四冲程发动机原理，四个冲程如何实现能量转换与做功？

四冲程发动机是内燃机的核心类型，由德国工程师尼古拉斯·奥托于1876年发明，也称为“奥托循环发动机”，它通过四个连续的冲程——进气、压缩、做功、排气，完成一个工作循环，将燃料的化学能转化为机械能，广泛应用于汽车、摩托车、船舶和发电设备等领域，其核心在于通过活塞在气缸内的往复运动，配合气门的精确开闭，实现工质（燃料与空气混合物或纯空气）的吸入、压缩、燃烧和排出,最终输出动力。

四冲程发动机的工作原理详解

四冲程发动机的一个完整工作循环包括四个冲程，对应活塞在气缸内两个往返行程（曲轴旋转两圈，720°），每个冲程均有特定的活塞运动、气门状态和能量转换过程，四者协同配合,实现持续的动力输出。

进气冲程

活塞运动：活塞从气缸最上方的“上止点”（TDC）向最下方的“下止点”（BDC）移动。
气门状态：进气门开启，排气门关闭。
缸内过程：活塞下行时，气缸容积逐渐增大，缸内压力降至略低于大气压（形成负压），此时化油器或电喷系统供给的汽油与空气混合的可燃混合气（汽油机），或纯空气（柴油机），通过开启的进气门被吸入气缸。
能量转换：此冲程为吸气过程，发动机不输出能量，活塞的运动依靠曲轴和飞轮储存的惯性维持。
关键作用：为燃料燃烧提供充足的工质，是后续能量转换的基础。

压缩冲程

活塞运动：活塞从BDC向TDC移动。
气门状态：进、排气门均关闭。
缸内过程：活塞上行时，气缸容积逐渐减小，被吸入的混合气或空气被压缩，温度和压力显著升高，汽油机的压缩比一般为8:12~12:1，柴油机因压燃需求，压缩比高达17:1~22:1，压缩冲程终了时，汽油机的火花塞点燃混合气，柴油机则通过喷油嘴将柴油喷入高温高压空气，实现自燃。
能量转换：此冲程将活塞的机械能转化为工质的内能（热能），为做功冲程储备能量。
关键作用：提高工质的温度和压力，确保燃料能可靠燃烧（汽油机点火或柴油机压燃），同时提升热效率。

做功冲程（膨胀冲程）

活塞运动：活塞被高温高压燃气推动，从TDC向BDC移动。
气门状态：进、排气门仍关闭。
缸内过程：燃料燃烧产生的高温高压燃气（汽油机可达2000℃以上，压力3-5MPa；柴油机可达1700-2000℃，压力6-9MPa）急剧膨胀，推动活塞下行，通过连杆带动曲轴旋转，对外输出动力。
能量转换：此冲程是唯一输出能量的过程，将工质的内能转化为活塞的机械能，曲轴输出的扭矩即来自此冲程。
关键作用：提供发动机的主要动力，同时带动曲轴、飞轮等部件旋转，为其他三个冲程提供惯性支持。

排气冲程

活塞运动：活塞从BDC向TDC移动。
气门状态：进气门关闭，排气门开启。
缸内过程：活塞上行时，缸内废气被活塞推出，通过开启的排气门排入大气，为排除更多废气，排气门在活塞到达TDC前会提前开启（“排气提前角”），并在活塞越过TDC后延迟关闭（“排气迟闭角”）。
能量转换：此冲程消耗少量能量，用于克服排气阻力，活塞运动仍依靠飞轮惯性维持。
关键作用：清除气缸内的燃烧废气，为下一个循环的进气做准备，避免废气对新混合气的稀释。

四冲程发动机的整体工作循环特点

• 曲轴转角与行程：一个完整循环（720°曲轴转角）对应活塞4个行程（2个往返），仅做功冲程输出能量，其余三个冲程消耗能量（由飞轮释放惯性能量补偿）。
• 多缸协同：多缸发动机（如4缸、6缸）通过各气缸交替进行不同冲程（如1缸做功时，2缸排气、3缸压缩、4缸进气），使动力输出更平稳，减少振动。
• 配气机构配合：凸轮轴通过正时皮带/链条与曲轴连接（传动比1:2），精确控制气门开闭时间，确保气门在正确时刻开启/关闭（如进气门在进气上止点后关闭，避免混合气倒流）。

四冲程发动机与柴油机的差异

尽管四冲程基本原理相同，但汽油机与柴油机在燃料点燃方式、压缩比、燃料供给等方面存在差异：
| 对比项 | 汽油机 | 柴油机 |
|------------------|---------------------------|---------------------------|
| 燃料点燃方式 | 火花塞点燃（点燃式） | 压燃自燃（压燃式） |
| 压缩比 | 8:12~12:1 | 17:1~22:1 |
| 燃料供给 | 化油器/电喷系统供给混合气 | 高压油泵喷入纯柴油 |
| 性能特点 | 转速高、噪音低、启动容易 | 扭矩大、热效率高、油耗低 |

相关问答FAQs

Q1：四冲程发动机和二冲程发动机的主要区别是什么？
A1：核心区别在于工作循环的行程数和换气方式，四冲程发动机需4个行程（720°曲轴转角）完成一个循环，进排气通过气门控制，换气充分，热效率高（约30%-35%），但结构复杂；二冲程发动机2个行程（360°曲轴转角）完成一个循环，通过气缸壁上的进气孔和排气孔换气，换气不彻底，热效率低（约20%-25%），但结构简单、升功率大，多用于小型摩托车、船舶等。

Q2：为什么柴油机的压缩比比汽油机高？
A2：柴油机采用压燃式点火，需通过压缩空气使温度达到柴油的自燃点（约300℃以上），高压缩比（17:1~22:1）能将空气压缩至高温高压状态，确保柴油喷入后立即自燃；而汽油机为避免爆震（末端混合气自燃），压缩比较低（8:12~12:1），通过火花塞精确点燃混合气，高压缩比也使柴油机热效率更高（约40%-45%）,燃油经济性更好。