作者：[日]御堀直嗣
出版社：北京图灵文化发展有限公司
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汽车是怎样跑起来的试读：
本书的结构
本书由两部分共9章构成，第1部分包括第2章～第7章，第2部分包括第8章～第9章。每章内容由热身问答、本章重点、本章看点、正文以及专栏组成。
●热身问答
每章开头都有一个简单的问答，内容与该章的主题有关。因此，请在阅读正文前小试牛刀。
●本章重点
这部分是正文内容的总括，可以让读者粗略了解本章内容。
●本章看点
这部分分条罗列了正文内容，可以让读者了解讲解的顺序。
●正文
在这部分中，我将把驾驶员转动钥匙启动发动机、踩下加速踏板发动汽车等日常驾驶操作与汽车内部结构的运转相关联，一一进行详细的介绍。汽车的结构和零件比较复杂，但本书使用了大量插图，因此简洁易懂。
●专栏“汽车辟谣”
这部分选取了与汽车结构相关的话题为汽车辟谣。通过汽车杂志的年轻记者与其上司之间的对话，揭开谣言背后的真相。
第1章 汽车的五大要素
热身问答
阅读正文前，让我们先回答下面的问题来热热身吧。
问题
汽车大约由多少个零件组成？
1.约2000个
2.约2万个
3.约20万个
答案
2.约2万个
解析
通常认为汽车由大约2万个零件组成，其中铁制零件占绝大多数。虽然统称为铁，但构成车体框架的车架和塑造整体车型的车身部分使用的是钢板，变速器等箱体部分使用的是将铁熔化并注入模具做成的铸件。
此外，发动机和悬架使用铝，布线使用铜等金属，净化废气的催化剂使用白金等贵金属。
再看一下汽车内部，使用较多的是合成树脂（plastic）。合成树脂通常是以石油为原料，通过人工化学合成。近年来也使用一些以植物为原料、可再生的生物塑料。木质内饰使用原木（如红木等）和胶合板，座椅使用化学纤维、真皮和人造革。与普通房屋的窗玻璃不同，车窗玻璃即使受到撞击也很难破裂。即使破裂，其碎片也不锋利，很难伤到人。
轮胎由橡胶制成，这种橡胶由以石油为原料的化学合成橡胶和取自橡胶树的天然橡胶混合而成。在橡胶内侧加入化学合成纤维和钢丝，就构成了轮胎的框架。
这些常见的零件，再加上所有的螺丝钉，大概有2万件之多。
本章重点
汽车由发动机、变速器和制动器（即刹车）等相互独立、数量众多的装置组合而成。了解这些装置极为重要。汽车生产商们也致力于这些装置的改进，但是，仅关注每个装置的结构和功能，有可能无法理解这一装置在汽车整体中的作用。因此，为了能让大家先形成对汽车的整体印象，在第1章里，我将有条理地为大家说明汽车的要素和顺序。
从第2章开始，我将逐一详细介绍汽车的装置。随着阅读的深入，你可能会无法理解每个装置之间的关系，这时可以返回第1章寻找答案，同时请回想一下汽车行驶时的整体状态。第1章是基础章节，请大家务必反复阅读。
本章看点（1）汽车的五大要素
介绍汽车的五大要素。好汽车都很好地实现了这五大要素的平衡。（2）使汽车运转的物理原理
汽车很好地利用了基础物理原理。我将列举身边的例子来探究汽车和物理之间的关系。（3）汽车行驶、转向直至停车的过程
介绍汽车行驶、转向，直至停车的大体顺序，方便大家形成对汽车的整体印象。
1.1 汽车的五大要素
1.1.1 行驶、转向和停车一直以来，汽车厂商不断追求高性能，以优化汽车行驶、转向、停车三方面的体验。从19世纪德国人卡尔·本茨发明了世界上第一辆汽车以来，人们一直在设法改进行驶、转向和停车的机制。可以说，汽车发展的历史，就是以上三方面性能不断优化的过程。
赛车运动也源于汽车的发展，赛车中优胜的荣耀正来源于一种追求——对汽车行驶、转向和停车性能的不断改进。例如，今天的F1
[1]赛车仍在探寻如何跑得更快，如何更加顺畅地转向，必要时刻如何及时停车。并且，全世界都在关注他们在汽车性能方面的竞争。
提高了行驶、转向和停车的性能之后，人们开始期待汽车变得更加舒适，并且开始注重其安全性。无法保证安全性能的汽车随时可能发生事故、产生故障，肯定不会舒适。舒适性和安全性是相辅相成的。
进入20世纪后，出现了专为寻常百姓制造的福特T型车，从此，舒适性和安全性开始受到人们的关注。要想普及汽车，舒适性和安全性是不可或缺的两大要素。在此之前，汽车只是用于满足一部分人的好奇心和冒险心的交通工具，直到20世纪初，汽车还处于萌芽期，人们关注的还只是行驶、转向、停车等基本要素。
从少数人的猎奇品到寻常百姓的交通工具，在汽车的发展过程中，舒适性和安全性逐渐成为重要因素。行驶、转向和停车这三大要素，加上舒适性和安全性，构成了汽车的五大要素（图1.1）。无论是由发动机驱动的汽车，还是由发动机和电力共同驱动的混合动力汽车以及电动汽车等新型汽车，都具备这五大要素。图1.1 汽车的五大要素1.1.2 五大要素密切协作
汽车的五大要素是密切相关的，舒适、安全的汽车应该会很好地实现行驶、转向、停车这三个基本要素。
能够紧贴地面行驶，加速、转向顺畅，停车及时的汽车肯定是舒适的。例如，汽车不会随着道路的起伏而上下颠簸。又或者，如果汽车的方向盘足够灵敏，汽车就能够在紧急时刻迅速转向，避免摩擦和碰撞。
如果汽车的制动系统随时都能够正常工作，即使在关键时刻踩下制动踏板紧急刹车，轮胎也应该不会打滑。制动系统使汽车及时停下，或至少能够充分减速，减轻碰撞的冲击。
因此，汽车的五大要素不是各自独立的，而是互相影响。其中的任何一个都无法独揽大局。没有性能短板、整体运转协调的汽车才称得上是真正的好车。
说句题外话，以上所述也是选车的关键。汽车的某一个性能突出，可能意味着其他方面存在缺陷。反之，各方面性能较为平衡的汽车，才能使人们感受到持续的满足和快乐。
1.2 使汽车发动的物理原理
1.2.1 汽车因热而动、因热而停为了实现这五大要素，一台汽车需要由大约2万个零件组成。搭载着复杂的装置，通过各装置间的密切协作，汽车才能行驶、转向和停车。在详细讲解各个装置之前，我想先谈一谈我常常思考的“汽车究竟是什么”这一问题。
汽车是与物理密切相关的交通工具。说到这儿，大家可能会排斥道：“讲什么物理呀？我又不是理科生。”先别急。虽说汽车行驶遵循的是物理原理，但我会以日常生活中谁都会经历的事情为例来解释。我讲的这些连孩子们都懂，所以不要搞得像是在学校学习课本一样。
首先，我常常觉得“汽车因热而动、因热而停”是一件很有意思的事情。转动汽车钥匙，首先会启动发动机。这里我先简单介绍一下发动机的结构（图1.2）。图1.2 发动机的结构
由汽缸和活塞组成，燃烧汽油和空气混合而成的混合气体，利用混合气体的膨胀产生旋转力。
发动机中有汽缸和活塞，汽油在汽缸中的燃烧室内进行燃烧。由汽油和空气混合而成的混合气体被送入燃烧室内，燃烧发热后膨胀。
气体（混合气体）膨胀下压活塞，从而带动活塞下的轴转动。发动机输出的旋转力传递到轮胎，使轮胎转动。这样一来，汽车便“因热而动”了。
那么停车时又是怎样的呢？是用制动器使轮胎停止转动的。制动时，制动垫夹住与轮胎一起转动的制动盘。接着，盘和垫之间就会产生摩擦，摩擦产生热量（图1.3）。图1.3 制动器将摩擦热释放到空气中，汽车停止行驶
踩下制动踏板，附着在制动卡钳里侧的制动垫夹住与轮胎一起转动的制动盘。两者摩擦产生热量，进而被释放到空气中。
这与天冷的时候摩擦双手就会暖和是一样的道理，因为双手摩擦会产生热量。制动盘与制动垫相互摩擦，生成的热量被释放到空气中。
这样一来，通过将旋转轮胎转化成的热量释放到空气中，使汽车减速直至停止。不只是汽车，自行车等的制动原理也是一样，即“因热而停”。
汽车的确是“因热而动、因热而停”的交通工具，是通过反复进行热交换来实现行驶和停车的。电动汽车等不使用发动机的汽车不是因热而动，但与发动机汽车一样，是“因热而停”。1.2.2 轮胎也受“热”的影响
具备行驶、转向、停车这三大要素的汽车，其轮胎也与“热”有着密切的联系。轮胎是汽车与路面的唯一接触点，是解释“热”对汽车的重要性的关键所在。
轮胎由黑色橡胶制成。这种橡胶受热时会产生黏性，冷却时会变硬。受热时会变软，更容易紧贴地面，即处于所谓的“抓地力强”的状态。相反，冷却时变硬，不容易紧贴地面，抓地力就弱。汽车行驶时轮胎与地面接触产生弹性变形，橡胶因摩擦而生热，从而使得轮胎的抓地力变强。在高速公路上行驶时，你不妨中途在服务区停车，亲手摸一下轮胎的触地面，会感觉有点儿烫。
比赛用胎是轮胎橡胶受热影响的极端例子。当轮胎触地面的橡胶温度达到大约80度时抓地力（黏着力）最强。在汽车行驶过程中，轮胎与地面频繁接触，橡胶温度极速升高，抓地力也不断增强。相反，由于在升温的过程中前轮胎抓地力是很弱的，便催生出了在赛前使用类似电热毯等布罩包裹轮胎以提高其温度的策略。
另外，冬天使用的无钉防滑轮胎采用了一种特殊的橡胶，即使在冰上也能保持柔软性。轮胎与地面接触时，柔软性好的橡胶易产生弹性变形，从而更容易摩擦生热，增强轮胎的抓地力。用手指按一下无钉防滑轮胎触地面的橡胶就会发现它非常柔软，手指很容易陷进去并且留下指痕。相反，用手指按一下买车时配备的标准轮胎（业界称为夏季轮胎）的触地面，就很难留下指痕。
无钉防滑轮胎采用的是质地柔软的橡胶，在炎炎夏日的柏油路上会因过于柔软而绵软无力，很难行驶。之所以区别春夏秋时使用的标准轮胎（即夏季轮胎）和在冬天（特别是在下雪和结冰时）使用的无钉防滑轮胎，原因就在于此。
总之，只有充分利用轮胎所用橡胶的特性和热量，汽车才能正常行驶。1.2.3 借助作用力与反作用力转向
接下来，我将讲述汽车是如何充分利用“作用力与反作用力”这一物理原理的。学文科的人或许又会抱怨啦：“又来了！”就请再稍稍忍耐一下吧。
与之前讲过的“热”一样，作用力与反作用力也是日常生活中我们能够真切感受到的物理原理。“热”和“作用力与反作用力”都是汽车利用到的重要物理原理。
驾驶员转动方向盘使汽车转向时，轮胎需要克服离心力。克服离心力的力量来自于轮胎触地时摩擦产生的抓地力。
这样一来，摩擦就发挥了阻力的作用。就如同即使托盘稍稍倾斜，玻璃杯也不会滑落一样，都是摩擦在发挥作用。在玻璃杯即将滑落时，摩擦会充当阻力的角色，防止其滑落。
思考一下托盘和玻璃杯的关系就会发现，抓地摩擦即为使车停止的阻力。轮胎却利用这一阻力加速、转向和前进。
还记得在学校学过的“作用力与反作用力”吗？老师肯定讲过：“你用手推墙，会感觉到墙也在推你。”用手推墙，墙虽不动，推的人却能感觉到一股墙好像也在推自己的反弹力（图1.4）。这就是“作用力与反作用力”。图1.4 作用力与反作用力
人们把这种反弹力称为阻力。即使对方不是墙而是人，也能感到“对方也在推自己”或者说“受到反弹力”。通过阻力或者反弹力，人们被推向用力方向的相反方向。同样，这一现象也会发生在轮胎与地面之间。轮胎与地面之间产生的摩擦变为阻力，抵抗轮胎的旋转，从而转化为汽车前进的动力。
如果没有摩擦生成的阻力，轮胎就无法推动汽车前进。摩擦产生的抓地力越大，阻力越大，汽车就能更快地行驶和转向。
路面有雪或结冰时轮胎容易打滑，不易行驶，这是因为水会减小轮胎与地面之间的摩擦（产生反作用的阻力）。人在用手拿物品时，如果手上有水或者油，就容易打滑，很难拿住物品。相反，如果手和物品之间没有水和油，摩擦就会变大，也不会打滑，就能很牢固地拿住物品。
由于摩擦能够防滑，因此在干燥的柏油路上不易打滑。因为路面阻力大，所以汽车容易加速。
为了实现行驶、转向、停车这三大要素，汽车很好地利用了“作用力与反作用力”以及之前所讲的“热”等基本物理原理。之所以在本章开头说“汽车是与物理密切相关的交通工具”，就是因为汽车遵循了上述基本原理。1.2.4 充分利用物理原理采取安全措施
在提高安全性方面，汽车同样充分利用了物理原理。
之前所讲的轮胎与路面间的摩擦，实际上是有限度的（图1.5），表示这一限度的图形叫做摩擦圆。汽车处于摩擦极限以下，即以摩擦圆内侧的速度行驶是安全的。但如果加速至超过摩擦极限，转向时汽车就会飞离路面。之所以雨天因打滑引起的交通事故多发，就是因为汽车超过了摩擦极限。尽管速度很慢，但水减小了轮胎与路面间的摩擦。图1.5 轮胎的摩擦圆
摩擦圆表示轮胎的摩擦限度。如果轮胎受到的力超过摩擦极限，汽车就无法正常行驶。摩擦圆的大小取决于路面状况。
回想一下我们之前讲过的托盘和玻璃杯的例子。即使托盘稍稍倾斜，玻璃杯也不会滑落。但是如果倾斜幅度较大，就很容易滑落。托盘倾斜幅度的大小，就类似于汽车的超速程度。那么，如果在托盘上洒些水会出现什么情况呢？只要托盘稍稍倾斜，玻璃杯就会滑落。这是因为托盘和玻璃杯之间有水，防滑的摩擦就会减小，即使托盘稍稍倾斜，玻璃杯也会滑落。总之，充当阻力角色的摩擦极限会依实际情况而变。
最近，汽车都配备了驾驶辅助系统。在面临危险等紧急时刻时，它可以运用电子控制系统进行自动调节，以防汽车超出摩擦极限。看[2]似平坦的柏油路，其实表面上或有起伏，或有检修孔，或有白线。为了解其影响，行驶过程中传感器会检测时时变化的轮胎与路面摩擦的关系。并且，当汽车即将超过轮胎与路面间的摩擦极限时，驾驶辅助系统会通过控制加速器或启动制动器自动减速，保证汽车紧贴路面。
即便如此，轮胎产生的力也无法超出原有的抓地力。驾驶辅助系统不是魔法，只是遵循并最大限度地利用物理原理的一种手段。
发生撞击事故时的安全措施也利用了物理原理。汽车通过破坏车体（使之变形）来缓解冲击力，反向利用了“作用力与反作用力”，即受到撞击时，为使反作用力不伤及人身安全，受到撞击变形的车身吸收了部分冲击力，以此缓冲来自外界的强大的力量。
安全气囊也是同样。当乘员的上半身撞到装满空气（实际上是氮气）的气球状的安全气囊时，气球就会变形。通过其变形减小反作用力，从而将受伤几率控制在最小范围内。这也是应用了“作用力与反作用力”。1.2.5 汽车巧用物理
如前所述，汽车的制造充分利用了物理原理。利用产生“热”的力以及连孩子们都能感受到的“作用力与反作用力”等简单的物理原理，汽车才能行驶、转向和停车。掌控各个动作的装置，分别是发动机和动力传动系（行驶），方向盘（转向）和制动器（停车）。
有助于实现“舒适性”的悬架、保证安全性的电子控制系统以及吸收撞击力的车身，都是在利用物理原理发挥其作用。汽车制造技术，是充分利用物理原理的结果。
因此，作为一种交通工具，为满足行驶、转向、停车、舒适性和安全性这五大要素，汽车充分利用了各种物理原理。虽然汽车生产商们想方设法开发各种最新技术，但其作用的发挥，都离不开上述物理原理。
1.3 汽车行驶、转向直至停车的过程
1.3.1 动力传动系驱动汽车从第2章开始，我将逐个详细介绍汽车的五大要素：行驶、转向、停车、舒适性和安全性。第1部分包括第2章～第7章，介绍汽油动力车。第2部分包括第8章～第9章，介绍电动汽车和混合动力汽车等新一代汽车。
在详细介绍各要素的过程中，你或许无法形成对汽车的整体印象。为了避免这种情况，我先大体解释一下汽车行驶、转向、停车这三大要素的实现顺序。为了使你能够追随结构理解这一过程，我就以目前的主流汽车——汽油动力车为例进行介绍。
首先是行驶。顾名思义，行驶指的是汽车发动、加速并保持一定速度前进的过程。在此过程中，动力传动系发挥了重要作用。它是将发动机输出的旋转力传递至轮胎的装置。
请看图1.6。这是发动机前置、后轮驱动的后轮驱动车（FR，Front Engine Rear Drive）的透视图。此外，根据发动机和驱动轮所在的不同位置，还有前轮驱动车（FF，Front Engine Front Drive）、后置后驱车（RR，Rear Engine Rear Drive）和中置后驱车（MR，Midship Engine Rear Drive）等类型，以后我还会详细介绍各车型。由于后轮驱动车的装置结构简单易懂，所以本书全部以后轮驱动车为例进行讲解。图1.6 汽车的动力传动系
以后轮驱动车为例
请看图1.6透视图中间的驾驶室。你能看到前面的发动机室里装着发动机吗？由燃料（汽油等）和空气混合而成的混合气体在发动机内燃烧，因热膨胀的气体产生下压活塞的力。下压力使轴旋转，即为发动机所做的功。紧接着，旋转力传递至动力传动系。
从发动机到后轮，动力传动系依次包括离合器、变速器、万向节、差速器和传动轴。你可以与图1.6中的着色部分一一对应。
离合器负责切断发动机输出的旋转力。当驾驶员踩下离合器踏板时，旋转力被切断，位于离合器后面的变速器的齿轮也会分离。
由于齿轮的分离，旋转力完成变速，并通过万向节传递至差速器。在差速器中，由多个齿轮组合而成的装置，其旋转力将从发动机径直传向差速器并左右分散，通过传动轴传至后轮。由此，后轮轮胎转动，汽车才能行驶。1.3.2 转向系统实现汽车转向
众所周知，“转向”即为改变汽车的行驶方向。转向时，是转向系统在发挥作用。所谓转向系统，是指通过转动方向盘改变前进方向的装置，由方向盘、转向轴、转向齿轮箱和横拉杆组成。
请看图1.7。你能看到在驾驶室中方向盘的位置吗？它前面连着的轴就是转向轴。
转向轴的前方连着的小箱子就是转向齿轮箱。方向盘的转动经过转向轴传递至转向齿轮箱。
在转向齿轮箱中装有一个齿轮组，转动方向盘后是通过齿轮组来调整汽车行驶的方向的。图1.7 汽车的转向系统
横向传递径直传来的旋转力，在某种意义上它与动力传动系中差速器的传递路径相似，都是通过齿轮组结构，将纵向传递来的力横向传递出去。
在转向齿轮箱中，将左右方向的移动转变为横向移动，并通过一种被称为横拉杆的连接棒传递至刹住前轮的车轴，从而改变前轮方向。由此，汽车改变了前进方向，完成了转向。1.3.3 制动液传递制动压力，使轮胎停止转动
现在让我们来看一下“停车”。所谓停车，是指汽车减速直至停止的过程。在这一过程中，是制动器在发挥作用。如图1.8所示。
在驾驶室的方向盘下，有一个制动踏板（实际上是有三个踏板，中间的是制动踏板）。根据杠杆原理，当驾驶员踩下制动踏板时，位于驾驶室和发动机室之间的制动器主汽缸的活塞就开始运动。活塞的下压会给制动器主汽缸内的制动液施加压力，压力通过制动管道传递至4个轮胎。图1.8 汽车的制动系统
在轮胎内侧，可以看到有圆盘状的制动盘和夹住制动盘的制动卡钳。受到压力的制动液将压力传递至制动卡钳，下压汽缸中的活塞。活塞受力，制动垫就会从两边夹住制动盘。受到制动垫左右夹击的制动盘因摩擦生热，热量随即被释放到空气中。这样一来，汽车降低了速度，不久就会停止行驶。
以上就是汽车的行驶、转向和停车三大要素的大体顺序。从下一章开始，我将从驾驶员转动钥匙启动发动机开始，更加详细地依序介绍汽车的结构。
汽车辟谣
世界上最早的汽车真的是三轮车吗？“铃铃铃”，编辑的电话响了。编辑：到德国了吗？[3]
记者：嗯，现在在斯图加特呢。我刚知道世界上最早的汽车居然是三轮车！
编辑：真的吗？快给我仔细讲讲，不然我可不信。
记者：120年前，也就是19世纪，1886年1月29日这天，卡尔•本茨在德国获得了汽油动力车的专利。世界上最早的发动机汽车就诞生了，它就是三个轮子的。
编辑：真想不到它是个汽车。结实吗？
记者：当然啦。大概因为乍一看像一辆异形马车，当时它还被称为“无马马车”呢。
编辑：那为什么是三轮的呢？马车可是四个轮子。[4]
记者：同为德国人的戈特利布•戴姆勒给马车装上发动机改造而成的汽车确实是四个轮子的。最早发明三轮汽车的卡尔•本茨却认为，马车的两个前轮由一根车轴连接，并通过这一整体来改变行驶方向，因为人需要很大的力量转动方向盘才能改变前轮的方向，因此只适合由马牵引，而不适用于汽车。而且他认为拐急弯的时候很容易翻车。
编辑：别说得就好像你见过卡尔•本茨似的。那三个轮子的就不容易翻车了吗？
记者：当然啦，速度越快越容易翻车。但是本茨那辆最早的车，车速仅为每小时15公里。
编辑：那么慢啊？！
记者：是啊。和马拉车的速度一样。这车确实是用来代替马车的。
编辑：我知道了，接着说吧。
记者：翻车的危险还好说，关键是人得能够轻松掌控方向盘。来德国后，我还试了试卡尔•本茨三轮车的仿制车，掌控方向盘确实很重要。
编辑：有仿制车吗？
记者：生产了几台。据说日本的丰田博物馆里就有一台。
编辑：那是什么时候变成四轮车的呢？
记者：发明三轮车7年后，也就是在1893年，卡尔•本茨发明的第二辆车就是四轮的。
编辑：花了很长时间啊。
记者：四轮车的前轮驱动结构也运用在了现在的汽车上。转弯时，四个轮子的转弯半径各不相同。司机会结合弯道的实际情况决定方向盘的转动程度，以改变前轮的转弯角度。
编辑：原来如此。这还真是项大发明啊！
记者：卡尔•本茨不仅发明了汽车以取代马车，还力图给汽车提速，并且希望汽车能够更加安全顺利地转弯。他的丰功伟绩至今仍广为传颂，大概就是因为这个吧。
编辑：真有趣。快写成报道传给我。我可一直等着像卡尔•本茨这样有深度的报道呢。
记者：哎呀，真是有难度啊。注释
[1].一级方程式大奖赛（Grand Prix Formula One，F1）是目前世界上速度最快、费用最昂贵、技术含量最高的比赛，也是方程式汽车赛中最高级别的比赛。——译者注
[2].锅炉、下水道供人出入检修用的出入口。——译者注
[3].德国西南部城市。——译者注
[4].德国工程师和发明家，现代汽车工业的先驱者之一。——译者注第1部分汽油动力车篇
第2章～第7章讲解汽油动力车的结构。汽车在发动机中燃烧汽油，产生使轮胎转动的力，进而通过切换齿轮向前行驶。随后转动方向盘转向，最终踩下制动踏板停车。在这一部分，我将介绍汽车进行这些动作时的内部机制以及保证汽车安全舒适的技术。第2章 行驶——发动机是汽车的心脏
热身问答
阅读正文前，让我们先回答下面的问题来热热身吧。
问题
下列哪个国家的哪位发明家最先发明了发动机？
1.卢森堡的艾蒂安·勒努瓦
2.法国的阿尔方斯·比奥·德罗夏
3.德国的尼古拉斯·奥古斯特·奥托
答案
1.卢森堡的艾蒂安·勒努瓦
解析
出生于卢森堡的勒努瓦在1859年发明了二冲程燃气发动机。
发动机有二冲程和四冲程之分。二冲程是指活塞每上下往复一次，燃烧一次，而四冲程是指活塞每上下往复两次，燃烧一次。汽车业界将二冲程和四冲程分别简称为二冲和四冲。本书将以汽车中使用较多的四冲程为例进行讲解。
勒努瓦发明的二冲程燃气发动机，其所用燃料不是汽油等液体，而是气体。据说它最初不是汽车的发动机，而是为工厂提供动力的固定装置，当时制造了400多台。1861年，搭载这一发动机的世界上最早的汽艇完成了环塞纳河航行，这在当时备受关注。
1863年，也就是勒努瓦发明二冲程发动机的两年之后，法国人阿尔方斯•比奥•德罗夏发明了四冲程发动机，它也是燃气发动机。
13年后，即1876年，奥托在德国获得了四冲程发动机的专利。所以也有说法称，奥托之所以获得专利，是因为他发明了四冲程发动机。
虽然我们问题的正确答案是“卢森堡的艾蒂安•勒努瓦”，但也请不要忘记德罗夏和奥托。因为如果没有他们两人，也就没有我在本章中要讲解的四冲程燃气发动机了。
本章重点
在第2章中，我将讲解驱动汽车的动力源——发动机的结构。发动机由多个零件构成，它们相互作用产生几马力到几百马力不等的力量驱动汽车。在本章中，我会依序解释发动机如何燃烧汽油、如何将燃烧产生的“热量”转化为驱动汽车的“旋转运动”。那么，让我们从转动汽车钥匙启动发动机开始说起吧。
本章看点（1）启动发动机
为启动静止的发动机，首先需要使起动机（电子启动器）开始运转。转动点火开关钥匙，起动机开始运转，随即启动发动机。我将首先解释一下起动机的功能。（2）将空气与汽油混合后的混合气体送入发动机
转动起动机启动发动机后，空气与汽油混合后的混合气体会被吸入发动机内的汽缸。我将解释混合气体是如何产生并被充分吸入汽缸的。（3）压缩混合气体，开始点火
活塞压缩吸入的混合气体，随即开始点火。接着，混合气体极速燃烧，在汽缸内膨胀，下压汽缸中的活塞。这样一来就形成了活塞的上下运动，由上下运动产生发动机的旋转力。我会详细解释这一过程。（4）净化废气，减小噪声
混合气体燃烧后会排出废气。废气中含有对人体有害的成分，需要清除有害气体。并且，燃料燃烧时会发出声音，需要减小噪声。我将讲解一下废气的净化和减小噪声的方法。（5）发动机所用的技术
通过（1）～（4）了解发动机的基本运转原理后，我会在最后介绍一下市售的实体汽车发动机所采用的技术。利用这些技术，发动机就能够更强力、更高效、更顺畅地运转，从而使汽车跑得更快。（6）从空转到加快发动机的转速
发动机开始运转时，如果司机踩下加速踏板，则加快发动机的转速，汽车就会开动。我会介绍加速时油门打开、发动机转速加快的状态。
那么，请坐到车里吧，我将从发动机的启动开始讲解。2.1 启动发动机2.1.1 从点火开始
驾驶员用钥匙打开车门，坐到驾驶座上。接着将钥匙插入方向盘旁边的钥匙孔，向右转动。这样一来，就给汽车通了电。我们将这个动作称为点火。
之所以最先给汽车通电，是为了启动发动机、使用车内的空调和音响等电器。点火可以让汽车接入主电源。
智能钥匙系统
如今，从小型汽车到高级汽车，都采用了利用电波的电子钥匙（即智能钥匙）。当汽车的信号接收器收到钥匙发出的电波时，系统会通过判断信号和预先设定好的识别代码（ID代码）是否一致，来决定是否开启车门。如果手持电子钥匙离开车数米，车门会自动上锁。
每当钥匙的信号发送器和汽车的信号接收器之间传递信号时，识别代码会自动更新，并在下次传递前保持不变。因其组合数量有一亿之多，从而加强了汽车的防盗性能。
使用电子钥匙，就不需要通过将钥匙插进钥匙孔来开关车门。将电子钥匙拿进车内，按下发动机启动按钮，或者转动发动机启动把手，即可点火。
想要开启空调时，可以在点火后打开空调开关。同样，想要启动发动机时，只需将转至点火位置的钥匙再往右转一下，即可启动发动机。
众所周知，发动机是汽车的心脏，而汽车是燃烧汽油的（照片2.1）。那发动机为什么需要通电呢？实际上是为了在最开始时，让汽油进入发动机内的汽缸。用电推动起动机转动，使发动机空转，从而将汽油导入汽缸。照片2.1 汽油发动机
照片由丰田汽车提供2.1.2 四冲程发动机的结构
下面我就来解释一下启动发动机后，是如何将汽油吸入发动机内的汽缸的。为了解释这一结构，我需要先讲解一下发动机是如何工作的。
发动机内有汽缸和活塞（图2.1），活塞与连杆相接，连杆连接着活塞和曲轴。活塞在汽缸中进行上下往复运动，带动连杆，从而使曲轴转动，这就是发动机的基本结构。曲轴的转动沿着传递路径（将在第3章中进行介绍），最终到达轮胎（车轮）。这样一来，发动机的转动带动轮胎旋转，从而驱动汽车。图2.1 发动机的构造
下面我想简单介绍一下活塞的往复运动。活塞的往复运动包括进气、压缩、膨胀和排气四个冲程（图2.2）。因为有四个冲程，所以我们称这类发动机为四冲程发动机。在这一过程中活塞上下往复，带动曲轴转动。图2.2 四冲程发动机
重复进气、压缩、膨胀、排气四个冲程
首先是进气。在这一阶段，空气与汽油混合后的混合气体被吸入汽缸，我们称之为进气冲程。此时，汽缸中的活塞向下运动。
接着是压缩。此时降至下止点的活塞逐渐上升，压缩汽缸中的混合气体，我们称之为压缩冲程。
然后是膨胀。活塞升至上止点时，压缩后的混合气体被点燃，开始迅速燃烧。随后，气体膨胀下压活塞。我们称这一过程为膨胀冲程。
最后是排气。在这一阶段，混合气体燃烧后残留的煤烟被排出汽缸，我们称之为排气冲程。此时，在膨胀冲程中降至下止点的活塞再次上升，并随其上升向外排出煤烟。排气结束时会返回到最初的进气冲程，再次重复压缩、膨胀、排气和进气，带动活塞上下运动。
在四冲程发动机中，直至四个冲程全部完成，活塞总共上下往复了两次。活塞在进气时下压，压缩时上升，膨胀时下压，排气时上升。活塞上下往复两次，带动曲轴转动两次。也就是说，四冲程发动机每[1]燃烧一次混合气体，活塞往复两次，曲轴转动两次。即燃烧一次转动两次。这就是四冲程发动机。2.1.3 将活塞的上下运动转化为曲轴的旋转
在四个冲程的反复中，活塞的上下往复是如何转化为曲轴和轮胎的旋转运动的呢？让我来解释一下。
在这一过程中，汽缸、活塞、连杆和曲轴发挥了重要作用。正如图2.1所介绍的，连杆连接着汽缸内的活塞和曲轴。而将活塞的往复运动转化为旋转运动的关键，就是这四个零件中的曲轴。
如图2.3所示，曲轴是一根凹凸不平的轴。凸出的部分连接着连杆的一端，连杆负责将活塞的运动传递至曲轴。活塞上下运动带动连杆上下运动。接着，连杆下压曲轴的尾部，曲轴开始旋转。这样一来，活塞的往复运动就转化为了曲轴的旋转运动。图2.3 将活塞的上下运动转化为曲轴的旋转
让我们再具体看一下。当活塞下压时曲轴的凸出部分也跟着下压，活塞上升时凸出部分也随之向上旋转。接着，活塞再次下压，曲轴的凸出部分也随之旋转下压。这样就形成了曲轴的旋转运动。曲轴凹凸不平的形状有利于其旋转。2.1.4 启动发动机前先使曲轴转动
到此为止，想必你已经明白了活塞的往复会带动曲轴旋转了吧。也可以说只有曲轴持续旋转，活塞才能不断进行往复运动。如果曲轴不旋转，就无法吸入混合气体，更不能使活塞上升、压缩混合气体。正是因为有了曲轴的旋转，活塞才能上升、压缩、燃烧，完成四个冲程。
那么，怎样才能启动四冲程发动机呢？这就回到了启动发动机时为何需要通电这一话题。为了开始进气和压缩这两个冲程，必须利用外部力量促使活塞上下运动，开启四冲程。也就是说，启动时需要有一个相反的动作，即先用起动机促使曲轴旋转，再带动活塞上下运动。
为使曲轴旋转，需要利用蓄电池带动起动机转动。这就是我在本章开头讲到“点火后，再往右拧一下钥匙”时汽车内部发生的动作。[2]
起动机的转动带动曲轴旋转，活塞进而开始往复运动 。接着，发动机开始空转。活塞下压时发动机内汽缸中的气压下降，产生吸力，从而将空气和汽油混合后的混合气体吸入汽缸中。随即进入最开始的进气冲程。
发动机真是个奇妙的装置：逆于常序启动发动机，发动机启动后又以常序驱动汽车。接下来将要介绍的蓄电池也运用了类似的可逆原理。2.1.5 用蓄电池供电
之前已经讲过，启动发动机时，需要使用起动机带动曲轴旋转。给起动机供电的电源，就是蓄电池。蓄电池多位于发动机室中，也有一些汽车将其置于后备箱里。
图2.4展示了蓄电池的结构。树脂外壳中排放着薄而平的铅板，铅板浸泡在稀释过的硫酸（稀硫酸溶液）中。蓄电池利用铅板和硫酸间的化学反应来放电。铅和硫酸反应生成硫化铅，产生电子从而放电。图2.4 蓄电池的结构
利用化学反应，反复充电放电。
蓄电池就是这样利用化学反应来放电的装置。当化学反应的次数达到一定数量时，蓄电池就无法放电了。因此，需要经常给蓄电池充电。反向进行铅板和稀硫酸溶液之间的化学反应，将蓄电池还原至本来的状态。如果不充电，蓄电池就无法放电，即处于所谓的“瘫痪”状态。
给蓄电池充电使用的是交流发电机，它是一种依靠发动机动力运转的发电机。启动发动机后，交流发电机持续发电。将其产生的电通入蓄电池，就能保证蓄电池持续放电。
就像我在讲曲轴时所说的那样，蓄电池也是利用可逆原理发挥其作用的。
讲到这里，可能有人会问：既然有了发电机，那发动机启动后不就不需要蓄电池了吗？这样讲也有道理。
但是，交流发电机是小型发电机，其发电能力无法满足汽车全部的用电需要。不仅发动机点火时需要强劲的电力，汽车上还有数量众多的电器，如空调、音响、导航、电动车窗、雨刮器、前灯、刹车灯等也同样需要。
蓄电池对汽车来说意义非凡，汽车依赖蓄电池。你可以把交流发电机看作是防止蓄电池“瘫痪”的装置。
如前所述，如今的汽车配备了数量众多的电器，因此需要使用容量更大的蓄电池。除了这些必要的电器外，如果还想增加其他装置，就需要考虑蓄电池的容量了。电力不足可能会使蓄电池无法给点燃混合气体的火花塞供电，从而导致发动机停止工作。
在雨夜里你可能会遇到这种情况：开着前灯、雨刮器、空调和导航，一边听着耗电量大的音响，一边在堵车的道路上缓慢前行。这时就有可能会出现交流发电机供不上电、行驶中蓄电池“瘫痪”的状况。此时，你只需关闭其中任何一个正在耗电的电器即可。
让我们从发动机启动开始，再确认一遍汽车的发动顺序。蓄电池放电，转动起动机，起动机带动发动机空转，发动机进入进气冲程开始启动。发动机启动后，只需将向右拧至启动电动机状态的钥匙再往左拧一下，即可点火。2.2 将空气与汽油混合后的混合气体吸入发动机2.2.1 雾化汽油，生成混合气体
发动机启动时，空气和汽油的混合气体被吸入汽缸。接下来我将讲解这种混合气体是如何生成的。
汽油是液体，这自不必说。那么，如何将液体的汽油与空气混合呢？物体的燃烧有三个必要条件：可燃物、助燃物（氧气）、点火源。缺少其中任何一个条件，燃烧都无法进行。
在发动机中，汽油是可燃物，助燃物——氧气存在于空气中，点火源来自于火花塞释放出的电火花。之后我还会详细讲述如何利用火花塞引燃混合气体，在这里我先讲一下混合气体的生成方法。
汽化程度越高，液体汽油越容易与空气混合，因此就出现了燃料喷射装置。2.2.2 将燃料注入汽缸的“燃料喷射”
燃料喷射装置先给汽油加压，从喷嘴的喷出口处喷出汽油蒸汽。这是为了将液体制成细小颗粒以提高其汽化程度。
这就类似于人们缩拢双唇用力喷出含在嘴里的水。水喷出时会变成水雾，通过开闭喷出口，能够调整喷射汽油的时机。实际上，与其说是喷出口，倒不如说是阀门的开闭决定了喷射时机。为了提前给汽油加压，需要用到泵。并且，为了尽快改变汽油的浓度，有必要暂时储存加压后的汽油。
顺便说一下，雾化燃料进行喷射的方法，早先是运用在柴油发动机而不是汽油发动机上。柴油发动机所用的燃料是轻油，不如汽油干燥。因此需要施加更大的压力并强力喷出，才能将其雾化。而且，柴油发动机和汽油发动机燃烧混合气体的方法不同。柴油发动机最初只将空气吸入汽缸，压缩空气后才供给燃料进行燃烧。因此，比起柴油发动机，燃料喷射更适用于汽油发动机以及更高级的发动机。2.2.3 燃料喷射包括直接喷射和吸气管喷射
燃料喷射有间接喷射和直接喷射两种方法。其中，直接喷射一般简称为直喷，想必大家也听说过这种说法，但我们一般不把间接喷射简称为间喷。
在发动机中，与汽缸相连的空气通道被称为吸气管（或进气管）。所谓间接喷射，是指在吸气管前雾化燃料，事先在此生成空气和汽油的混合气体，再将混合气体吸入汽缸。这种方法通常被称为吸气管喷射，在之后的讲解中，我就使用这个名称。
直喷与此相反，是指在汽缸中直接将汽油雾化，并在其中生成空气与汽油的混合气体。因为是直接向汽缸中喷射汽油，所以称之为直喷。一般说来，直喷比较省油，所以我想先简单解释一下直喷和油耗的关系。
一般认为，直喷是针对柴油发动机的，但后来也应用于汽油发动机上。
在引燃用的火花塞（点火栓）附近直接喷射雾化后的汽油，更容易引燃空气和汽油的混合气体。由于越接近火花塞喷射越容易引燃，因此即使汽油和空气的混合比率低于其理想比率（即使汽油量小），也能引燃。所以我们说直喷可以降低油耗。
并且，直喷是在空气被压缩、温度升高时直接喷射汽油。此时汽油迅速蒸发，汽化热使空气冷却，从而增加了空气密度。这与夏天在路面上洒水，水分蒸发会吸收周围的热一样，都是汽化热在发挥作用。如果吸入更多的空气，即使相应地增加汽油量也很难产生余烬，这就大大增加了汽车的马力。
之所以说直喷和涡轮发动机契合度很好，就是因为涡轮增压器（详见2.6.3节补充内容）能够送入更多的空气。2.2.4 空气和汽油的理想比例是14.7∶1
在此，我先介绍一下空气和汽油的理想混合比率——空燃比。我们将理想的空燃比称为理论空燃比，一般是指其质量比为14.7∶1，即当汽油质量为1、空气质量为14.7时，汽油刚好燃尽。
以此为界，汽油越多，越容易产生余烬造成浪费。相反，汽油越少，越难引燃，吸入的空气量大但无法充分生成下压活塞的力，即处于发动机大但力量小的状态。
通常，发动机会按照14.7∶1的比例生成混合气体。要检测发动机吸入的混合气体是否达到了这个比例，需要用到发动机的氧传感器和车载电脑。氧传感器用于检测残留的氧气量，通过测量废气的含氧量，确认发动机是否吸入了燃烧汽油所需的空气量。
当汽油以理想的混合比例完全燃烧时，其效率最高，且发动机排出的废气也很容易得到净化。请牢记，对于发动机来说，有一种“空气和汽油达到理想混合比”的状态。2.2.5 在直喷中，需要形成旋涡才能很好地生成混合气体
接下来，我将为大家介绍直喷发动机喷射燃料的过程。在直喷中，汽缸中的活塞下压时只吸入了空气，接着活塞开始上升，当汽缸内的压力升高时，就会直接喷射燃料。为了向高压空气中喷射雾状汽油，必须使喷射的压力高于压缩后的气压。因为如果不这样，汽油就无法进入汽缸。
因此在直喷中，需要配备比吸气管喷射还要强劲的燃料泵。我们在地面受到的1个大气压，而直喷发动机的燃料泵的压力为100个大气压，足足高出了100倍。
为了时常保持这样的高压状态，需要强劲的泵和暂时储存加压后的汽油的装置。并且，每一个汽缸都需要一个喷射喷嘴。这必然会相应地增加零件费用，因此直喷多应用于高级车中。
除了价格高，直喷还有其他缺点。由于直喷需要将汽油和空气在汽缸中迅速混合，因此要在活塞头部设置凹槽形成旋涡，以混合空气和汽油（图2.5）。但是，活塞头部的凹槽会扰乱混合气体的燃烧。而吸气管喷射无需在活塞头部设置凹槽，因此可以顺利进行混合气体的燃烧。图2.5 直喷发动机
活塞的头部设有凹槽，容易形成旋涡。
直喷和吸气管喷射，究竟哪一种方法能够更好地实现汽油的完全燃烧呢？技术发展日新月异，很难判断谁是最后的赢家。但如果吸气管喷射能够优于直喷实现汽油的高效燃烧，它就可能成为今后的主流。
接下来，我会以吸气管喷射为例，依照事先在吸气管中生成混合气体、再将混合气体吸入汽缸中的顺序进行详细讲解。吸气管喷射是燃料喷射的基础，我会以此为前提进行介绍。至于今后的主流究竟是直喷还是吸气管喷射，我们就暂且不做讨论了。2.2.6 开启阀门，混合气体进入汽缸
汽缸顶部的汽缸盖（端盖）上有进气阀。进气阀开启时，空气和汽油的混合气体就会通过进气道进入汽缸（图2.6）。进气阀和排气阀是汽缸盖上分别控制进气孔和排气孔的阀门。图2.6 发动机的进气阀/道和排气阀/道
经由进/排气道和阀门，吸入混合气体，燃烧后排出废气。
汽缸盖由铁和铝压铸制成，进气道和排气道位于汽缸盖的内侧，是通向汽缸的进气和排气通道。这里所说的进气道，与发动机前面附有燃料喷射装置的吸气管不同，排气道也与通向发动机后面的汽车尾气净化器和消音器的排气管不同。通道与吸气管和排气管相连，但我们只把位于汽缸内部的部分称为通道。
活塞下压时，进气阀随之开启。活塞下压牵引气体，混合气体借机进入汽缸。
进气阀和排气阀分置汽缸盖的左右。如图2.6所示，小而圆的进气阀和排气阀紧密排列在圆柱形汽缸里侧的边缘。当右侧两个并排的进气阀开启时，混合气体就会进入汽缸中，这就是进气冲程。
进气阀和排气阀之所以分别有两个，是为了在汽缸这个有限的圆柱中尽可能多地留出进气空间和排气空间。过去，有的发动机只有一个进气阀和一个排气阀，也有的为了增加进排气空间，设置了三个进气阀和两个排气阀。之所以进气阀多于排气阀，是为了增加进气量，燃烧更多的汽油，给汽车提供更大的动力。
在此，我给大家解释一下最常见的四阀组合，即进排气阀各有两个。虽然数量相等，但进排气阀的大小不同，进气阀要比排气阀大一些，这也是为了增加进气量。
进气冲程完成后，在压缩冲程和膨胀冲程中，进气阀和排气阀都处于关闭状态。当膨胀冲程结束后进入之后的排气冲程时，图2.6中左侧的排气阀就会开启，从排气道中排出废气。
接下来，我来具体讲解一下混合气体进入汽缸时的状态。进气道向汽缸倾斜往下延伸，在进气道的前端有个汽缸盖上的进气口，由进气阀控制其开闭。从汽缸的正上方观察进气阀，会发现它偏向汽缸盖的一侧。
进气道与汽缸斜向相连，且偏向汽缸盖的一侧，这就使得混合气体斜向进入汽缸中。接着，混合气体在汽缸内形成旋涡（图2.7），充分混合空气和汽油。图2.7 在汽缸内形成旋涡
进气道有坡度且偏向一侧，使混合气体形成旋涡并充分混合。
在喝果汁或者混合饮料时，我们会晃动杯子以充分混合杯中物，这时就会形成旋涡。同样，在汽缸内形成旋涡，也是为了充分混合空气和汽油。搅拌后的饮料由于味道均匀，更加好喝。同样，将混合气体均匀、充分混合，也会使汽油迅速燃尽，不留余烬。
当活塞上升、火花塞引燃汽油时，这个旋涡还能加速火苗扩散，加快燃烧速度。如果恰好能在活塞上升到上止点、混合气体被充分压缩时瞬间引燃汽油并燃尽，下压活塞的力就会变大，也就意味着加快了燃烧速度。
请允许我再重复一遍。进气阀位于汽缸盖上，进气道倾斜以便混合气体流入汽缸，这都是为了使混合气体均匀、充分混合并能迅速燃烧而设计的。2.2.7 活塞上升，压缩混合气体
刚才说到，混合气体进入了汽缸。之后活塞降至下止点，然后随着曲轴的旋转开始上升。与此同时，进气阀关闭。进气阀的关闭也伴随着活塞的运动。
排气阀始终关闭着，进气阀则处于刚刚关闭状态。当两个阀门同时关闭时，活塞上升，于是其中的混合气体就被压缩了。这就是压缩冲程。
当活塞升至上止点时，与活塞降至下止点时相比，汽缸内混合气体的体积仅为其1/10。这时我们称“压缩比为10.0”。压缩比越大，发动机做功就越多。即压缩比越大，发动机的效率就越高。
压缩后的混合气体开始燃烧，迅速膨胀后强力下压活塞。压缩比越大，压缩后的体积与膨胀后的体积比越大。因此，随着活塞下压时混合气体体积增大，发动机做的功也就多了。
请记住：充分压缩后再燃烧，能够释放出巨大能量。但是，要增大压缩比，则需要使用高辛烷值汽油。
高辛烷值汽油
在加油站，高辛烷值汽油被标注为高级汽油。
空气压缩时温度会升高。在压缩冲程中，发动机的压缩比越大，混合气体的体积被压缩得就越小，混合气体的温度也会越高。此时，火花塞引燃混合气体，若其火焰未扩散至整个汽缸，汽油便会自燃。之所以会出现这种现象，是因为火花塞逐渐靠近火焰时，温度不断升高，因此在遇到火焰之前汽油就会自燃。我们把这种异常燃烧称为爆震。
一旦发生爆震，整个汽缸内部都会燃烧起来。因此，很难通过迅速燃烧使发动机瞬间获得强大动力。并且，偏离联动活塞的最佳时间燃烧可能会损坏发动机。
因此，加入了添加剂以防止自燃的高辛烷值汽油出现了。
辛烷值是表示汽油抗爆性的指标。辛烷值越高，汽油越难自燃。辛烷值较高，即高辛烷值的汽油，简称为高辛烷值汽油。
包括高辛烷值汽油在内的高级汽油是一种多功能汽油。它混合了除去残存在发动机内的炭（汽油不完全燃烧的产物）之后的其他成分，在制造上要比普通汽油麻烦，附加值很高。2.3 压缩并引燃混合气体2.3.1 用电引燃混合气体
压缩完混合气体后，活塞在汽缸中升至上止点，这时就要用电引燃压缩后的混合气体。
用电引燃混合气体的是火花塞（点火栓）（照片2.2）。从汽缸盖的正上方看火花塞，会发现它正好夹在四个进排气阀的正中央。照片2.2 火花塞
照片由日本特殊陶业提供
火花塞的外部是由陶瓷制成的白色筒状绝缘体，中间通有铁丝，前端附有电极（图2.8）。电极的前端有个不超过1毫米的狭窄间隙。
当给火花塞接通1万伏的高压电时，就会从电极前端的狭窄间隙中飞溅出火花，成为点火源引燃混合气体。由于引燃之前混合气体已被充分压缩，所以一旦引燃，火焰就会迅速扩散。火焰传播（火焰扩散）的速度可以达到每小时50km～100km。
汽缸中混合气体的温度会因汽油的燃烧迅速升至数千摄氏度。同时，汽缸内的压力也会达到50个大气压。熊熊燃烧的混合气体不断膨胀，强力下压活塞，此时活塞承受的力甚至可以达到数吨。
在茶叶罐大小的汽缸中瞬间点燃空气和汽油的混合气体，发动机即可产生几吨的力，带动曲轴旋转。图2.8 火花塞的剖面图
空转时，汽车发动机的转速为每分钟500～600次。如果给汽车安装上发动机转速表，启动发动机后就能知道发动机的转速。加速时，为了让发动机最大限度地做功，发动机的转速甚至可以达到每分钟6000～7000次。由于在四冲程发动机中，曲轴每旋转两次就能进行一次燃烧，因此其燃烧次数就是转速的一半，即数吨的力在每分钟可产生3000次以上。
能产生如此大的力真是令人相当震撼。2.3.2 从12伏到1万伏
在上一节中我讲到“为火花塞接通1万伏的电”，说起来轻而易举，但实际上汽车中蓄电池的电压仅有12伏。你可以回想一下图2.4中蓄电池的构造。薄铅板浸泡在稀硫酸溶液中，外面包裹着树脂外壳。每枚铅板产生2伏电，那么蓄电池中的6枚铅板就会产生12伏的电。
汽车中空调、音响、导航、电动车窗、雨刮器和车灯等电器的运转都是通过这12伏电进行的。并且，交流发电机发出的电也是12伏。日本的家用电压是100伏，汽车的电器所需要的电压远低于家用电压。
然而，仅用12伏是无法让火花塞的电极蹦出火花的，因此需要用线圈暂时储存蓄电池放出的电，以便在引燃时瞬间释放出1万伏的高压电。线圈是在铁芯上一圈一圈绕上电线的绕组。当储存于铁芯中的电从火花塞前端小于1mm的狭窄的电极间隙中释放出来时，就会形成火花。
这一结构利用了电的一个性质，即迅速切断电流能瞬间提高电压。大家使用家用电器的时候大概也有类似的体会。如果在电器未关闭的情况下从插座上拔下插头，插头前端的金属部分就会瞬间跳出火花。这就是因为迅速切断电流时电压会瞬间升高，和发动机的火花塞是同样的原理。2.3.3 转动凸轮，开启阀门
下面我将讲解一个以前从没讲过的问题，即凸轮和始终与凸轮相连的凸轮轴（照片2.3）。照片2.3 发动机内的凸轮和凸轮轴
照片由丰田汽车提供
之前我讲过，当空气和汽油的混合气体被吸入汽缸时活塞下降，此时进气阀恰巧打开。当时你可能很纳闷活塞和阀门是如何联动的，因为当时这个问题出现在依次解释四冲程发动机的运转过程中，为了避免跑题，我就没有深入讲解下去。现在是时候仔细讲解一遍了。
在时机的契合中发挥重要作用的，正是凸轮。凸轮是控制进气阀和排气阀开闭的零件（图2.9），呈鸡蛋状，头尖底圆。当转动凸轮使其尖头的前端下压阀门轴时，阀门就会下降。当底部的圆形部分靠近阀门时，阀门就会上升。这一上下运动就带动了阀门的开闭。
凸轮数量与进排气阀的数量相同，凸轮一边转动一边下压阀门。当阀门下降到最低点时，需要借助线圈上弹簧的弹力恢复到原位。图2.9 凸轮和阀门的联动
凸轮的尖头下压时，联动阀门开启，进行进气和排气。
首先是进气。在进气冲程中，位于进气一侧的凸轮尖头部分下压，随后进气阀下降，进气道打开。此时排气凸轮底部的圆形部分与阀门轴的前端相接，从而使阀门堵住了通道。
在之后的压缩冲程和膨胀冲程中，进气凸轮和排气凸轮的尖头同时上升，此时进排气阀都处于关闭状态。最后到了排气冲程，由于排气凸轮的尖头下压，因此便开启了排气道。2.3.4 实现凸轮与活塞联动的装置
实现活塞运动与阀门开闭联动工作的装置是曲轴。我曾经讲过，活塞的上下运动带动曲轴旋转，你可以回想一下。利用曲轴的旋转联动活塞和凸轮，就能在恰当的时机开闭阀门。
具体来说，是经由凸轮轴前端的滑轮将曲轴的旋转传递至凸轮轴（图2.10）。所谓凸轮轴，是指并排放置多个凸轮的轴，凸轮随轴旋转。链条和传动带（或齿轮）连接曲轴和凸轮轴，负责传递曲轴的旋转。图2.10 曲轴与凸轮轴的联动
利用曲轴的旋转联动凸轮轴旋转，从而带动凸轮旋转。改变滑轮的直径，使得曲轴每旋转两次，凸轮轴就旋转一次。
为了使阀门的开闭时机与四冲程发动机里活塞的运动时机吻合，需要将凸轮轴的转速设置为曲轴转速的一半。正如我之前讲过的，之所以转速是一半，就是因为在四冲程发动机中，活塞每往复两次，进气阀开启一次。排气阀也是如此，即活塞每往复两次，开启一次。
活塞每往复两次，曲轴旋转两次。在曲轴的两次旋转中，进排气阀只开启一次。因此，只需将凸轮轴的转速设置为曲轴的一半，即可实现进排气阀的开闭。请记住：曲轴每旋转两次，凸轮轴旋转一次。
那么，怎样才能将凸轮的转速设置为曲轴转速的一半呢？其实很简单。由于曲轴和凸轮轴是通过链条和传动带（或齿轮）实现联动的，因此只需将凸轮轴一侧的滑轮（借助链条和传动带实现联动时）和齿轮的直径设置为曲轴一侧直径的量倍即可。
但是必须要错开进气阀和排气阀的开启时机。当开启进气阀、向汽缸中吸入混合气体并进行压缩时，如果打开排气阀，混合气体就会被释放出来。而当混合气体燃尽、进入随后的排气冲程时，需要随着活塞上升从汽缸中排出废气，这时就必须开启排气阀。
也就是说，如果以活塞的往复为基准，只需留出活塞在压缩和膨胀冲程中往返一次的时间，即曲轴旋转一次的时间，即可错开进气阀和排气阀的开启时机。这也意味着，为了错开开启时机，需要确保进气阀上凸轮的尖头和排气阀上凸轮的尖头朝向不同。2.3.5 曲轴和凸轮轴还会影响引燃时机
凸轮轴还决定了火花塞跳火的时机（图2.11）。
当活塞上升压缩混合气体时，火花塞会瞬间蹦出火花。与进排气阀的开闭相同，曲轴每旋转两次，火花塞就会跳火一次。因此，火花塞的跳火速度与凸轮轴的转速都是曲轴转速的一半。
为了借助凸轮轴的旋转实现火花塞跳火，需要用到配电盘（配电
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