发动机的每次工作循环都包括什么（幽深曲折路漫漫）

大家知道，汽车发动机正常工作两个必不可少的物质是空气和燃油。燃油大家都知道，大家去加油站买来燃油存储在油箱里，然后通过发动机燃油供给系统送入发动机燃烧室中燃烧，发出热量转换成机械能推动发动机运转。那么空气又是如何进入发动机中的呢？有人说那还不简单嘛，发动机不是有配气机构嘛，空气就是通过配气机构进入发动机的呗！但你可能不知道，空气进入发动机是一个极其复杂的过程，复杂到你可能想不到。下面我们就来说一说空气是如何进入发动机、如果参与燃烧、又如何排出发动机的，这其中有哪些你所不知道的“黑科技”。

我说一个观点，你可能都不会相信：汽车发动机配气机构是发动机上最复杂、技术含量最高的装置（电控系统除外）。发动机从诞生至今结构型式改变最大的装置，是配气机构；对发动机性能影响最大的，也是配气机构；推动发动机技术进步、性能上有质的飞跃，主要就是由配气机构引领的。

有人说老侯你这不是胡扯嘛，发动机上那么多的装置，比配气机构技术含量高的应该多得是，比如多点电喷技术、缸内直喷技术、铝发动机技术、涡轮增压技术，等等，哪一个不比配气机构复杂？配气机构不就是给发动机进气的嘛，空气取之不尽用之不竭，让更多的空气进入发动机还不是一件轻而易举的事，哪有那么复杂？相反我认为给发动机喷更多的汽油是更难的，你看现在的发动机都从多点电喷向缸内直喷发展了，不就是为了给发动机多喷油吗？

其实你恰恰想错了，让更多的燃油进入发动机是非常容易的，但是让更多的空气进入发动机是非常难的。不论是古老的化油器，还是现在的多点电喷、缸内直喷，多供油都是非常简单的，把燃油系统压力、喷油脉宽等稍加调整，就可以让更多的燃油进入发动机了；但是让更多的空气进入发动机是比较难的，因为发动机进气主要靠活塞下行产生的真空吸力把空气吸入气缸的，而气缸容积有限，正常情况下是不可能让大于气缸容积的空气进入的，没有空气，喷再多的汽油也是没有办法燃烧的。所以，这么多年来，让更多的空气进入发动机（提高充气系数），然后再喷入更多的燃油，发动机的性能就得以提高了。

在这里给大家说一个充气系数的概念。所谓的充气系数是指发动机在进气过程中，实际进入气缸的新鲜空气质量与在标准状态下应该充满气缸工作容积的新鲜空气质量的比值。从这个概念解释就可以看出，正常情况下发动机的充气系数是不可能大于1的，事实上一般汽油机的充气系数一般在0.70~0.85之间，柴油机由于没有节气门的阻碍，充气系数比汽油机高一些，一般在0.75~0.90之间。而现在的增压发动机，相当于用一台鼓风机向发动机中“压”入空气，所以增压发动机的充气系数可以大于1，最高可达2以上。影响充气系数的因素是非常多的，其中配气机构的结构型式和参数是重要的影响因素。

下面我们就顺着空气进入发动机的路径，来看看聪明的汽车工程师是如何精心设计配气机构、提高充气系数的。

车外的空气首先从发动机取气口进入。这个取气口一般在汽车的正前方引擎盖下面，利用汽车行驶时前方的正压保证进气更顺畅。这个取气口要有一定的高度和隐蔽性，避免地面上的杂物和水进入，同时避免和其它的装置发生干涉，取气口的大小要与发动机的进气量相吻合。前段时间某众的一款高档越野车就犯了一个错误，取气口位置设计不合理，导致下雨时雨水会流入取气口，进而导致发动机进水，严重的甚至会损坏发动机，现在也不知道改进了没有。此外，一些越野车为了提高涉水性能，还会把这个取气口设计在汽车顶部，避免涉水时水从这里进入发动机。而一些卡车、工程机械等由于工作环境灰尘大，一般都是把取气口设计在汽车顶部，尽可能的减少灰尘进入发动机。

空气从取气口进入后，经过一段管路，就来到了空气滤清器。在这里，空气会得到过滤，大部分的杂质、灰尘等会留在空气滤芯上，过滤后的洁净空气进入进气管，所以这个空气滤清器又称为“发动机之肺”。绝大多数的车型，空气滤清器都是单级纸质滤芯；对于在恶劣环境下工作的卡车、工程机械等，一般采用油浴式和纸质滤芯的双级过滤，以尽可能的滤清空气中的灰尘。当空气滤清器吸附满灰尘之后，它的通过性就会大大下降，导致进气阻力增大，进气量减少，所以需要定期更换，一般一万公里左右更换一次即可，如果环境特别恶劣，也可以适当缩短更换周期。

现在有些车主会自己改装“KN高流量空滤”。这种空滤是铁丝网状的，上面沾附一层油渍，用来吸附空气中灰尘。它的进气阻力小，但是过滤效果不如纸质滤芯。同时这种滤芯由于进气过于通畅，会造成发动机低扭不足，只有在较高的发动机转速时才能有较好的表现，所以普通的家用车不建议这样改装。

经过空气滤清器过滤后的清洁空气，随后就进入了发动机进气管中，在这里它会遇到一个计量员——空气流量计。它的作用就是计量进入发动机中的空气质量的多少，然后把这个信号报告给发动机控制单元，发动机控制单元根据内部储存的程序，经过计算后发出控制指令，让燃油供给系统提供相应数量的燃油，使空燃比维持在最佳的14.7:1左右。所以，空气流量计是发动机上重要的传感器，是电控燃油喷射系统的基础信号之一，当它出现故障以后，发动机就会出现启动困难、冒黑烟等现象。空气流量计有热线式和热模式两种，不需要特殊的保养，其中的热线式如果脏污了导致信号不准，我们可以用化油器清洗剂清洗一下。

经过计量后的空气，随后就来到了节气门，这才是空气进入发动机的第一道“鬼门关”，空气在这里被“节流”了。节气门相当于一个翻转门，它的开启角度由司机脚下的油门踏板来控制，开启角度越大，进入发动机的空气越多，然后再喷入相应数量的燃油，发动机转速就会上升，发出更强大的动力。所以，我们经常说的“加油门”事实上并不是加油，而是加空气，油门踏板应该称作“加速踏板”。关于节气门的知识是非常多的，它也是发动机上故障率较高的零部件之一。节气门发生故障以后，发动机就会出现抖动、加速无力、甚至无法启动等现象，而我们最常见的就是节气门脏污、积碳，需要经常清洗。有关节气门相关方面的知识，我之前有专门的文章论述过，在此不在赘述。

空气从节气门出来后，就进入了进气歧管。不知道大家有没有发现，现在的发动机进气歧管都很长，甚至在缸盖上面绕一圈才进入发动机，这究竟是为什么呢？为什么不让空气直接进入发动机呢？

发动机在工作时，由于进排气门瞬间开启和关闭，会导致进气歧管中的空气流动瞬间停止，从而发生振动和反流。如果各气缸的进气歧管较短，这种振动和反流会干扰其它气缸，从而导致其它气缸进气量减少，影响充气系数。，特别是在低速时，这种影响更为明显，会导致发动机低速扭矩不足。而采用较长的进气歧管就可以把这种振动和反流在传递到其它气缸之前消除掉，避免干扰其它气缸的进气。如果合理的设计进气歧管的长度，甚至还可以利用这种振动和反流，让这种振动恰好可以促进其它气缸的进气，这就是所谓的“谐波进气”。还有些发动机有一个“进气总管”，它一端与节气门相连，另一端与进气歧管相连，起到一个存储空气、缓冲压力的作用，各进气歧管中的振动和反流，在这里会被消除，从而避免干扰其它气缸进气。

不过这种较长的进气歧管对于发动机中低转速是有利的，但是发动机在高速运转时需要更多的空气更快的进入气缸，所以这种固定长度的进气歧管对于发动机高转速时却是不利的。为了能兼顾发动机的高中低转速时的性能，工程师研发出了可变长度进气歧管。当发动机高速运转时，进气歧管中的一个翻板打开，让空气从一个比较短的路径快速进入发动机，从而大大改善了发动机的高速性能。这一功能在很多高档车上都有应用。

在这个位置，还有一种布置型式，就是进气增压。把从节气门出来的空气，用增压器压缩提高压力，然后再送入发动机。空气被压缩后，温度升高，压力增加，密度增加，同体积的空气含有的氧含量更高，就相当于增加了空气供给，提高了充气系数。在增压的条件下，发动机充气系数最多可以提高到2.0以上，然后再增加喷射相应数量的汽油，动力可以大幅度提高，实现了“小排量、高动力”。进气增压有机械增压和废气涡轮增压两种型式，现在更多的采用废气涡轮增压。进气经过增压后，压力提高，温度也会升高，为了避免进气温度过高，一般都会同时采用增压中冷技术，将增压后的空气冷却后再送入发动机，这样也相当于进一步提高了充气系数。

空气从进气歧管中出来，就进入了气缸盖的进气道中，准备经过进气门进入发动机燃烧室，这是空气需要经过的第二道“鬼门关”。在发动机高速运转时，进排气门的开启时间极短，甚至只有0.001秒，在如此短的时间内，要想让发动机进气充分、排气彻底，是一个非常困难的事。所以，发动机配气机构这些年来是逐级进步的，从最早期的侧置气门，发展到顶置气门；从单进单排双气门，发展到双进双排四气门；从下置凸轮轴，发展到中置凸轮轴、顶置凸轮轴；从单顶置凸轮轴，发展到双顶置凸轮轴；从固定的气门开启时刻、开启高度，发展到可变气门正时和可变气门升程，等等。所有这些技术的进步，都是为了让更多的空气进入发动机。

表征气门开启时刻和持续时间的参数称为配气相位。普通的发动机，只有一个固定的配气相位。但是发动机在低中高不同的转速下，对进排气的需求有所不同，所以这种固定的配气相位只能照顾发动机在某一转速范围内的性能，无法兼顾全转速区域。因此，现在的发动机更多的采用了可变气门正时和可变气门升程技术，可以随着发动机转速的变化，进排气门的开启时刻、开启持续时间以及气门开启的角度都随之变化，较好的适应了发动机在各个转速下对进气的需求。比如我们常见的VVT、VVT-i、DVVT、CVVT、VVL、VTEC、i-VTEC，等等，都是这种功能的英文缩写。

空气进入发动机燃烧室，就遇到了自己的好基友——燃油。发动机的燃烧室都有特殊的形状，比如半球形燃烧室、盆形燃烧室、楔形燃烧室、ω形燃烧室等等，活塞的顶部也不是平整的，而是有特殊的凸起或者凹陷，这样做的目的是引导空气在燃烧室中合理回旋流动，形成进气涡流，让燃油进一步雾化蒸发，与空气更充分的混合，然后被压缩、升温，被火花塞点燃，膨胀做功，燃烧后的废气从排气门排出发动机，经过三元催化器催化裂解，将尾气中有害的碳氢化合物和氮氧化物还原成二氧化碳、氮气和水，然后再经过消音器消除排气脉动和火焰，降低尾气的温度和压力，最终排出到大气中。

从空气从进气门进入到从排气门排出这个过程称为“发动机换气过程”，大致可以分为自由排气、强制排气、惯性排气、准备进气、正常进气、惯性进气这六个阶段。换气过程的好坏，直接影响发动机的性能和排放。

至此，空气走完了在发动机中的全部路径，以身赴火完成了自己的使命。可以看出，在这个过程中，为了让尽可能多的空气进入发动机，工程师们可谓殚精竭虑，妙招频出，在我们看来一些小小不言的装置，可能都是工程师精心设计的结果。所以，我们千万不要小瞧这个简约而不简单的进气系统，它的性能优劣，可以直接影响发动机的性能高低。在日常保养中，我们要定期更换空气滤芯，保持进气系统的良好密封，适时清洗节气门和清除进气道中的积碳，让更清洁、足量的空气进入发动机。