四冲程循环

四冲程循环是一种热机，更准确地说是一种内燃机，它将燃料燃烧产生的热能转化为旋转轴上的扭矩，即旋转动力。 内部过程可以描述为顺时针热力学循环（奥托或狄塞尔循环）。 对于一个循环周期（一个“工作循环”），机器需要四个称为“循环”的工作步骤。 在往复式发动机中，冲程是活塞从冲程的一个端点到另一个端点的运动。 因此，曲轴在一个循环中完成半转。

汽油发动机和柴油发动机在混合气形成和点火过程方面有所不同。 两者都有四冲程和二冲程变体。

在xxx个冲程开始时，活塞位于上止点 (TDC)。 出口阀关闭，进口阀打开。 活塞向曲轴方向运动，燃烧室增大。 当活塞向下移动时，气体混合物或空气通过进气门吸入气缸。在内部形成混合气的发动机中，例如直喷式柴油发动机或汽油发动机，仅吸入空气。 当混合气在外部形成时，如化油器发动机或带有进气歧管喷射的发动机，空气和雾化燃料的混合物被吸入。当活塞到达下止点时，进气门关闭，xxx冲程结束。

进气门在下止点后才关闭，这就是所谓的后加载效应，这样当活塞已经再次向上运动时，由于进气口气体的动能，气体继续流入。 理想情况下，阀门恰好在气柱停止时关闭。 这导致更好的填充，从而提高发动机性能。

活塞向上止点移动，为此所需的机械功来自飞轮的旋转能量，或者在多缸发动机的情况下，来自飞轮和另一个气缸的做功冲程。 气缸中的混合物或空气现在被压缩到其原始体积的一小部分。 压缩程度取决于发动机的类型。 不带增压的汽油机压缩比一般在10:1以上（大型机有14:1以上），不带增压的柴油机压缩比在20:1以上。 使用涡轮增压时，比例要低得多，低至 7:1（汽油）和 14:1（柴油）。 在汽油发动机中，压缩将混合物加热到 450 °C 左右，在柴油发动机中，压缩将空气加热到 650 °C 左右。 在到达上止点前不久，汽油发动机点火，柴油发动机预喷射。 时间点根据负载和速度进行控制。

在上止点之后 – 柴油发动机进行主喷射 – 混合气继续独立燃烧。汽油发动机中燃烧气体混合物的温度达到 2200 至 2500 °C，满负荷压力可达高达 120 巴。 在柴油机中，温度在1800~2500℃和160bar之间，活塞向下死点移动，燃气对活塞做机械功，在此过程中冷却。 在下死点之前不久，汽油发动机中仍存在略低于 4 巴的残余压力，而柴油发动机中仍存在略低于 3 巴的残余压力。 出口阀开始打开。

当活塞再次离开下止点时，废气随着活塞的向上运动被推出气缸。 在排气冲程结束时，发生所谓的气门重叠。 进气门在活塞到达上止点之前和排气门关闭之前打开。 排气门仅在活塞到达上止点后不久关闭。

气体交换也可以用滑块控制。

气门由一根或多根凸轮轴控制。 这是由曲轴通过齿形皮带、正时链条、正齿轮或垂直轴驱动的。 垂直轴通常用于高性能发动机的配气机构，例如赛车、飞机和摩托车。 凸轮轴旋转始终以曲轴转速的一半运行，因为一个工作循环需要曲轴转两圈。

如果凸轮轴位于底部，即在曲轴箱中，则气缸盖中的顶置气门（OHV 气门控制 - 顶置气门）通常通过挺杆、推杆和摇臂驱动，气门位于气缸旁边（SV 气门控制） - 侧阀）直接通过挺杆或拖杆。 这两种设计过去都很常见，但不再用于新设计，大型发动机除外。如果在顶置凸轮轴气门上方提供凸轮轴（OHC 气门控制 - 顶置凸轮轴），则没有推杆；摇臂、摇臂和斗式挺杆等可用于驱动气门。 借助两个顶置凸轮轴（DOHC，双顶置凸轮轴），气门由斗式挺杆或摇臂驱动，由于系统的动态刚度，可确保在高发动机转速下指定控制时间的一致精度。 对于两个顶置凸轮轴，可变气门控制也可以通过两个可调凸轮轴实现，其中进气和排气正时可以相互独立地改变。

进气门多一个，进气阻力减小； 如果有一个以上的排气阀，则排气背压会降低。 因此，多气门发动机具有更快的气体交换和更好的气缸充气。 因此，根据设计，即使在高速下，它也能实现更高的扭矩。 这导致比双气门发动机更大的功率。

有了四个气门，日常使用的汽车发动机也有类似的增长。 例如，E30 系列的 BMW 318i 的 1.8 升四缸 M40B18被改装为四气门 M42B18，输出功率为 100 kW/136 hp @ 6000 318is机型不同缸盖/min； 但是，它的压缩比也更高，为 10:1，因此需要 95 RON 优质汽油（M40B18：普通汽油 91 RON 的压缩比为 8.8:1）。

通常不可能从气门数推导出气缸数和每缸气门数。 12V可以指每缸四气门的三缸发动机，每缸两个进气门和一个排气门的四缸发动机，或者是双气门技术的六缸发动机。

每个气缸最多有 5 个气门的发动机在大型发动机结构中很常见。 一个例外是小型本田 NR 750，配备椭圆形活塞发动机和每缸 8 个气门。

四冲程循环与二冲程发动机相比的优缺点是：

• 气体交换主要通过xxx冲程和第四冲程（排气/进气）中的体积位移发生，只有一小部分通过气门重叠期间的气柱动力学发生。 因此，新鲜气体和废气在很宽的发动机转速范围内得到很好的分离，从而降低了燃料消耗并改善了废气排放。
• 标配带压力润滑的闭式油路，这意味着润滑油的损失非常低。 在此过程中只会损失用于润滑压缩环的油。 由于现代发动机的制造质量，这种润滑油损失趋于零。 虽然二冲程发动机也可以设计成闭式压力循环润滑，但这通常只在复杂的大型发动机上实施。 在汪克尔发动机中，滚道表面必须用失油润滑。
• 热负荷往往较低，因为燃烧仅在曲轴每旋转一圈时发生。

• 四冲程往复式发动机的功率密度较低。 原因在于空行程：每个气缸每转一圈仅提供一个动力冲程，并作为扫气泵运行一转。
• 这也会导致扭矩传递不均匀。 但是，这不适用于汪克尔发动机； 每个单元（“圆盘”）为偏心轴的每一转提供一个工作循环。
• 四冲程循环的机械结构比二冲程发动机更复杂。