两冲程循环

往复活塞式内燃机所用的燃料主要是汽油(gasoline)或柴油diesel)。由于汽油和柴油具有不同的性质，因而在发动机的工作原理和结构上有差异。

一. 四冲程汽油机工作原理

汽油机是将空气与汽油以一定的比例混合成良好的混合气，在进气行程被吸入汽缸，混合气经压缩点火燃烧而产生热能，高温高压的气体作用于活塞顶部，推动活塞作往复直线运动，通过连杆、曲轴飞轮机构对外输出机械能。四冲程汽油机在进气行程、压缩行程、做功行程和排气行程内完成一个工作循环。

(1) 进气行程(intake stroke)

活塞在曲轴的带动下由上止点移至下止点。此时进气门开启，排气门关闭，曲轴转动180°。在活塞移动过程中，汽缸容积逐渐增大，汽缸内气体压力从pr逐渐降低到pa，汽缸内形成一定的真空度，空气和汽油的混合气通过进气门被吸入汽缸，并在汽缸内进一步混合形成可燃混合气。由于进气系统存在阻力，进气终点(图中a 点)汽缸内气体压力小于大气压力0 p ，即pa= (0.80~0.90) 0 p 。进入汽缸内的可燃混合气的温度，由于进气管、汽缸壁、活塞顶、气门和燃烧室壁等高温零件的加热以及与残余废气的混合而升高到340~400K。

(2) 压缩行程(compression stroke)

压缩行程时，进、排气门同时关闭。活塞从下止点向上止点运动，曲轴转动180°。活塞上移时，工作容积逐渐缩小，缸内混合气受压缩后压力和温度不断升高，到达压缩终点时，其压力pc可达800~2 000kPa，温度达600~750K。在示功图上，压缩行程为曲线a~c。

(3) 做功行程(power stroke)

当活塞接近上止点时，由火花塞点燃可燃混合气，混合气燃烧释放出大量的热能，使汽缸内气体的压力和温度迅速提高。燃烧最高压力pZ达3 000~6 000kPa，温度TZ达2 200~2 800K。高温高压的燃气推动活塞从上止点向下止点运动，并通过曲柄连杆机构对外输出机械能。随着活塞下移，汽缸容积增加，气体压力和温度逐渐下降，到达b 点时，其压力降至300~500kPa，温度降至1 200~1 500K。在做功行程，进气门、排气门均关闭，曲轴转动180°。在示功图上，做功行程为曲线c-Z-b。

(4) 排气行程(exhaust stroke)

排气行程时，排气门开启，进气门仍然关闭，活塞从下止点向上止点运动，曲轴转动180°。排气门开启时，燃烧后的废气一方面在汽缸内外压差作用下向缸外排出，另一方面通过活塞的排挤作用向缸外排气。由于排气系统的阻力作用，排气终点r 点的压力稍高于大气压力，即pr=(1.05~1.20)p0。排气终点温度Tr=900~1100K。活塞运动到上止点时，燃烧室中仍留有一定容积的废气无法排出，这部分废气叫残余废气。

二. 四冲程柴油机工作原理

四冲程柴油机和汽油机一样，每个工作循环也是由进气行程、压缩行程、做功行程和排气行程组成。由于柴油机以柴油作燃料，与汽油相比，柴油自燃温度低、黏度大不易蒸发，因而柴油机采用压缩终点自燃着火，其工作过程及系统结构与汽油机有所不同.

(1) 进气行程

进入汽缸的工质是纯空气。由于柴油机进气系统阻力较小，进气终点压力pa= (0.85~0.95)p0，比汽油机高。进气终点温度Ta=300~340K，比汽油机低。

(2) 压缩行程

由于压缩的工质是纯空气，因此柴油机的压缩比比汽油机高(一般为ε=16~22)。压缩终点的压力为3 000~5 000kPa，压缩终点的温度为750~1 000K，大大超过柴油的自燃温度(约520K)。

(3) 做功行程

当压缩行程接近终了时，在高压油泵作用下，将柴油以10MPa左右的高压通过喷油器喷入汽缸燃烧室中，在很短的时间内与空气混合后立即自行发火燃烧。汽缸内气体的压力急速上升，最高达5 000~9 000kPa，最高温度达1 800~2 000K。由于柴油机是靠压缩自行着火燃烧，故称柴油机为压燃式发动机。

(4) 排气行程

柴油机的排气与汽油机基本相同，只是排气温度比汽油机低。一般Tr=700~900K。对于单缸发动机来说，其转速不均匀，发动机工作不平稳，振动大。这是因为四个行程中只有一个行程是做功的，其他三个行程是消耗动力为做功做准备的行程。为了解决这个问题，飞轮必须具有足够大的转动惯量，这样又会导致整个发动机质量和尺寸增加。采用多缸发动机可以弥补上述不足。现代汽车用多采用四缸、六缸和八缸发动机。

循环是在上止点开始的，即活塞处在其最上方位置。当活塞在其第一次向下运动的过程(进气冲程)中，燃料与空气的混合体通过一个或者多个气门注入气缸。进气门关闭，紧接着的压缩冲程压缩这种混合气体(压缩冲程)。

于是混合气体在接近压缩冲程顶点时被火花塞点燃。燃烧空气爆炸所产生的推力迫使活塞向下做第三次运动(做功冲程)。第四次也就是最后一次冲程是排气冲程，燃烧过的气体通过排气门排出气缸。

通俗地讲凸轮轴就是一个带有几个叫做凸轮的椭圆形突出体的圆柱，通过它的运动带动气门的运动。凸轮轴旋转时，凸轮推动气门(通常是通过叫做挺杆的中间部件)使之在相应的时间打开。气门是用弹簧顶住的，当凸轮的突起不是正对着气门时它是关闭着的。每个循环一个气门只打开一次，也就是，曲轴旋转两周凸轮轴转一周。上面图示是双顶置式凸轮轴发动机。

四冲程发动机比两冲程的效率要高很多。不过需要相当多的可移动零件以及更高的制造技术。

您现在可以看出二冲程发动机优于四冲程发动机的两个重要的优点:它们更简单、更轻便，并且能够产生两倍的功率。那么为什么汽车、卡车要使用四冲程发动机呢?有四个主要原因:

二冲程发动机没有四冲程发动机经久耐用。缺少专门的润滑系统意味着二冲程发动机的零件耗损要快得多。

二冲程机油非常贵，每升汽油就得配上大约32毫升的这种机油。如果汽车中使用二冲程发动机，每1,600公里就要烧掉大约4升的机油。

二冲程发动机燃料的利用效率不高，所以每升燃料跑的里程数会更少。

二冲程发动机还产生大量的污染--事实上污染如此严重，以致于很可能过不了多久您就不会再看到它们的身影了。

污染有两个来源。首先是机油的燃烧。机油使所有二冲程发动机都在某种程度上冒烟，而一台耗损严重的二冲程发动机会释放出大团的油烟。第二个原因不很明显，但是可以从下面的图中看出来:每次一定量新的空气燃料混合物被加载到燃烧室，其中的一部分就会通过排汽口漏出去。这就是为什么我们能在所有二冲程的船舶发动机上看到一层发亮的油的原因。新鲜燃料中泄漏出来的碳水化合物与漏出来的机油结合在一起是个不小的环境问题。

这些缺陷意味着二冲程发动机只能用在那些马达不常使用和极高功率重量比非常重要的应用中。

同时，制造商们一直在努力使四冲程发动机小型化和轻便化，您能够看到研究产品通过各种新式的水上和草坪护理类产品面世。