四冲程循环

空气、燃油、火花 & 动力

内燃机把燃油中的化学能转化为机械运动。绝大多数汽油发动机采用四冲程循环,由尼古劳斯·奥托于 1876 年发明。每个气缸重复四个冲程:两次上行,两次下行,才产生一次做功。

第 1 冲程:进气:活塞下行,进气门打开,精确计量的空气与燃油混合气被吸入气缸。现代发动机采用燃油喷射:由计算机控制的喷油器把雾化燃油喷入进气道或直接喷入气缸。

第 2 冲程:压缩:两个气门都关闭,活塞上行,把空气与燃油混合气压缩到气缸顶部的小空间里。典型的汽油发动机压缩比约为 10:1,意思是混合气被压缩到原来体积的十分之一。压缩提高混合气的温度和压力,使燃烧更高效。

冲程三:做功(燃烧):压缩冲程到达顶点时,火花塞点火。火花点燃被压缩的空气燃油混合气,混合气迅速燃烧并膨胀,以巨大的力量推动活塞向下运动。这是唯一产生动力的冲程:其余三个冲程负责准备与清理。

冲程四:排气:排气门打开,活塞上行,把燃烧后的废气推出气缸,送入排气系统。然后循环重新开始。

排量是所有活塞在一个完整循环中扫过的总体积。一台 2.0 升的发动机,各气缸的排量合计为 2 升。排量越大,通常动力越强,但油耗也越高。

压缩比是冲程底部的气缸容积与冲程顶部的气缸容积之比。压缩比越高,从燃油中提取的能量越多,但需要更高辛烷值的汽油来防止爆震:爆震即不受控制的爆燃,会损坏发动机。

诊断失火故障

一位顾客开来一辆四缸汽车。发动机运转粗糙,怠速时抖动。发动机故障灯亮起,诊断扫描仪显示 3 号气缸失火的故障码。发动机只靠三个气缸运转,而不是四个。

变速器、差速器与驱动布局

把动力送到车轮

发动机在曲轴处产生旋转力（扭矩）。但这股原始动力无法直接传给车轮：它需要针对速度、方向和牵引力进行调整。这正是传动系统的工作。

变速器：变速器改变发动机与车轮之间的传动比。在低档时，发动机相对于车轮转得很快：产生高扭矩，适合加速和爬坡。在高档时，发动机相对于车轮转得较慢：适合以高速公路车速高效巡航。手动变速器使用离合器和由驾驶员选择的档位。自动变速器使用液力变矩器和行星齿轮组，由变速器控制模块（TCM）控制。

差速器:汽车转弯时,外侧车轮行驶的路径比内侧车轮更长。差速器是安装在车桥壳内的一组齿轮,让两个驱动轮在继续获得动力的同时,以不同的转速旋转。没有差速器,轮胎在每次转弯时都会拖滞打滑。

驱动布局:

- FWD(前轮驱动):发动机与变速器位于车头,驱动前轮。大多数乘用车采用前轮驱动,因为它结构紧凑、重量较轻,而且发动机重量压在驱动轮上,在雨天和小雪天气里牵引力良好。

- RWD(后轮驱动):发动机位于车头,动力经传动轴传到后桥。重量分布更均衡,能承受更大马力,卡车、跑车和牵引作业偏爱这种布局。在湿滑路面上容易出现转向过度。

- AWD(全轮驱动):动力传到全部四个车轮,通常经由中央差速器或分动箱。电脑可根据牵引状况调整前后车桥之间的扭矩分配。常见于跨界车和SUV。

- 4WD(四轮驱动):一种分时或可选择的系统,配有分动箱,可把前后车桥锁止在一起。专为越野和低附着力路况设计。在干燥的柏油路面上不应使用锁止模式,因为转弯时会使传动系统发生干涉卡滞。

选择驱动布局

一位顾客正在选购新车。他住在明尼苏达州,那里的冬天有大雪和冰面。他每年夏天还要拖着一艘 5,000 磅的船去湖边。他想要一辆冬季操控良好、拖车也可靠的车。

12 伏系统、CAN 总线与 OBD-II

车辆的神经系统

现代汽车采用 12 伏直流电气系统,由铅酸蓄电池供电,并由发动机蛇形皮带驱动的交流发电机充电。

蓄电池提供启动发动机所需的储备能量。一般汽车蓄电池可输出 400 至 800 冷启动电流(CCA),带动起动机运转;起动机转动发动机曲轴,直到燃烧接手工作。

交流发电机是皮带驱动的发电机,把发动机的机械能转换为电能。发动机运转后,交流发电机为所有电气系统供电,并为蓄电池充电。交流发电机故障意味着行驶时蓄电池慢慢耗电:最终汽车会熄火。

起动机是一种高扭矩电动机,与发动机飞轮齿圈啮合,带动发动机转动。它的电流消耗在车内所有部件中最高:数秒内达 150 至 300 安培。

CAN 总线(控制器局域网):现代车辆装有 30 至 100 个电子控制模块(ECU),它们需要相互通信。CAN 总线是一种双线通信网络,连接所有这些模块。发动机控制模块(ECM)、变速箱控制模块(TCM)、防抱死制动模块(ABS)、车身控制模块(BCM)以及数十个其他模块,都通过 CAN 共享数据。当 ECM 需要知道轮速时,它会从 CAN 总线上读取 ABS 模块的数据。

OBD-II(第二代车载诊断系统):自 1996 年起,美国销售的每辆汽车都在仪表板下方配有标准化的 16 针诊断接口。诊断仪插入后,可读取网络上任一控制模块设置的故障诊断码(DTC)。例如,代码 P0301 表示检测到 1 号气缸失火;P0420 表示催化转化器效率低于阈值。OBD-II 就是汽车诊断的通用语言。

电气故障诊断

一位客户的汽车无法起动。转动钥匙时,会听到快速的咔嗒声,但发动机不转。前灯很暗,而且在尝试起动时变得更暗。电池已使用三年。

停车与操控

盘式制动器、ABS 与悬架几何

制动系统通过摩擦把动能(运动)转化为热能(热量)。踩下制动踏板时,你会推动制动液流经制动管路,到达每个车轮上的制动钳。

盘式制动器:铸铁或复合材料制成的制动盘随车轮一起旋转。制动钳跨在制动盘两侧,施加液压后,把制动片夹紧在制动盘上。摩擦力使制动盘和车轮减速。盘式制动器散热性能好,不易热衰退,还能自行清除杂物。大多数现代汽车的四个车轮都使用盘式制动器。

鼓式制动器:制动蹄向外压紧旋转制动鼓的内侧。制造成本较低,一些经济型轿车和卡车的后轴仍在使用。制动鼓容易积聚热量和水分,重踩制动时更容易热衰退,潮湿时制动效果也较差。

ABS(防抱死制动系统):每个车轮处的轮速传感器向 ABS 模块报告数据。紧急制动时,若某个车轮抱死,ABS 模块会快速脉冲调节该车轮的液压:每秒释放并重新施加制动数十次。这样可防止轮胎打滑,让驾驶员在紧急制动过程中保持转向控制。ABS 在干燥路面上不会缩短制动距离:它保住的是转向能力。

麦弗逊式悬架(MacPherson 减震支柱):乘用车中最常见的前悬架设计。一个总成将减震器、螺旋弹簧和转向节集成为一个紧凑的单元。支柱顶部用螺栓固定在车身的支柱塔座上,底部与转向节和下控制臂相连。

车轮定位:定位指车轮相对于车身和路面的角度。三个主要角度分别是外倾角(从正面看,车轮向内或向外倾斜)、主销后倾角(从侧面看,转向轴线的倾斜)和前束(从上方看,轮胎前端向内还是向外)。定位不当会造成轮胎磨损不均、车辆跑偏和操控性变差。

制动故障诊断

一位客户反映,急刹车时方向盘抖动,制动踏板在脚下也会脉动。轻柔的日常制动时,振动消失。这辆车四个车轮均为盘式制动器,车龄五年,行驶里程 6 万英里。

汽车行业职业全景

汽车知识带你去往何处

仅在美国，汽车行业就雇用了超过 400 万人。合格技师的需求持续超过供给：经销商和独立维修店都难以补足职位空缺。

ASE 认证（汽车服务卓越认证，Automotive Service Excellence）：行业标准资质。ASE 针对特定领域提供认证：发动机维修（A1）、自动变速器（A2）、手动传动系统（A3）、悬架与转向（A4）、制动系统（A5）、电气系统（A6）、暖通空调（A7）以及发动机性能（A8）。通过全部八项即可获得 ASE 大师级技师称号。每项认证都要求通过笔试，并证明具备两年相关工作经验。

经销商技师：专攻某一品牌（福特、丰田、宝马等），并接受这些车型的原厂培训。经销商按标准工时制计酬：每项工作都有规定工时，无论技师实际花多长时间，都按规定工时付酬。动作快、技术精的技师收入可以高出许多。经销商提供清晰的晋升路径，从保养技工一路升到大师级技师。

独立维修店技师:负责所有品牌和车型。因为什么车都会遇到,所以需要更广博的知识和更强的诊断能力。独立维修店可能按小时计酬,也可能按标准工时计酬。自主性更高,针对特定品牌的培训更少。

电动汽车专项方向:电动汽车是增长最快的细分领域。电动汽车技师需要处理高压电池包(400-800 伏)、电驱动电机、再生制动系统和热管理系统。高压安全认证必不可少:电动汽车电池包的电压足以致命。特斯拉、Rivian 和 Lucid 等制造商正在建立自己的服务网络,并招聘接受过电动汽车专项培训的技师。

柴油机技师:负责商用卡车、公共汽车、重型设备和船用发动机。柴油发动机采用压燃点火(没有火花塞),工作压力和温度远高于汽油发动机。柴油机技师在货运、建筑和农业领域需求旺盛。许多柴油机技师年收入超过 70,000 美元,专业的重型设备技师收入可能更高。

如何入行:主要途径包括社区大学的汽车专业课程(1-2 年)、厂商赞助的培训项目(UTI、Lincoln Tech,或丰田 T-TEN、福特 ASSET 等原厂项目),以及在经销商或维修店当学徒。

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你现在已经了解了内燃机、传动系统、电气诊断以及制动与悬架的基础知识:这些核心系统是每一位汽车技师都必须掌握的。