第二节 四冲程发动机的工作原理与主要性能指标
汽油发动机工作原理
汽油机在工作时将汽油和空气混合后的可燃混合气用电火花强制点燃使其燃烧，产生热能而膨胀做功。柴油机则利用喷油泵使柴油在高压下由喷油器直接喷入发动机气缸内，并与气缸内已经被压缩的高温空气混合形成混合气，自燃后产生热能而膨胀做功。
一、四冲程汽油机的工作原理
四冲程汽油发动机每完成一个工作循环需要经过进气、压缩、膨胀（做功）和排气四个行程，如图2-3所示。对应活塞上下四个行程，相应的曲轴旋转720°（两圈）。
图2-3 四冲程汽油机的工作原理示意图
1.进气行程
进气行程如图2-3a所示。进气行程开始时，排气门关闭，进气门开启，活塞被曲轴带动从上止点向下止点移动一个行程；曲轴由0°沿顺时针方向转到180°。
当活塞从上止点向下止点移动时，气缸内活塞上方的容积增大，压力降低到小于大气压力，产生真空度。这时，可燃混合气（或空气）经进气歧管、进气门被吸入气缸。由于进气系统有阻力，且进气时间很短，故进气终了时气缸内的气体压力略低于大气压力，为75～90kPa。
流进气缸内的可燃混合气，因与气缸壁、活塞顶部等高温部分接触并与前一行程（排气行程）留下的高温残余废气混合，所以它的温度上升到353～403K。
2.压缩行程
压缩行程如图2-3b所示。在进气行程终了时，活塞自下止点向上止点移动，曲轴由180°转到360°，此时进、排气门均关闭。随着气缸的容积不断缩小，可燃混合气受到压缩，其温度和压力不断升高。压缩行程一直持续到活塞到达上止点时为止。此时，可燃混合气被压缩到活塞上方的很小空间，即燃烧室中。压缩终了时，可燃混合气的温度为600～700K，可燃混合气压力为600～1500kPa。
压缩终了时可燃混合气的压力和温度取决于压缩比，压缩比越大，燃烧速度越快，因而发动机发出的功率便越大，经济性越好。但压缩比过大时，不但不能改善燃烧，反而会出现爆燃和表面点火等不正常燃烧现象。
3.做功行程
做功行程如图2-3c所示。进、排气门仍关闭。当活塞接近上止点时，装在气缸盖上的火花塞在高压电作用下产生电火花，点燃被压缩的可燃混合气。可燃混合气燃烧后，放出大量的热能，使燃气的压力和温度急剧升高。气缸内瞬时压力可达3～5 MPa，瞬时温度可达2200～2800K。由于气体迅速膨胀，从而活塞被高压气体推动从上止点下行，带动曲轴从360°旋转到540°，并输出机械能，能量除了维持发动机本身继续运转消耗一部分外，其余部分都用于对外做功，所以该行程称为做功行程。在做功行程终了时，气缸内压力降到0.3～0.5 MPa，温度则降为1300～1600K。
4.排气行程
排气行程如图2-3d所示。当膨胀行程接近终了时，进气门关闭，排气门开启，曲轴通过连杆推动活塞从下止点向上止点运动，曲轴由540°旋转到720°。废气在自身残余压力和活塞推力作用下从气缸中排出。活塞到上止点附近时，排气行程结束。由于排气系统存在排气阻力，所以在排气终了时，气缸内压力稍高于大气压力，约为105～125kPa，废气温度约为900～1200K。
因燃烧室占有一定容积，故排气终了时，不可能将废气排尽，留下的这一部分废气称为残余废气。
二、四冲程柴油机工作原理
四冲程柴油机（压燃式发动机）和四冲程汽油机一样，每个工作循环也经历进气、压缩、做功、排气四个行程。由于柴油机用的柴油其黏度比汽油大，不易蒸发，且自燃温度又较汽油低，因此可燃混合气的形成及着火方式便不同于汽油机。
图2-4为四冲程柴油机工作示意图。柴油机在进气行程吸入的是纯空气。在压缩行程接近终了时，柴油经喷油泵将油压提高到10MPa以上，通过喷油器的高压喷射，将柴油分散成数以百万计的细小油雾喷入气缸，在很短时间内与压缩后的高温空气混合，形成可燃混合气。
图2-4 四冲程柴油机的工作原理示意图
由于柴油机压缩终了时气缸内空气压力可达3.5～4.5MPa，同时温度高达750～1000K，大大超过柴油的自燃温度。故柴油喷入气缸后，在很短时间内与高温高压空气混合后便立即自行发火燃烧。气缸内气压急剧上升到6～9MPa，温度也升到2000～2500K。在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转做功，废气同样经排气管排出。
从四冲程发动机的工作循环可知，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的做功准备行程。因此，对于单缸发动机，使曲轴旋转的动力仅来自于做功行程，其余三个行程靠贮存能量的飞轮惯性来维持转动。显然，在做功行程时，曲轴的转速比其他三个行程转速要高，所以它的转速是不均匀的，因而发动机工作就不平稳，振动大。为了解决这个问题，可将飞轮做成具有更大的转动惯量，但这样会使整个发动机质量和尺寸增加。采用多缸发动机便可弥补上述不足。现代汽车用得最多的是四缸和六缸发动机。
三、汽油机与柴油机的比较
柴油机与汽油机各有其特点。柴油机因其工作原理不同，燃油消耗率平均比汽油机低30%左右，故燃油经济性较好，且柴油机没有电气和点火系统的故障。一般载质量在7t以上的载货汽车多用柴油机。但柴油机工作转速较汽油机低（一般最高转速为2500～3000r/min）、质量大、制造和维修费用高（因为喷油泵和喷油器加工精度要求较高）。柴油机的这些弱点逐渐得到克服，它的应用范围普及到中、轻型载货汽车。目前部分轿车也采用柴油机，其最高转速可达5000r/min以上。
汽油机具有转速高（目前轿车用汽油机最高转速达5000～7000r/min）、质量小、工作噪声低、起动容易、工作稳定、适应性好、制造和维修费用低等特点，故在轿车和中、小型载货汽车上及军用越野车上得到广泛的应用。但汽油机燃油消耗率较高。
四、发动机的主要性能指标
发动机的主要性能指标包括动力性指标和经济性指标。
1.动力性指标
发动机的动力性指标包括有效转矩、有效功率等。
（1）有效转矩 发动机通过曲轴端的飞轮对外输出的转矩称为发动机的有效转矩，用Me表示，单位为N • m。发动机的转矩是由气体作用在活塞上的力通过连杆推动曲轴而产生的。
（2）有效功率 发动机通过飞轮对外输出的功率称为发动机的有效功率，用Pe表示，单位为kW。它等于有效转矩与曲轴角速度的乘积。发动机的有效功率可以用台架试验方法测定。在测功器上测定有效转矩和曲轴转速，然后运用以下公式算出发动机有效功率（单位为kW）：
式中 Me—有效转矩，单位为N • m；
n—曲轴转速，单位为r/min。
发动机产品铭牌上标明的功率及相应的转速称为标定功率和标定转速。按内燃机台架试验国家标准规定，发动机的标定功率分为15min功率、1h功率、12h功率和持续功率四种。鉴于汽车发动机经常在部分负荷下，即较小的功率下工作，仅克服上坡阻力和加速等情况下才短时间地使用最大功率，为了保证发动机有较小的结构尺寸和质量，汽车发动机经常用15min功率作为标定功率。
2.经济性指标
一般用燃油消耗率表示发动机的经济性指标。燃油消耗率指发动机每发出1kW有效功率，在1h内所消耗的燃油质量（以g为单位），用ge表示。很明显，燃油消耗率越低，发动机的燃油经济性越好。
燃油消耗率[单位为g/（kW • h）]按下式计算：
式中 Gf—发动机每单位时间的耗油量，单位为kg/h，可由试验测定；
Pe—发动机的有效功率，单位为kW。