汽车的 “心脏” 发动机，藏着哪些不为人知的工作奥秘与关键知识？

相信不少车主在开车时，都曾好奇过脚下油门踩下后，车辆能飞速前进的动力来源 —— 发动机，它就像汽车的 “心脏”，默默为车辆运转提供能量。但这颗 “心脏” 具体是如何工作的，又有哪些关键部分组成，可能很多人并不清楚。接下来，我们就通过一个个问题，揭开发动机的神秘面纱。

当我们坐进驾驶室，转动钥匙或按下启动按钮，发动机就会立刻运转起来，这个过程中到底发生了什么呢？其实，发动机启动是一个复杂的协作过程。首先，启动系统中的起动机接到指令后，会带动发动机的曲轴开始转动。与此同时，燃油系统会将汽油或柴油精确地喷入气缸内，而进气系统则会吸入新鲜的空气，让燃油和空气在气缸内形成可燃混合气。之后，点火系统（针对汽油发动机）会产生高压电火花，点燃可燃混合气，混合气燃烧膨胀就会推动活塞向下运动，进而带动曲轴旋转，发动机就这样开始持续运转了。就像我们人类心脏跳动需要氧气和血液一样，发动机运转也离不开燃油、空气和点火（或压燃）这几个关键环节的配合。

那发动机在持续运转时，气缸内的活塞是一直做直线运动吗？当然不是。活塞在气缸内的运动是有规律的往复运动，而且这种运动还会通过曲轴转化为旋转运动，从而带动车轮转动。具体来说，发动机的一个工作循环会经历进气、压缩、做功、排气四个冲程。在进气冲程，进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，吸入可燃混合气；压缩冲程中，进排气门都关闭，活塞向上运动，压缩气缸内的混合气，使其温度和压力升高；做功冲程是最关键的一步，混合气被点燃（汽油发动机）或自行压燃（柴油发动机）后剧烈膨胀，推动活塞向下运动，带动曲轴旋转做功；最后是排气冲程，排气门打开，进气门关闭，活塞向上运动，将燃烧后的废气排出气缸。就这样，四个冲程不断循环，活塞在气缸内上下往复运动，曲轴则持续旋转，为车辆提供源源不断的动力。

不同类型的发动机，比如汽油发动机和柴油发动机，它们在工作原理上最大的区别是什么呢？汽油发动机和柴油发动机最核心的区别就在于点火方式和燃油供给方式。汽油发动机由于汽油的燃点相对较低，采用的是点燃式点火，需要依靠火花塞在压缩冲程末期产生电火花来点燃可燃混合气；而且汽油发动机的燃油通常是在进气歧管内与空气混合后，再一起进入气缸内。而柴油发动机的柴油燃点较高，采用的是压燃式点火，它不需要火花塞，而是在压缩冲程中，通过活塞对气缸内的空气进行高强度压缩，使空气温度升高到柴油的燃点以上，然后再将柴油喷入气缸内，柴油遇到高温空气后就会自行燃烧。另外，从压缩比来看，柴油发动机的压缩比通常比汽油发动机高很多，这也是柴油发动机动力更强劲、扭矩更大的重要原因之一。

发动机上有一个很重要的参数叫 “排量”，这个排量具体指的是什么呢？发动机的排量其实就是指发动机所有气缸工作容积的总和。而气缸工作容积则是指活塞从下止点（活塞在气缸内运动的最低位置）运动到上止点（活塞在气缸内运动的最高位置）时，所扫过的气缸容积。比如一台 4 缸发动机，每个气缸的工作容积是 0.5 升，那么这台发动机的排量就是 4×0.5 = 2.0 升，我们平时看到的汽车参数表上标注的 “2.0L” 就是指发动机排量为 2.0 升。一般来说，在其他条件相似的情况下，发动机排量越大，气缸内每次燃烧的可燃混合气就越多，产生的动力也就越强，但同时燃油消耗也可能相对较高。不过，随着发动机技术的不断进步，小排量发动机通过涡轮增压等技术，也能爆发出不逊色于大排量自然吸气发动机的动力。

我们常说的 “涡轮增压发动机”，那个 “涡轮” 到底是怎么帮助发动机提升动力的呢？涡轮增压发动机上的涡轮增压器，主要由涡轮机和压气机两部分组成，它们通过一根传动轴连接在一起。涡轮机位于发动机的排气歧管附近，当发动机排出的高温高压废气经过涡轮机时，会推动涡轮机的叶轮旋转，而涡轮机叶轮又会通过传动轴带动压气机叶轮一起旋转。压气机叶轮位于发动机的进气歧管之前，它旋转时会将外界的空气吸入，并进行压缩，然后将压缩后的高压空气送入气缸内。这样一来，气缸内每次就能吸入更多的空气，同时燃油喷射系统也会相应增加燃油的喷射量，使得气缸内可燃混合气的量更多，燃烧后产生的动力也就更强。简单来说，涡轮增压就像是给发动机 “打气”，让它能 “吃” 更多的燃料和空气，从而爆发出更强的动力。不过，涡轮增压器在工作时也需要一定的时间才能达到最佳的工作状态，这就导致有些涡轮增压发动机在低速时会出现 “涡轮迟滞” 的现象，也就是踩下油门后，动力不会立刻爆发出来，会有短暂的延迟。

发动机在工作过程中会产生很高的热量，这些热量是如何散发出去，防止发动机过热的呢？为了给发动机降温，汽车上都配备了冷却系统，常见的冷却方式有水冷和风冷两种，目前大部分汽车发动机采用的是水冷方式。水冷系统主要由水泵、散热器（也就是我们常说的水箱）、节温器、风扇、水管等部件组成。在发动机运转时，水泵会不断地将冷却液（通常是防冻液和水的混合液）输送到发动机的水套中，冷却液在水套中流动时，会吸收发动机产生的热量，温度升高。然后，温度升高的冷却液会流回散热器，在散热器中，通过风扇的吹风和车辆行驶时的气流，将冷却液中的热量散发到空气中，使冷却液温度降低。降温后的冷却液再被水泵输送回发动机水套，如此循环往复，就能持续带走发动机的热量，保持发动机在合适的工作温度范围内运转。节温器在冷却系统中也起到了重要的调节作用，它能根据发动机的温度自动控制冷却液的循环路径，当发动机刚启动温度较低时，节温器关闭，冷却液只在发动机内部小循环，让发动机快速升温；当发动机温度升高到一定程度后，节温器打开，冷却液开始进行大循环，通过散热器散热，防止发动机过热。

发动机的润滑系统又有什么作用呢？如果润滑系统出现问题，会对发动机造成哪些影响？发动机的润滑系统就像是发动机的 “润滑油”，主要作用是在发动机运转时，向各个运动部件（如活塞与气缸壁、曲轴与轴承、凸轮轴与气门挺柱等）的摩擦表面输送润滑油，形成一层油膜，从而减少部件之间的摩擦和磨损，延长发动机的使用寿命。同时，润滑油在流动过程中还能带走一部分热量，辅助冷却发动机；并且润滑油还能起到密封作用，比如在活塞环与气缸壁之间形成油膜，增强气缸的密封性，防止气缸内的可燃混合气和废气泄漏；此外，润滑油还能清洁发动机内部的杂质和金属碎屑，保持发动机内部的清洁。如果润滑系统出现问题，比如润滑油不足、润滑油变质、机油泵故障等，就会导致运动部件之间的润滑不良，摩擦阻力增大，产生大量的热量，部件磨损加剧，严重时可能会出现活塞卡死、曲轴抱死等严重故障，甚至导致整个发动机报废。所以，定期检查润滑油的量和质量，按时更换润滑油和机油滤清器，对于维护发动机润滑系统的正常工作至关重要。

我们平时开车时，有时会听到发动机发出不同的声音，哪些声音是正常的，哪些声音可能意味着发动机出现了故障呢？在正常情况下，发动机运转时会发出平稳、均匀的声音，比如怠速时会有轻微的 “嗡嗡” 声，加速时声音会逐渐变得浑厚有力，这些都是正常的声音。但如果发动机出现了一些异常声音，就可能意味着存在故障。比如，当听到发动机发出 “哒哒哒” 的清脆响声，尤其是在怠速或低速运转时比较明显，可能是气门间隙过大或气门挺柱磨损导致的；如果听到 “敲缸声”，也就是类似金属敲击的 “当当” 声，可能是燃油标号不合适、点火提前角过大或活塞与气缸壁间隙过大等原因造成的；要是听到 “沙沙沙” 的摩擦声，可能是发电机、水泵等附件的轴承磨损，或者是正时皮带、传动皮带松动或磨损引起的；还有如果发动机出现 “漏气声”，比如进气歧管漏气，会导致发动机怠速不稳，加速无力，同时可能伴随有 “嘶嘶” 的声音。当听到这些异常声音时，车主应该及时将车辆送到专业的维修店进行检查和维修，避免故障进一步扩大，造成更大的损失。

发动机的 “正时系统” 是干什么用的？如果正时系统出现偏差，会对发动机产生什么影响？发动机的正时系统主要作用是保证发动机的进排气门在正确的时间开启和关闭，与活塞的运动节奏保持一致，从而确保发动机的工作循环能够顺利进行。正时系统通常由正时皮带或正时链条、正时齿轮、张紧器等部件组成。以四冲程发动机为例，正时系统会根据曲轴的旋转角度，精确控制凸轮轴的旋转速度和位置，使得进气门在进气冲程开始时准时打开，在压缩冲程开始前准时关闭；排气门在排气冲程开始时准时打开，在进气冲程开始前准时关闭。如果正时系统出现偏差，比如正时皮带或正时链条跳齿、张紧器故障导致正时皮带松动等，就会造成进排气门的开启和关闭时间与活塞运动不同步。轻则会导致发动机怠速不稳、加速无力、油耗增加、排放超标等问题；重则可能会出现气门与活塞相撞的严重情况，因为当活塞处于上止点时，如果气门没有及时关闭，活塞向上运动就会与气门发生碰撞，导致气门弯曲、活塞损坏、气缸盖破裂等严重故障，维修成本会非常高。所以，对于采用正时皮带的发动机，车主需要按照车辆保养手册的要求，在规定的里程或时间内及时更换正时皮带和张紧器，防止正时皮带老化断裂导致正时系统失效。

发动机的 “节气门” 在发动机工作中扮演着怎样的角色？驾驶员踩油门的动作，是如何通过节气门影响发动机动力输出的？发动机的节气门就像是发动机进气系统的 “闸门”，安装在进气歧管的前端，主要作用是控制进入发动机气缸内的空气量。节气门的开启和关闭由节气门体上的节气门阀控制，而节气门阀的运动则由油门踏板通过拉线（传统拉线式节气门）或电子信号（电子节气门）来控制。当驾驶员踩下油门踏板时，对于传统拉线式节气门，拉线会直接拉动节气门阀，使其开启角度增大；对于电子节气门，油门踏板上的位置传感器会将驾驶员的操作信号传递给发动机控制单元（ECU），ECU 根据信号控制节气门电机，带动节气门阀开启更大的角度。节气门阀开启角度越大，进入发动机的空气量就越多，此时发动机控制单元会相应增加燃油的喷射量，使气缸内形成更多的可燃混合气，燃烧后产生的动力就越强，车辆加速就越快；反之，当驾驶员松开油门踏板时，节气门阀开启角度减小，进入发动机的空气量减少，燃油喷射量也随之减少，发动机动力输出降低，车辆减速或保持匀速行驶。不过，电子节气门相比传统拉线式节气门，控制更加精确，还能与发动机的其他控制系统（如巡航控制系统、车身稳定控制系统等）协同工作，提升车辆的行驶性能和安全性。

有些发动机上会配备 “可变气门正时技术”，这种技术有什么好处呢？可变气门正时技术是一种能够根据发动机的工况（如转速、负荷等），实时调整进排气门开启和关闭时间的技术。在传统的发动机上，气门正时是固定不变的，只能在某个特定的工况下达到较好的性能，而在其他工况下，性能表现则会受到限制。比如，在发动机低速运转时，为了提高扭矩和燃油经济性，需要进排气门较早关闭，减少进气损失；而在发动机高速运转时，为了提高功率，需要进排气门较晚关闭，增加进气量，充分利用气流的惯性。可变气门正时技术就解决了这个问题，它通过液压或电子控制机构，改变凸轮轴的相位或气门的升程，从而调整气门的正时。配备这种技术的发动机，在低速时能获得更大的扭矩，起步和加速更加有力，同时燃油消耗也更低；在高速时能吸入更多的空气，提高发动机的功率，让车辆在高速行驶时也能保持强劲的动力输出。而且，可变气门正时技术还能改善发动机的排放性能，减少有害气体的排放，满足更严格的环保标准。目前，很多汽车品牌都有自己的可变气门正时技术，比如丰田的 VVT – i、本田的 i – VTEC、宝马的 Valvetronic 等，虽然它们的具体结构和控制方式有所不同，但核心目的都是为了优化发动机在不同工况下的性能。