汽油发动机四冲程如何通过进气压缩做功排气四个步骤工作？

汽油发动机四冲程是内燃机的核心工作原理,由德国工程师尼古拉斯·奥托于1876年发明，也称为“奥托循环”，它通过活塞在气缸内的往复运动，分为进气、压缩、做功、排气四个连续冲程，将燃料的化学能转化为机械能，驱动车辆运行，每个冲程对应活塞的两个行程（曲轴旋转一圈），完成一个完整循环需曲轴旋转两圈（活塞四个行程），以下从结构、工作过程、能量转换等方面详细解析。

四冲程工作原理详解

汽油发动机主要由气缸、活塞、连杆、曲轴、进气门、排气门、火花塞、凸轮轴等部件组成，活塞在气缸内移动时，其最高位置为“上止点”（TDC），最低位置为“下止点”（BDC），TDC与BDC之间的距离为活塞行程，四个冲程协同工作，确保发动机连续运转。

进气冲程

活塞运动：活塞从上止点（TDC）向下止点（BDC）移动，曲轴旋转180°（0°-180°）。
气门状态：进气门开启，排气门关闭。
工作过程：活塞下行时，气缸容积增大，内部压力下降（略低于大气压，约0.075-0.09MPa），化油器或电喷系统将汽油与空气按一定比例（理论空燃比14.7:1）形成可燃混合气，通过进气门被吸入气缸。
能量变化：活塞克服气缸内负压做功，消耗发动机部分能量（由飞轮或 previous 冲程储存的动能提供）。
关键点：混合气浓度直接影响燃烧效率，现代发动机通过传感器精确控制喷油量，确保空燃比最优。

压缩冲程

活塞运动：活塞从下止点（BDC）向上止点（TDC）移动，曲轴旋转180°（180°-360°）。
气门状态：进、排气门均关闭。
工作过程：活塞上行时，气缸容积逐渐减小，混合气被压缩，压力和温度升高，汽油发动机的压缩比一般为8:1-12:1（涡轮增压发动机可达12:1-14:1），压缩后混合气压力可达0.8-1.5MPa，温度达300-500°C，为点火做准备。
能量变化：活塞对混合气做功，将机械能转化为混合气的内能（压力能和热能），此过程消耗功，但为后续做功冲程积蓄能量。
关键点：压缩比过高易引发“爆震”（混合气自燃），导致发动机功率下降、零件损坏，需通过燃油辛烷值、燃烧室设计等控制。

做功冲程（膨胀冲程）

活塞运动：活塞从上止点（TDC）向下止点（BDC）移动，曲轴旋转180°（360°-540°）。
气门状态：进、排气门均关闭。
工作过程：活塞接近TDC时，火花塞产生电火花点燃混合气，混合气急剧燃烧，产生高温高压气体（瞬时压力可达3-5MPa，温度2000-2500°C），高压气体推动活塞快速下行，通过连杆带动曲轴旋转，对外输出动力。
能量转换：燃料化学能通过燃烧转化为热能，热能推动活塞做功，转化为机械能（曲轴旋转动能），这是发动机唯一对外输出动力的冲程。
关键点：点火提前角（点火时刻相对于活塞上止点的提前角度）影响做功效率，需根据发动机转速、负荷调整，确保最大扭矩输出。

排气冲程

活塞运动：活塞从下止点（BDC）向上止点（TDC）移动，曲轴旋转180°（540°-720°）。
气门状态：进气门关闭，排气门开启。
工作过程：活塞上行时，燃烧后的废气（CO₂、H₂O、NOx等）在活塞挤压下，通过排气门排出气缸，排气过程中，气缸内压力略高于大气压（约0.105-0.12MPa），废气以高速流出，为下一循环进气创造条件。
能量变化：活塞克服废气阻力做功，消耗少量能量，但通过排气门开启时机（如“气门重叠”）可利用废气惯性扫除残余废气，提高进气效率。
关键点：排气系统（三元催化器等）可净化废气中的有害物质，减少环境污染；排气背压过大（如排气管堵塞）会影响发动机功率。

四冲程协同工作与循环归纳

四个冲程依次进行,周而复始：进气（吸混合气）→压缩（升压升温）→做功（燃烧膨胀）→排气（排出废气），每完成一个循环（720°曲轴转角），发动机输出一次动力，不同气缸的发动机（如四缸、六缸）通过点火顺序（如1-3-4-2）错开做功冲程，保证动力输出更平顺。

以下为四冲程关键参数对比表：

冲程名称	活塞运动方向	气门状态	曲轴转角范围	气缸内压力变化	主要作用	能量转换方向
进气冲程	TDC→BDC	进气门开，排气门关	0°-180°	低于大气压（0.075-0.09MPa）	吸入可燃混合气	机械能→压力能（消耗功）
压缩冲程	BDC→TDC	进、排气门均关	180°-360°	8-1.5MPa	升压升温，为点火做准备	机械能→内能（消耗功）
做功冲程	TDC→BDC	进、排气门均关	360°-540°	3-5MPa（瞬时峰值）	对外输出动力	化学能→机械能（输出功）
排气冲程	BDC→TDC	进气门关，排气门开	540°-720°	略高于大气压（0.105-0.12MPa）	排出废气，为进气做准备	机械能→压力能（消耗少量功）

四冲程发动机的技术优化

现代汽油发动机通过技术提升四冲程效率,如：

• 可变气门正时（VVT）：根据转速调整气门开启/关闭时机，优化低速扭矩和高功率输出；
• 缸内直喷（GDI）：将汽油直接喷入气缸，实现分层燃烧，提高燃油经济性；
• 涡轮增压（Turbo）：利用废气驱动涡轮，增加进气量，提升压缩比和功率；
• 阿特金森循环：通过延长膨胀行程，提高热效率，广泛应用于混动发动机。

相关问答FAQs

Q1：汽油发动机四冲程与二冲程有什么本质区别？
A：核心区别在于工作循环和结构：（1）冲程数量：四冲程需活塞4个行程（曲轴2圈）完成一个循环，二冲程仅需2个行程（曲轴1圈）；（2）气门结构：四冲程通过凸轮轴控制进排气门，二冲程依靠气缸壁上的气孔（进气孔、排气孔、换气孔）配气；（3）效率与排放：四冲程燃烧更充分，油耗低、排放少，二冲程因换气时混合气流失，油耗高、污染大，现已多用于小型动力设备（如摩托车、割草机）。

Q2：为什么汽油发动机的压缩比不能无限提高？
A：压缩比过高会导致“爆震”——即混合气在火花塞点火前被高压高温点燃，形成非正常燃烧，爆震会引发：① 活塞、连杆等零件冲击载荷增大，机械损坏风险上升；② 燃烧火焰传播速度异常，热效率反下降，发动机功率降低；③ 局部高温产生积碳，加剧发动机磨损，需根据燃油辛烷值（如92#、95#汽油）、燃烧室设计、冷却系统等限制压缩比，普通汽油机压缩比通常不超过12:1，高压缩比发动机需配合高辛烷值燃油和爆震传感器控制。