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四冲程发动机如何工作

这台发动机燃烧少量燃油来推动活塞,再把这份推力变成旋转。 用下面的按钮看看它的内部,并跟随一个活塞走完整个循环的四个冲程。

四冲程发动机 · 剖视图 进气 → 压缩 → 做功 → 排气 进气道 排气道 气缸 燃烧室 曲轴 飞轮 活塞 连杆 凸轮轴 进气门 排气门 火花塞 缸体
依次发生的过程 燃油 → 燃烧 → 膨胀 → 扭矩
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详细说明

什么是四冲程发动机?

四冲程发动机是一种把燃烧的燃油转化为旋转的机器。活塞在气缸内上下滑动,下方的曲轴把这份上下运动变成旋转。完成一个循环需要四次相互独立的活塞运动——称为冲程:进气、压缩、做功和排气。

“四冲程”这个名字数的就是这些运动。进气时活塞下行,吸入新鲜空气和燃油。压缩时活塞上行,把这份混合气挤进狭小的空间。做功冲程中,火花点燃混合气,高温气体膨胀,把活塞猛烈地向下推。排气时活塞再次上行,把废气推出去。然后整个循环再次重复,每秒都要重复很多次。

为什么要看内部?

从外面看,运转中的发动机不过是一块嗡嗡作响的金属。所有有趣的事情都发生在内部,所以隐藏外部缸体,就能看到哪个部件在哪个冲程中运动,以及它究竟起什么作用。

有两条线索支撑着整个循环。第一条是配气机构:进气门和排气门必须在恰到好处的时刻开启,这由旋转的凸轮轴替你代劳。第二条是:四个冲程里只有一个产生动力,所以沉重的飞轮在那个冲程中储存动量,并在另外三个冲程中把它释放出来。两者合力,把四次顿挫的运动变成平稳、持续的旋转。

部件及其作用

1. 进气 —— 气缸被填满

曲轴把活塞沿气缸向下拉。活塞下行时进气门打开,下落的活塞就像一支注射器:它通过进气道吸入新鲜空气和燃油。到达冲程底部时进气门关闭,气缸被封住,一腔新鲜的混合气被关在里面。

2. 压缩 —— 混合气被挤压

现在曲轴把活塞带回去向上。两个气门都关着,什么也跑不出去,上行的活塞把空气和燃油压进燃烧室里小得多的空间。挤压做两件事:让混合气燃烧得更快、更充分,也让爆炸更有力。

3. 做功 —— 燃烧推动活塞

就在压缩冲程的顶点,火花塞跳火点燃混合气。燃烧的气体变得非常热并迅速膨胀,以真正的力量把活塞向下推。这是唯一产生动力的冲程,也是真正驱动汽车的那一个。连杆把这份推力传给曲轴,由曲轴把它变成旋转。

4. 排气 —— 废气排出

当活塞到达底部,排气门打开,曲轴最后一次把活塞推上去。上行的活塞把废气扫出排气道,顺着排气管排走。气缸现在空了,进气门准备再次打开,整个四冲程循环重新开始。

什么让它保持同步

气门不能随意地开合——它们必须精确跟随活塞。一根转速只有曲轴一半的凸轮轴,用蛋形的凸角在正确的时刻把每个气门压开。同时,用螺栓固定在曲轴上的沉重飞轮,在三个不做功的冲程中持续旋转,让发动机平稳运转,而不是每个循环只顿挫一次。

“四冲程”到底是什么意思?

它数的是完成一个循环所需的活塞运动次数:进气、压缩、做功和排气。每完成四个冲程,曲轴转两圈,然后整个循环再次重复。

发动机为什么需要火花塞?

汽油发动机把空气和燃油混合,这个混合气需要火花才能开始燃烧。火花塞每个循环点火一次,就在压缩冲程的末尾。柴油发动机没有火花塞,因为仅靠压缩空气就能让它热到足以点燃燃油。

四冲程发动机有几个气缸?

任意数量。每个气缸里的活塞运动都相同;多出来的气缸只是让各自的做功冲程相互叠开,从而更频繁地驱动曲轴,让发动机运转得更平顺。

到底是什么在驱动车轮?

只有做功冲程推动活塞。连杆把这份推力传给曲轴,由曲轴把上下运动变成旋转。沉重的飞轮在做功冲程储存动量,并在其余三个冲程把它释放出来,于是旋转得以持续。

常见误解

“四冲程”意味着发动机有四个气缸。 人们把这个数字当成气缸的数量。
一个冲程就是一次活塞运动。 四个冲程构成一个燃烧循环,与气缸数量无关。
火花塞在每个冲程都点火。 活塞每次上行它都跳火。
它每个循环只点火一次。 只在压缩冲程末尾,混合气准备好燃烧的时候。
燃烧的燃油全程驱动活塞。 每个冲程都由爆炸提供动力。
只有做功冲程由燃烧驱动。 另外三次运动靠飞轮储存的动量来维持。
免责声明: 图示为教学演示而做了大量简化。现实系统包含多得多的变量与复杂性。不适用于工程生产用途。不构成财务、政治或专业建议。