2.3.1 用电引燃混合气体
压缩完混合气体后，活塞在气缸中升至上止点，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）。从气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。
气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，气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。
在茶叶罐大小的气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。
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气缸时活塞下降，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。
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
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。
首先是进气。在进气行程中，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。
在之后的压缩行程和膨胀行程中，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。最后到了排气行程，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、向气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、进入随后的排气行程时，需要随着活塞上升从气缸中排出废气，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行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）。
图2.11 凸轮轴和火花塞的布线
※利用凸轮轴的旋转决定火花塞引燃的时机
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（配电柜）。配电盘经由线圈与蓄电池相连，就像我在“从12伏到1万伏”中讲到的那样，为了使火花塞跳火从而引燃混合气体，首先要给线圈施加高电压。之后电流传递至配电盘，给火花塞通电。配电盘根据凸轮轴的旋转决定引燃时机。
之前为了讲解得更通俗易懂一些，我是以只有一组气缸和活塞的单气筒发动机为例进行介绍的。实际上，汽车一般都有3~4个气筒，大的发动机甚至有12个气筒，并且每个气筒的引燃时机各不相同。因此，为了使各个气筒的火花塞适时引燃混合气体，就需要利用凸轮轴的旋转给火花塞通电。
在配电盘里侧，依环形排列着与气筒数量相同的接点。这些接点利用凸轮轴的旋转给各个气筒的火花塞提供引燃所需的电。
与进排气阀的开闭一样，点火也有适当的时机，且与阀门的开闭时机有关，因此也能利用凸轮轴的旋转。
但是近年来，无需配电盘，使用电脑控制引燃时机的方法成为主流。它通过传感器检测凸轮轴的旋转，由电脑决定火花塞的引燃时机。
2.3.6 不同形状的凸轮
之前我曾经提到过控制进气阀和排气阀开闭的凸轮呈鸡蛋形。但这些“鸡蛋”中也存在着微妙的差异，有的尖一些，有的则近似圆形。
那么为什么要改变凸轮的形状呢？实际上，凸轮所呈现的鸡蛋形状不同，发动机的特性也就不同。例如当发动机使用鸡蛋形状尖一些的凸轮来控制进气阀的开闭时，即使转速很低也能轻而易举地产生驱动力。这是因为发动机尽量充分地吸入了混合气体。
由于发动机转速低时活塞的往复运动就会变慢，因此将混合气体吸入气缸中的吸力也会减弱，从而导致吸入混合气体的速度减慢。这时最有效的方法是尽量开启进气阀以吸入更多的混合气体，并在活塞降至下止点时瞬间关闭进气阀。
但是，虽说最好尽量长时间地开启阀门，但当活塞开始上升后进气阀仍然处于开启状态时，混合气体就会从进气口逆向流出。这时如果使用的凸轮是尖一些的鸡蛋形状，那么只要尖头转至最高点，就能立刻关闭进气阀。如果凸轮的前端稍圆一些，就只能慢慢关闭进气阀。
这样一来，即使发动机转速很低，活塞的运动速度很慢，只要能将混合气体牢牢封闭在气缸中，就能使发动机充分发挥其作用。
另一方面，稍圆一些的鸡蛋形状的凸轮更适合转速较高的发动机。发动机转速较高时，活塞的往复运动就会加快，将混合气体吸入气缸的吸力也会增强，从而加快了吸入混合气体的速度，这就导致流入气缸中的混合气体的气流无法轻易被中断。即使当活塞降至下止点后开始上升时，混合气体也会趁势蜂拥进气缸，无法中断。如果能将更多的混合气体封闭在气缸中，发动机就会相应地生成更大的驱动力。
因此，为了将更多的混合气体储存在气缸中，就要在保证混合气体不从进气口逆向流出的情况下，在活塞开始上升后仍然让进气阀暂时处于开启状态。这时就需要用到稍圆一些的鸡蛋形状的凸轮了。
这样看来，根据发动机转速的不同，使用不同形状的凸轮来控制阀门的开闭，效率是最好的。这当然只是理想状态。因为给一个进气阀配备两个凸轮实在很浪费。增加零件就意味着装置更加复杂，花费更高，价格更贵。因此一般情况下，无论转速高低，都只选择其中一种形状的凸轮。
通常会选择适合较低转速的尖一些的凸轮。这是因为平常一般不会让发动机转速过快，即使是在高速公路上行驶，除加速以外发动机的转速都不会很快。
在以后讲到发动机性能的时候，还会涉及低转速发动机和高转速发动机。到时你要是能想到两者的凸轮形状也不同就好啦。
2.3.7 VTEC区别使用两个不同形状的凸轮
有些高效率的发动机搭载了两个不同形状的凸轮，并根据发动机转速的不同分别使用。1989年，本田将一种日系车厂独创的技术应用于市售车，且至今仍在使用。本田将这一技术称为可变气门正时与升程装置，即VTEC（Variable valve Timing and lift Electronic Control system）。
虽然搭载了分别适用于低转速和高转速的两种凸轮，但通常是用低转速凸轮驱动发动机。VTEC通过传感器检测发动机的转速和驾驶员的加速情况。当传感器检测到发动机高速运转、驾驶员急加速时，VTEC就会切换至高转速凸轮，控制进排气阀。
要使这一系统正常运转，还需要用到摇臂（图2.12）。使用一种凸轮时，凸轮直接带动阀门轴转动以控制阀门开闭。VTEC与此不同，它借助摇臂转动阀门轴，开闭阀门。由于阀门轴很细，无法承受两个凸轮的同时压力，因此，借助摇臂下压阀门轴，通过改变凸轮的形态改变摇臂的移动量，从而控制阀门的开闭。
图2.12 搭载两个凸轮的VTEC发动机的结构
※在高转速和低转速时区别使用凸轮。高转速时摇臂内部通过插销连成一个整体，将中间的高转速凸轮下压的力传递至阀门
如图2.12所示，每个进气阀配备两个低转速摇臂和一个位于中间的高转速摇臂。低转速时，三个摇臂独立工作。随着凸轮轴的旋转，两个低转速凸轮和一个高转速凸轮同时转动。但即使高转速凸轮的尖头朝下带动中间的摇臂下降，也不会下压阀门。这是因为各摇臂独立运转，高转速凸轮的转动不会传递至阀门。控制进气阀开闭的是低转速凸轮。
驾驶员加速时发动机转速提高，油压迫使摇臂内的插销横向运动串联起三个摇臂，接着三个摇臂开始同时运转。此时中间的高转速凸轮的尖头朝下，连成整体的摇臂同时下压并开启两个进气阀。由于高转速凸轮尖一些，因此进气阀的开启幅度较之前更大（图2.12的右）。
因此，在VTEC发动机中，是通过控制摇臂内部的插销来切换两种凸轮。但当发动机转速达到几千时，插销会不会很难串联起摇臂？据说此项技术的开发者也曾不太放心，但后来“试了试没什么问题”。作为一项创新技术，它也验证了“百思不如一试”的道理。
VTEC的开发体现了对发动机技术进步的追求。随后，其他的汽车生产商也开发了类似的装置以提高发动机的效率。
