1.1.4 单缸四冲程发动机的工作原理
发动机汽缸内每产生一次动力，都要经过进气、压缩、做功和排气四个工作过程。这四个工作过程称为发动机的一个工作循环。发动机的一个工作循环如果是在曲轴旋转两周（720°），活塞在汽缸内上、下运动共四个活塞行程内完成的，则称为四冲程发动机。发动机的一个工作循环若在曲轴旋转一周（360°），活塞在汽缸内上、下运动共两个活塞行程内完成的，则称为二冲程发动机。现代汽车大多采用四冲程发动机。
1.单缸四冲程汽油机工作原理
图1.3所示为单缸四冲程汽油机的结构示意图，其工作原理与工作过程如图1.4所示，如图1.5所示则为四冲程汽油机示功图。化油器式汽油机工作时，汽油和空气先经汽缸外部的化油器初步混合形成可燃混合气，然后进入汽缸燃烧产生动力。
图1.3 单缸四冲程汽油机的结构示意图
（1）进气冲程。进气冲程开始时，进气门打开，排气门关闭。曲轴旋转，通过连杆带动活塞由上止点向下止点运动，如图1.4（a）所示；活塞顶上部容积逐渐增大，汽缸内压力逐渐降低，产生真空吸力，将可燃混合气经进气管、进气门吸入汽缸。
当活塞运行到下止点时，曲轴转过半周（180°），进气门关闭，进气冲程结束。进气过程中汽缸内部压力P、汽缸容积V沿曲线ra变化，如图1.5（a）所示。进气冲程结束时，汽缸内部压力略低于外界大气压力。
（2）压缩冲程。压缩冲程如图1.4（b）所示，进、排气门均保持关闭状态。活塞由下止点向上止点运动，汽缸内部容积减小、压力增大，可燃混合气被压缩，如图1.5（b）中的曲线ac所示。当活塞到达上止点时，曲轴转过第二个半周（即总共转过360°），压缩冲程结束。压缩冲程结束时，燃烧室内的气体压力达到0.6～1.5MPa，温度达到600～700K。
（3）做功冲程。做功冲程如图1.4（c）所示。压缩冲程接近终了时，点火系统通过火花塞产生高压电火花，点燃燃烧室内的可燃混合气（进排气门仍保持关闭状态）。混合气迅速燃烧，缸内气体温度、压力急速升高，如图1.5（c）之cz曲线所示。在上止点后附近温度可达2200～2800K，压力达3～5MPa。
燃烧后的高温高压气体推动活塞迅速向下运动（PV沿图1.5（c）中的zb曲线变化），通过连杆使曲轴旋转，产生转矩做功，完成一次将热能转变为机械能的过程。
当活塞到达下止点时，曲轴转过第三个半圈（此时已经转过540°），做功冲程结束。做功冲程结束时，汽缸内的温度和压力分别降至1300～1600K和0.3～0.5MPa。
（4）排气冲程。排气冲程如图1.4（d）所示。在做功冲程接近完成时，排气门开启。汽缸内做功后的废气在残余压力作用下，大部分经排气门自行排出。活塞从下止点向上止点运动时，进一步将废气排出。活塞到达上止点，曲轴转过第四个半圈（720°）。排气冲程PV变化如图1.5（d）所示。排气冲程结束，汽缸内的废气温度约为900～1200K，压力降至0.105～0.115MPa。
图1.4 单缸四冲程汽油机的工作过程
图1.5 四冲程汽油机示功图
排气冲程结束，排气门关闭，进气门开启，活塞继续向下运动，又开始了下一个工作循环。如此重复，循环不已。
单缸四冲程汽油机工作时，曲轴转角、活塞运动、气门状态、汽缸内的温度压力等情况，如表1.1所示。
表1.1 单缸四冲程汽油机的工作过程
2.单缸四冲程柴油机的工作原理
单缸四冲程柴油机与汽油机一样，每个工作循环也要经历进气、压缩、做功和排气四个冲程。由于柴油的密度比汽油大，不易蒸发，自燃温度低，所以，可燃混合气的形成方式和着火方式与汽油机不同。图1.6所示为单缸四冲程柴油机的结构示意图，其工作原理与工作过程如图1.7所示，示功图如图1.5所示。
（1）进气冲程。柴油机在进气冲程中，吸入汽缸的是新鲜空气，如图1.7（a）所示。
（2）压缩冲程。活塞由下止点向上止点运动时，汽缸内压缩的是纯空气，如图1.7（b）所示。由于柴油机的压缩比比较高，因而压缩冲程结束时，汽缸内气体的温度压力都比较高，最高温度可达800～1000K，高于柴油的自燃温度（约627K）；压力为3～5MPa。
（3）做功冲程。当压缩冲程接近完成时，喷油泵将高压柴油经喷油器呈雾状喷入燃烧室中，高压柴油与高温空气密切接触而迅速着火燃烧，使汽缸内气体温度压力急剧升高。燃烧瞬时气体温度达1800～2200K，瞬时压力高达5～10MPa。此后一段时间内，柴油边喷边燃烧，高温高压气体，推动活塞下行而做功，如图1.7（c）所示。做功冲程结束时温度为1200～1500K，压力为0.2～0.4MPa。
图1.6 单缸四冲程柴油机的结构示意图
图1.7 单缸四冲程柴油机的工作过程
（4）排气冲程。排气冲程与汽油机基本相同，如图1.7（d）所示。排气冲程结束时汽缸内温度为800～1000K，压力为0.105～0.125MPa。
单缸四冲程柴油机工作时，曲轴转角、活塞运动、气门状态、汽缸内的温度与压力等情况，如表1.1所示，括号内为柴油机对应冲程的压力、温度。
3.单缸四冲程发动机的工作特点
（1）四冲程发动机的一个工作循环，曲轴转两圈（即转过720°），每一个冲程曲轴转半圈（即转过180°），进气冲程时进气门开启，排气冲程时排气门开启，其余两个冲程进、排气门均关闭。
（2）发动机运转的第一个循环，必须有外力使曲轴旋转完成进气、压缩冲程，并且着火燃烧完成做功冲程后，依靠曲轴和飞轮储存的能量便可自行完成以后的冲程，此后的工作循环发动机无须外力即可自行完成。
（3）发动机在换气过程中若能做到进气充分、排气彻底，即可提高充气系数，增大发动机发出的功率。
（4）单缸四冲程发动机只有做功冲程产生动力，其他三个冲程则消耗动力，但不可或缺地为做功冲程做准备。因此，单缸发动机的工作很不平稳，为了提高发动机转速的均匀性，一般采取在单缸发动机的曲轴上安装一个质量和尺寸均较大的飞轮，或采用多缸发动机。
对于多缸四冲程发动机，曲轴每转两圈过程中，所有汽缸都要完成一个工作循环，且各汽缸所有的工作循环完全相同，并严格按进气、压缩、做功、排气的次序进行。在结构上采用适当形式的曲轴，可以使各汽缸的做功冲程间隔角（曲轴转角=720°/i）均匀，做功顺序相互交错，保证发动机运转平稳。例如，四缸发动机，各缸做功冲程间隔角为180°（720°/4）；八缸四冲程发动机，各缸做功冲程间隔角为90°（720°/8）。汽缸数越多，各汽缸做功间隔角越小，发动机的工作越平稳。但汽缸数越多，结构越复杂，结构尺寸和整体质量均增加。现代汽车用得最多的是四缸、六缸和八缸发动机。
多缸发动机的工作顺序与曲轴的结构形式有关，这将在第2章中介绍。
4.柴油机与汽油机的比较
（1）汽油机的混合气是在汽缸外部，由化油器或汽油直接喷射系统完成，汽油与空气是先混合后燃烧；而柴油机的混合气在汽缸的内部进行，而且是边喷射边燃烧，混合、燃烧没有明显界限。因此，汽油机和柴油机的燃料供给系统在结构原理上完全不同。
（2）汽油机是在压缩冲程结束时，靠火花塞强制点火点燃混合气燃烧做功；而柴油机则是利用压缩冲程结束时，汽缸内部高温高压气体使柴油自行着火燃烧做功，因此柴油机没有点火系统。
（3）柴油机压缩比比汽油机高，燃油平均消耗率比汽油机低，故燃料经济性好，尾气排放污染小；但柴油机转速比汽油机低、质量大、制造和维修费用高，故柴油机一般多用做大型汽车的动力。
（4）汽油机具有转速高、质量小、工作噪声小、起动容易、工作平稳、操作省力、适应性好、制造和维修费用低等特点，故在轿车和中、小、微型汽车上得以广泛应用。
随着柴油机轻量化、高速化，其应用范围正向中、小、轻型汽车甚至轿车扩展。