发动机是如何工作的

01

把推力变成旋转

眼前是汽车发动机的一个气缸，已经剖开。活塞在一根圆筒里上下滑动。它上方有两个气门，还有一个火花塞或喷油器，具体是哪个取决于燃料。它下方的连杆把活塞连到曲轴上，而曲轴最终带动车轮转动。

整个原理一句话就能说完：在密闭空间里烧燃料，让高温气体把活塞推下去，再把这股推力变成旋转。发动机里的其他一切，都是为了把这件事干净利落地一遍遍重复下去。

这个过程按四步循环往复，每一步叫一个冲程。角落里的表盘显示发动机正处在循环的哪个位置。模型以慢动作运行：真实的汽车发动机怠速时每分钟约转800圈，最高转速还能达到这个数的八倍。

拖动模型可以四处查看，在模型上滚动可以缩放。继续往下读，视角会跟着文字变化。

02

四个冲程

一个冲程，就是活塞从气缸顶部走到底部，或者从底部回到顶部。最高点叫上止点，最低点叫下止点。之所以叫“止点”，是因为活塞会在那里停顿一瞬，然后换向。

1. 进气

   进气门打开，活塞下行，腾出的空间把新鲜气体吸进来。汽油机吸入的是已混入燃油的空气，柴油机吸入的只是空气。

   演示进气

2. 压缩

   两个气门都关闭，活塞上行，把缸内气体压缩到原来体积的十分之一甚至更小。气体一受压就会升温，所以还没开始燃烧，它就已经有好几百度了。

   演示压缩

3. 做功

   快到顶部时，缸内气体被点燃。汽油机靠火花塞跳火。柴油机则把燃油喷进已经热到足以点燃它的空气里。燃烧的气体膨胀，猛地把活塞推下去。只有这个冲程产生动力。

   演示做功

4. 排气

   排气门打开，上行的活塞把燃烧后的废气推出去，气缸又可以开始下一轮了。

   演示排气

留意气体的颜色：新鲜气体进来时是冷的，受压后越来越热，燃烧时闪出橙色，离开时变成灰色。

03

推一次，转两圈

每个冲程对应曲轴转半圈，所以四个冲程要转整整两圈，也就是720度。这就是表盘数到720而不是360的原因。

每个循环里，活塞会两次到达顶部：一次在0°，处于排气和进气之间；另一次在360°，此时缸内气体被点燃。活塞自己分不清这两次，只有气门和火花知道哪次是哪次。

四个冲程里只有一个在推。吸气、压缩、排气都要消耗功，这三个冲程里，发动机得靠别的力量带着走。运动部件的惯性承担一部分，其余交给飞轮：它是装在曲轴末端的一个沉重圆盘，在做功冲程中储存能量，在另外三个冲程里再释放出来。

所以单缸发动机运转起来一顿一顿的：每转两圈才猛推一次，中间什么都没有。割草机靠沉重的飞轮来抹平这种顿挫。汽车则增加气缸数，后面会讲到。

04

气门与凸轮

每个气门都像一个蘑菇形的塞子。气门弹簧把它紧压在气门座上，让它保持关闭；凸轮则负责把它顶开。凸轮是旋转轴上一个蛋形的凸起。凸起转过来时，把气门往下压进气缸；转过去后，弹簧又把气门拉回关闭。

每个气门在一个循环里只开一次，而一个循环是曲轴转两圈。所以凸轮轴的转速只有曲轴的一半，由正时皮带或链条驱动。看看凸轮：曲轴转两圈，它才转一圈。

如果气门恰好在止点开关，发动机就会“喘不过气”。气体有质量，让它流动起来需要时间，所以开关的时刻要往两头拉长。排气门提前打开，远在下止点之前，好让仍带压力的废气自己冲出去。进气门推迟关闭，远在下止点之后，因为活塞开始回升时，空气仍在往里涌。

在顶部附近，排气和进气交接的时候，两个气门会同时打开一小会儿。这段气门重叠让流出的废气顺势把新鲜气体带进来。

05

点燃混合气

燃烧不是一瞬间完成的。在汽油机里，火焰从火花塞开始，用几毫秒扩散到整个燃烧室，这段时间里曲轴已经转过了不小的角度。推力在刚过上止点时最有用，所以火花必须提前跳：大约在上止点前10～40度。

提前多少取决于转速。无论发动机处于什么工况，火焰需要的时间都差不多；但转速越高，曲轴在这段时间里转过的角度越大，所以转速升高时，点火提前角也要加大。点得太早，压力会顶着还在上行的活塞。点得太晚，压力只能追着已经下行的活塞跑。

柴油机没有火花塞。压缩把空气加热到约700 °C以上，在上止点前不久，喷油器把燃油喷进去。燃油要花一点时间蒸发、着火，这段短暂的间隔叫着火延迟；之后，喷进多少就差不多烧掉多少。燃烧随喷油过程持续展开，而不是由一道火焰锋面一下子扫过整个燃烧室。

图表展示了结果。汽油机的压力在刚过顶部时冲上一个尖峰。柴油机一开始就压缩得紧得多，而且在活塞开始下行时，燃烧还能把压力维持住。

06

从往复到旋转

连杆把活塞连到曲轴上一根偏离轴心的销上，这根销叫曲柄销。曲柄销绕圈转动时，连杆把活塞的直线推力变成旋转，就像你的腿蹬动自行车踏板一样。

活塞的运动并不是一条平滑的正弦曲线。曲柄销摆到侧面时，连杆随之倾斜，把活塞拉得比曲柄销本身下降得更多。曲轴转到90度时，活塞已经走过一半多：86毫米的行程走了约50毫米。所以活塞在上止点附近比在下止点附近跑得快，而且曲轴还没转到90度，它就已经达到最高速度。

在3,000转/分时，这个最高速度约为14米/秒，而活塞每转一圈都要两次急停、再反向。曲柄销对面装有沉重的平衡块，用来平衡曲柄销和连杆的旋转质量，免得发动机把自己震散架。

07

压得多紧

压缩比是活塞在下止点时上方的空间，与活塞在上止点时剩下的空间之比。压缩比为10:1时，气体被压进原来十分之一的空间里。

压缩比越高，燃烧气体就能膨胀得越充分，更多热量变成推力：同样的燃料，做更多的功。那为什么不压得更狠一些？汽油机是把燃油和空气一起压缩的，而压缩会让它们升温。压得太过，部分混合气会在火焰到达之前自行着火，引发尖锐的爆震，严重时能让活塞开裂。所以汽油机的压缩比通常在大约9～13:1。

柴油机只压缩空气，所以不存在提前着火的问题，而且它正需要这份热量：空气必须热到足以点燃燃油。柴油机的压缩比在约14～22:1。

在这一节，模型停在上止点。调高压缩比时，你可以看到活塞上方的间隙逐渐变小。

08

汽油机还是柴油机

两种发动机走的是同样的四个冲程。区别在于燃油怎样进入气缸，以及靠什么点燃。

柴油机效率更高，原因有三。它压得更狠，每一滴燃油都能做更多的功。它燃烧稀薄，空气远比燃油所需的多。而且它没有节气门，不会白白费力，隔着半关的阀片吸气。

汽油机转得更高，也更平顺。火花一跳，混合气立刻就能燃烧，火焰传播也快。它的压力较低，零件可以做得更轻，高速运转也不在话下。柴油机则要等燃油混合、着火，而一旦着火，压力会骤然跃升，这正是它那熟悉的“哒哒”声的来源。

演示汽油机 演示柴油机

混合动力车把这样一台发动机和一台电动机配在一起：电动机帮它出力，在用不着它时让它熄火，还能在刹车时回收能量。不过这一章，本讲解暂时还没有。

09

四个气缸

一个气缸每转两圈推一次。四个气缸共用一根曲轴，各自处在循环的不同位置，就能每转半圈推一次：每180度就有一个做功冲程，而不是每720度一次。曲轴受到的推力平稳得多，飞轮也就可以轻得多。

曲柄销的排布让1号和4号活塞同步运动，2号和3号活塞也同步运动，但方向相反。外侧一对上升时，内侧一对下降，它们主要的上下作用力就相互抵消了。

Pistons that move together are never on the same stroke. When piston 1 fires, piston 4 is at the top too, finishing its exhaust. The cylinders fire in the order 1-3-4-2, which alternates between the ends of the crankshaft and spreads the pulses evenly along it.

单缸 直列四缸