2.1 启动发动机

2.1 启动发动机

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气缸。用电推动起动机转动,使发动机空转,从而将汽油导入气缸。

汽油发动机

照片2.1 汽油发动机
※照片由丰田汽车提供

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气缸的。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。

发动机内有气缸活塞(图2.1),活塞与连杆相接,连杆连接着活塞和曲轴。活塞在气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。

发动机的构造
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”四个行程(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。

四冲程发动机

图2.2 四冲程发动机
※重复进气、压缩、膨胀、排气四个行程

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气缸,我们称之为进气行程。此时,气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,压缩气缸中的混合气体,我们称之为压缩行程

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行程

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气缸,我们称之为排气行程。此时,在膨胀行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行程,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,直至四个行程全部完成,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,四冲程发动机每燃烧一次混合气体,活塞往复两次,曲轴转动两次*1。即燃烧一次转动两次。这就是四冲程发动机。

*1 除四冲程发动机之外,还有活塞每往复一次、曲轴转动一次就燃烧一次的二冲程发动机。在二冲程中,膨胀行程和活塞下压的进气行程同时进行,排气行程与活塞上升的压缩行程同时进行。与四冲程不同,二冲程一边向外排出燃烧的残渣(煤烟),一边压缩混合气体,这一行程被称为”扫气“。二冲程发动机具有体积小、能量大的优点,但另一方面也容易造成混合气体和废气的混合。

在四个行程的反复中,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,气缸、活塞、连杆和曲轴发挥了重要作用。正如图2.1所介绍的,连杆连接着气缸内的活塞和曲轴。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。

将活塞的上下运动转化为曲轴的旋转
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。

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行程,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。

起动机的转动带动曲轴旋转,活塞进而开始往复运动*2。接着,发动机开始空转。活塞下压时发动机内气缸中的气压下降,产生吸力,从而将空气和汽油混合后的混合气体吸入气缸中。随即进入最开始的进气行程。

*2 连接起动机和发动机的曲轴的,是一种叫“飞轮”的圆盘。我在第2章的后半部分会介绍它的结构。

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。

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。

蓄电池的结构

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,发动机进入进气行程开始启动。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。

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