汽车堂 | 一文读懂汽车原理，终于明白汽车保养是怎么回事
“旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家”，如今汽车（automobile）已成为人们生活中不可或缺的一部分，它扩大了人们的居住出行范围，人类好似增加了一双飞毛腿！汽车的性能和舒适程度日渐完善，不得不佩服人类非凡的创造力！ 了解汽车、驾驶汽车成为现代人必备的知识和技能。如果不了解汽车的结构常识，驾驶汽车时往往会因为缺乏专业知识而做错很多事情，有时还会发生危险。只有对汽车的构造和工作原理有基本的理解，才能驾驶好汽车、维护好汽车。 以下六个问题相信你心中存在已久，谁要是答得上来，那就是汽车达人了！
汽车的动力从哪里来？
在汽车之前，人们的代步工具是马车。据说汽车发明那会儿（19世纪末），英国的一些贵族操纵议会通过了歧视汽车的法令，要求汽车与马车会车时，汽车停车为马车让路。可是没过多久，在马车夫们落寞的目光下，马车逐渐淡出人们的视野而被汽车取代——因为，没有人能拒绝越来越稳定和可靠的汽车给大家的生活所带来的便利。 马车和汽车两者最大的区别就在于行驶的速度，用当时人们的话说，汽车是“令人窒息的速度”。马车的发动机是马，而汽车的发动机通过燃烧汽油等燃料提供动力。 发动机（engine，也称引擎）是汽车的“心脏”，动力的源泉。它将燃料燃烧产生的热能转变为机械能，为汽车行驶提供动力。
▲ 发动机
驾驶员油门一踩，汽油（gasoline）和空气（air）混合形成的可燃混合气就流入发动机的气缸（cylinder）。发动机完整的工作循环包括进气（intake）、压缩（compression）、做功（power）、排气（exhaust）四个冲程（汽车英语戳此）。这个循环往复使得发动机动力源源不断，四冲程循环（four-stroke cycle）的详细工作过程如图1所示。
图1 四冲程发动机工作循环
从以上工作循环可以看出，发动机动力源于可燃混合气在气缸中燃烧产生的爆炸力，气缸原理和大炮原理类似。活塞（piston）运动经由连杆（connecting rod）传到曲轴（crankshaft），使曲轴每分钟旋转数千次，这就是发动机的转速。曲轴的末端连着一个大圆盘，叫做飞轮（flywheel），用来储存发动机的运动能量，维持四冲程工作循环。
▲ 动画：四缸四冲程发动机工作原理
四冲程（即进气、压缩、做功、排气）发动机每完成一个工作循环，进排气门开启一次，曲轴转两圈，即720°。例如，当发动机转速为3000转/分时，同一气缸的进气门在1分钟时间内开闭次数应该是1500。 经常听到压缩比（Compression Ratio，简称CR）这个名词，它是指发动机可燃混合气被压缩的程度，用压缩前的气缸总容积与压缩后的气缸容积（即燃烧室容积）之比，如图2所示。
图2 压缩比示意图
发动机出来的动力如何传到汽车轮子上呢？如图3所示，发动机动力经过离合器（torque converter）、变速器（transmission）、传动轴（driveshaft），最终传到车轮上。这里面有两个部件我们需要理解：离合器和变速器。
图3 发动机动力传递示意图
为什么需要离合器呢？顾名思义，离合器就是利用“离”与“合”来传递动力。对于汽车使用来说，只要不熄火，则发动机始终在旋转，而车轮则不会。要使车辆停止而不损坏发动机，车轮需要以某种方式与发动机断开。 离合器就是这么一个动力传递的“开关”，它位于发动机和变速器之间的飞轮壳内，离合器的输出轴就是变速器的输入轴。在汽车行驶过程中，驾驶人可根据需要踩下或松开离合器踏板，使发动机与变速器暂时分离和逐渐接合，如图4所示。
图4 离合器工作过程示意图
图5 离合器组成
踩下离合器踏板，踏板克服离合器压盘的弹簧作用力，离合器分离；松开离合器踏板，弹簧压盘将摩擦片压向飞轮，再次使离合器接合。 离合器“半联动”是指离合器不完全联接的工作状态，即驾驶员部分踩下离合器踏板，造成飞轮与摩擦片之间处于边转边滑的状态。手动挡普通汽车需要使用半联动处理很多事情，但是过长时间的半联动会导致离合器磨损。
变速器（gear box）就是一组齿轮，通过不同大小的齿轮啮合，就能实现对发动机转矩和转速的调整。如图6所示。
图6 变速器示意图
为什么需要变速器呢？不同的驾驶条件下需要不同的速度和转矩，比如，汽车在起步和爬坡时需要更大转矩 ，在同样的动力下，通过减小速度就可以获得较大的转矩。在平坦的道路上高速行驶时需要的转矩就小。 假如将发动机与驱动轮直接作用，那汽车就对应发动机的最高转速。很高且不变的速度是不现实的，所以变速器的作用就是获得不同的速度和扩大汽车的转矩，起步时用低挡，正常行驶时用高挡。 我们通过变速杆操纵不同挡位的速度，变速杆连着拨叉，实现不同传动比的齿轮啮合，下面的动画显示了换挡动作过程。
▲ 动画：换挡原理
当我们踩下刹车（学名制动器）踏板时，汽车会减速直到停车。但这个工作是怎么完成的？人腿部的力量是怎么传到车轮的？这个力量是怎么被扩大以至能让一台笨重的汽车停下来的？ 汽车之所以能停下来，是制动盘和制动片相互作用的结果。制动盘固定在车轮上，随车轮转动，两个制动片（brake pad）分别通过制动钳（caliper）装在制动盘（disk）的两侧。 如图7所示为汽车制动示意图，要让笨重的汽车停下来，靠的是液压系统。
图7 汽车制动系统示意图
我们到4S店保养汽车时，换机油（engine oil）是一项规定动作。那为什么机油需要定期更换呢？ 发动机工作时，摩擦表面（如曲轴与轴承、凸轮轴与轴承、活塞与气缸壁、正时齿轮副等）之间以很高的速度作相对运动，使零部件表面迅速磨损；摩擦所产生的热量还可能使某些工作零件表面熔化，导致发动机无法正常运转。 因此，为保证发动机正常工作，必须对发动机内快速运动的部件进行润滑，也就是在摩擦表面覆盖一层润滑剂，使金属表面之间隔一层薄的油膜，以减小摩擦阻力、降低功率损耗、减轻磨损，延长发动机使用寿命。 机油就是发动机的润滑油，是发动机的“血液”，没有机油，发动机很快就会报废，而一辆汽车上最贵的部件是发动机。
机油平常储存在发动机下部的油底壳（oil pan）中，如图9所示，当发动机运转时，利用发动机动力的一部分带动机油泵将机油抽上来，再利用泵的压力将其送至发动机的各个需要润滑的部位。润滑后的机油再变成油滴沿壁落回到油底壳中，然后再被抽上来继续润滑各部件，如此重复循环使用。
图9 发动机润滑示意图
在反复润滑后，磨损的金属末或灰尘就会混入机油中，这样反而会加速滑动面的磨损，缩短发动机的寿命。因此，在机油的油路上必须安装机油滤清器（oil filter），时刻对机油进行过滤。 即使如此，时间长了机油也会变脏，因此行驶一定里程（如5000公里）后必须更换机油和机油滤清器。
汽车只要一上路，要不了一会儿，引擎盖摸上去就会烫烫的。这是为什么呢？ 从第一个问题分析中我们知道：在发动机的做功行程中，可燃混合气发生爆炸，这个温度很高，达到1000℃——难怪冬天汽车里温暖如春，夏天则挥汗如雨。而发动机最适宜的工作温度是90℃左右，所以发动机需要一个冷却系统。 冷却原理很简单，如图10所示，水泵（water pump）将冷水（蓝色）从散热器水箱（tank）里抽到发动机气缸体的水套（water channel）里，从发动机出来的热水（红色）回到散热器水箱，与空气进行热量交换。
图10 发动机冷却原理图
节温器（thermostat）是什么呢？发动机工作时不能太热，但也不能太冷，太冷会加速发动机磨损。发动机刚启动时，气缸体温度较低，所以冷却系统的另一个重要任务是使冷的发动机快速热起来，然后保持在合适的温度。汽车刚发动时，可以让水在缸体内循环，没必要到散热器（radiator）转一圈。为此，我们加个节温器，控制发动机温度上升后，才开始大循环。难怪汽车仪表盘上的水温符号在起步时亮着蓝色（表示水温低），行驶了一段路才灭掉呢！ 那么问题来了，部分冷却液（coolant）在高温的气缸体里很快蒸发成气体，怎么办？这就需要排气管来收集水蒸气（steam），汇入冷却液膨胀箱（expansion tank）。所以，实用的汽车冷却系统如图11所示。
图11 发动机冷却系统示意图
实际上，汽油燃烧产生的化学能中，只有1/3被有效利用，还有1/3通过排气管释放，另外1/3就通过冷却系统排到大气中了。看到这里，爱动脑子的你一定还有很多问题，欢迎留言探讨。
汽油车虽然不靠电能驱动，但其附件装置（如照明与信号装置、仪表盘、雨刮器等）、部件的控制却需要电路。比如，车灯怎么会亮的呢？忘了关车灯，第二天汽车就发动不起来了，这又是为什么呢？ 其实，汽车里有个发电机（alternator），还有个蓄电池（battery）。发电机通过皮带（belt）与发动机曲轴连接，把汽车行驶过程中产生的动能转换成电能，给汽车提供直流12V电源，并通过蓄电池（俗称电瓶） 储存起来，如图12所示。
图12 汽车电源系统示意图
驾驶员插入车钥匙发动时，汽车内部发生了什么呢？点火开关（ignition switch）与蓄电池连接，蓄电池连着起动机（starter），起动机（一只小电机）与飞轮相连。转动钥匙就接通了点火开关，起动机开始转动，带动飞轮、曲轴、连杆、活塞运动，从此开启四冲程之旅。 蓄电池是电流的发端和结束端，汽车启动时，电池工作是最累的，启动完毕，电池就该切断，这就是为什么车钥匙在“START”位置不能停留太久的原因。 汽车引擎关闭了，车灯却开着，一夜之间耗尽蓄电池所有的电，第二天当然就发动不了了。据我的经验，只需4小时就打不着火了，这时可以打保险公司电话（如95511），获得免费救援。 与发动机点火对应的另一个词是发动机熄火。点火过程说明， 发动机要想从静止状态动起来，必须有个外加的起动力，就像陀螺一样，先得抽一鞭子，才能转起来。但是陀螺一旦遇到阻力而停转，要想让它自己再转起来，就不可能了。学开车时，离合器没控制好造成熄火，也是一个道理。 这是因为车速较慢时，如果直接刹车踩到底，由于发动机动力与车轮没有断开，那么发动机就被屏住了，也就熄火了。解决方法是：刹车前先踩下离合器踏板，中断动力的传递，这样车速慢下来了，而发动机维持之前的转速。 从汽车的英文automobile可以看出，汽车是一种自动车，现代汽车的自动化水平已经相当高，这需要复杂的控制系统，叫做ECM（Engine Control Module，引擎控制模块）。ECM就像发动机的灵魂一样，控制整个汽车的运转。 它接收各种传感器信息，如进气温度传感器、油门传感器、排气管压力传感器、水温传感器、曲轴角度传感器等等， 经过ECM中的电脑运算发出控制信号，使汽车稳定可靠地运行。 至此，我们回答了汽车的六个基本问题：动力何来、如何走、如何停、机油是啥、发烫咋办以及电从何来。你是不是明白了起步时离合器要慢慢抬、否则就熄火的道理？是不是要养成不猛踩油门、不猛踩刹车的驾驶习惯？是不是到时间就要去换机油？是不是要学着看仪表盘？是不是有恍然大悟的感觉？…希望大家欢喜。 以上汽车系统中需要检查、保养、更换的项目（maintenance schedule）也已经一目了然：
车灯：所有车灯检查
齿轮油：视驾驶习惯和道路条件更换
如果你想了解汽车更多，那么去4S店看师傅们养车修车吧！如果还不满足于此，那就动手DIY吧！
