对高温高压燃气的有效密封，同时易于实现发动机产品的系列化。但气缸盖零件数增多会使气缸中心距增大，一般用在缸径较大的发动机上。
2.燃烧室
燃烧室由活塞顶部及气缸盖上相应的凹部空间组成。对燃烧室有如下基本要求：一是结构尽可能紧凑，冷却面积要小，以减少热量损失和缩短火焰行程；二是使混合气在压缩终了时具有一定的涡流运动，以提高混合气混合质量和燃烧速度，保证混合气得到及时和充分燃烧；三是表面要光滑，不易积炭。
（1）汽油机常用燃烧室形状有以下三种：楔形、盆形和半球形，如图2-17所示。
1）楔形燃烧室结构较简单、紧凑，气门斜置，气道导流较好，充气效率较高。在压缩终了时能形成挤气涡流，因而燃烧速度快，燃烧质量较好，用于每缸两气门发动机上。
2）盆形燃烧室结构也较简单、紧凑，气门平行于气缸轴线，可形成挤气涡流。但气门尺寸受到限制，影响换气质量，因而燃烧速度稍慢，燃烧质量稍低，用于每缸两气门发动机上，如捷达EA827、奥迪100等。
图2-17 汽油机燃烧室
3）半球形燃烧室结构较前两种更紧凑，气门成横向Ⅴ形排列，因而气门可以做得较大，换气好。火花塞通常位于燃烧室的中部，火焰行程短，燃烧迅速完全。但没有挤气涡流，低速性能较差，因进、排气门位于气缸盖两侧，使配气机构较复杂，多用于高速发动机。
（2）柴油机的燃烧室 由于柴油机的混合气形成和燃烧都是在燃烧室内进行的，所占的时间又非常短促，因此要求燃烧室形状、空气运动和喷油系统之间的最佳匹配。燃烧室的造型和喷油器的布置确定了混合气的形成方式，根据这两个特性可以将燃烧室分为分隔式燃烧室和直喷式（统一式）燃烧室，这两类燃烧室造型的特性又可以进一步区分。
1）统一式燃烧室。由凹顶活塞顶部与气缸盖底部所包围的单一内腔，几乎全部容积都在活塞顶面上。燃油自喷油器直接喷射到燃烧室中，使喷出油柱的形状和燃烧室形状匹配，以及燃烧室内空气涡流运动，迅速形成混合气，所以又叫做直接喷射式燃烧室。缸盖底面是平的，活塞顶部下凹（ω形、浅盆形、球形、U形）。
①ω形燃烧室：柴油直接喷射在活塞顶的浅凹坑内，喷射的柴油雾化要好，而且要均匀地分布在空气中。要求喷射压力高，一般17～22MPa，还要求雾化质量高，因此，采用多孔喷油器，孔数一般为6～12个，如图2-18所示。
优点：形状简单，结构紧凑，燃烧室与水套接触面积小，散热少，可减少热损失，热效率高，经济性较好。
缺点：工作粗暴，喷射压力高，制造困难，喷孔易堵。
图2-18 ω形燃烧室
②球形燃烧室：空气由缸盖螺旋形进气道以切线方向进入气缸，绕气缸轴线做高速螺旋转动，并一直延续到压缩行程。喷油器沿气流运动的切线方向喷入柴油，使绝大部分柴油直接喷射在燃烧室壁面上形成油膜。小部分柴油雾珠散布在压缩空气中，并迅速蒸发燃烧，形成火源。油膜既受灼热的燃烧室壁面的加温，又受已燃柴油的高温辐射，逐层蒸发，与涡流空气边混合边燃烧，如图2-19所示。
优点：工作柔和，噪声小，又叫轻声发动机。
图2-19 球形燃烧室
缺点：起动困难，螺旋形进气道，结构复杂，制造困难。分隔式燃烧室由两部分组成，一部分位于活塞顶与气缸底面之间，称为主燃烧室，另一部分在气缸盖中，称为副燃烧室。这两部分由一个或几个孔道相连。
2）分隔式燃烧室的常见形式有涡流室式燃烧室和预燃室式燃烧室两种。
①涡流室式燃烧室。它的副燃烧室是球形或圆柱形的涡流室，其容积约占燃烧室总容积的50%～80%，涡流室有切向通道与主燃烧室相通，如图2-20所示。在压缩行程中，气缸内的空气被活塞推挤，经过通道进入涡流室，形成强烈的、有组织的高速旋转运动。柴油喷入涡流室中，在空气涡流的作用下，形成较浓的混合气。部分混合气在涡流室中着火燃烧，已燃与未燃的混合气高速（经通道）喷入主燃烧室，借助于活塞顶部的双涡流凹坑，产生第二次涡流，促使进一步混合和燃烧。要求：顺气流方向喷射，由于涡流运动促进了混合气的形成与燃烧，可采用较大孔径的喷油器，喷射压力也较低（12～14MPa）。
优点：工作柔和，空气利用率较高，喷射压力也较低。
缺点：热损失大，经济性差，起动困难。
②预燃室式燃烧室。缸盖上有预燃室，占燃烧室总容积的1/3，预燃室与主燃室有通道，如图2-21所示，活塞为平顶。
图2-20 涡流室式燃烧室
图2-21 预燃室式燃烧室
因为通道不是切向的，所以压缩时不产生涡流。连通预燃室与主燃室的孔道直径较小，由于节流作用产生压力差，使预燃室内形成紊流运动，油束大部分射在预燃室的出口处，只有少部分与空气混合（出口处较浓，而上部较稀），上部着火后，产生高压，已燃的和出口处较浓的混合气一同高速喷入主燃烧室，在主燃烧室内产生强烈的燃烧扰流运动，使大部分燃料在主燃烧室内混合和燃烧。优缺点与涡流室式燃烧室基本相同。
三、气缸垫
气缸垫用来保证气缸体与气缸盖结合面间的密封，防止漏气、漏水、漏机油。
气缸垫接触高温（高压气体和冷却液），在使用中很容易被烧蚀，特别是缸口卷边周围。因此要求气缸垫应具有足够的强度，耐热；不烧损或变质，耐腐蚀；具有一定的弹性，能弥补接合面的不平度，以保证密封；使用寿命长。
气缸垫接触高温、高压气体和冷却液，在使用中很容易被烧蚀，特别是缸口卷边周围。因此要求气缸垫应具有足够的强度，耐热；不烧损或变质，耐腐蚀；具有一定的弹性，能弥补接合面的不平度，以保证密封；使用寿命长。气缸垫的厚度需要根据发动机的型号选择，以便提高压缩比的精度。气缸垫的厚度主要依据活塞突出气缸体的高度来确定。有的发动机用气缸垫边缘的缺口加以区分，图中“B”表示气缸垫的厚度为1.40～1.50mm，“D”表示厚度为1.50～1.60mm，“F”表示厚度为1.60～1.70mm。
目前应用较多的有以下几种气缸垫。
①金属复合材料衬垫是在钢板两面粘附耐热、耐压和耐腐蚀的新型复合材料，在气缸孔、冷却液孔和机油孔周围用不锈钢皮包边。
②全金属衬垫强度高，抗腐蚀能力强，多用于强化程度较高的发动机，如图2-22所示。图中所示的气缸衬垫为优质铝板气缸衬垫，冷却液孔用橡胶环密封。而不锈钢叠片式气缸衬垫的结构，冷却液孔用橡胶环密封。它需要在密封的气缸孔、水孔、油道口周围冲压出一定高度的凸纹，利用凸纹的弹性变形实现密封。
③国外一些发动机开始使用耐热密封胶取代传统的气缸垫，这种发动机对气缸盖和气缸体结合面的平面度要求极高。
气缸垫安装时，应注意将缸垫的卷边朝向易修整的接触面或硬平面。如气缸盖和气缸体同为铸铁时，卷边应朝向气缸盖（易修整）；当气缸盖为铝合金，气缸体为铸铁时，卷边应朝向气缸体（硬平面），气缸衬垫带有文字面朝上安装。
图2-22 气缸衬垫
四、油底壳
油底壳的主要功用是储存机油以及封闭机体和曲轴箱。
大众直喷发动机的油底壳用铝合金（AlSi12Cu）制成。其内部安装了机油泵并且额外地加强了曲轴箱的强度（底板效应）。油底壳的上部件通过螺栓紧固在曲轴箱上并且两者之间涂敷了液体密封剂。油底壳下部件由薄钢板（深度拉深、冲压并经表面处理）制成。其内部安装油位传感器G266和放油螺栓。油底壳的下部件通过螺栓紧固到油底壳的上部件并且两者之间涂敷了液体密封剂。油底壳内集成了一个用聚胺材料制成的蜂窝状内芯，此内芯能够在车辆以运动模式行驶时防止机油形成漩涡，如图2-23所示。
五、发动机的支承
发动机通过气缸体和飞轮壳或变速器壳支承在车架上。一般支承方法有三点支承和四点支承两种，如图2-24所示。所谓三点支承即前端点通过曲轴箱支承在车架上，后端两点通过变速器壳支承在车架上。四点支承则为前端两点通过曲轴箱支承在车架上，后端两点通过飞轮壳支承在车架上。
为了消除汽车在行驶中车架的变形对发动机的影响，以及减少传给底盘和乘员的振动和噪声，发动机在车架上的支承采用弹性支承。
