发动机作为一种能量转换装置，能够将燃料燃烧所释放的热能转化为机械能。那么，它是如何实现这一能量转换的呢？换言之，它是如何将热能成功转变为机械能的呢？完成能量转换需依次进行进气操作，将可燃混合气或新鲜空气引入气缸；接着对气缸内的可燃混合气或新鲜空气进行压缩，待压缩至接近尾声时点燃可燃混合气或喷入高压柴油形成可燃混合气并点燃；燃烧后的可燃混合气膨胀，推动活塞向下运动，从而对外部环境做功；最终，将燃烧产生的废气排出。这一过程可概括为进气、压缩、作功、排气四个连续步骤。这四个步骤构成了发动机的一个完整工作周期，该周期持续循环，从而完成能量的转换，确保发动机能够持续运作。完成一个工作周期，曲轴需旋转两圈（即720°），活塞则进行四次上下往复运动，这样的发动机被称为四冲程发动机。相对地，完成一个工作周期，曲轴仅需旋转一圈（即360°），活塞上下往复运动两次，这种发动机则被称为二冲程发动机。下面介绍一下四行程发动机的工作原理和工作过程。
一.四行程汽油机的工作原理
四行程汽油机的运作过程遵循进气、压缩、作功以及排气这四个步骤，它们依次进行并持续不断地循环。具体来说，首先是进气行程，如图1-22所示。
曲轴转动导致活塞自上止点向下方移动，此时排气门紧闭，进气门则开启。在进气过程启动之际，活塞正处在上止点位置，而气缸中尚存有前一循环未能完全排出的废气，所以气缸内的气压略高于外界大气压。活塞开始下降，导致气缸内部空间扩大，压力随之下降。当压力降至低于外界大气压的程度，气缸内便形成了真空吸力。此时，空气通过空气滤清器，与化油器提供的汽油混合，形成可燃混合气体。该混合气体随后被吸入气缸，这个过程一直持续到活塞运动至下止点。在进气阶段，由于空气滤清器、化油器、进气管道以及进气门等部件的阻力作用，当进气过程结束时，气缸内的气体压力会略微低于外界大气压，大约在0.075至0.09MPa之间。此外，还受到未完全排出的废气以及高温机械部件的热量作用，使得气体温度上升至370至400K。进气门在活塞抵达顶部死点前开启，且在活塞降至底部死点后继续关闭，这样做是为了能够吸入更多的可燃混合气体。压缩过程，如图1-23所示。
曲轴持续转动，活塞由底部向上部移动，此刻进气门与排气门均处于关闭状态，气缸内部形成一个密封的空间。在此过程中，可燃混合气体被不断压缩，其内部的压力和温度持续攀升。直至活塞抵达顶部，压缩过程方才完成。此时，气体的压强与温度主要受压缩比影响，可燃混合气的压强可达到0.6至1.2兆帕，温度则可升至600至700开尔文。压缩比增加，导致压缩结束时刻气缸内压力与温度上升，进而燃烧速度加快，发动机输出功率也随之提升。然而，若压缩比过高，则可能引发爆燃现象。爆燃是指气体压力和温度急剧升高，导致可燃混合气在未点燃前自行燃烧，火焰传播速度远超常规燃烧数倍，产生刺耳的敲击声。这种现象会导致发动机过热、功率降低、汽油消耗量上升，并可能造成机械部件的损坏。轻微的爆炸现象是可以接受的，然而剧烈的爆炸对发动机却极为不利，通常汽油机的压缩比范围在6到10之间。（3）作功行程（如图1-24所示）。
在作功行程期间，燃烧阶段与膨胀阶段是两个主要环节，而在此过程中，进气门与排气门均维持闭合状态。活塞行至压缩行程的末端，即接近点火时刻（亦即点火提前角），此时火花塞产生电火花点燃可燃混合气体，燃烧过程释放出大量热量，导致气缸内气体温度和压力迅速攀升，压力峰值可达到3至5兆帕，温度峰值则可达到2200至2800开尔文。在高温高压气体的作用下开yun体育app官网网页登录入口，气体膨胀，推动活塞从上止点向下止点移动，通过连杆带动曲轴旋转，进而输出机械能。这些机械能除了用于维持发动机自身的持续运转外，其余部分则用于对外部进行做功。活塞下行过程中，气缸内的空间逐渐扩大，导致气体压力与温度均有所下降。当活塞抵达下止点，作功阶段随之告终。此时，气体压力降至0.3至0.5兆帕，温度亦降至1300至1600开尔文。随后进入排气阶段（如图1-25所示）。
废气需自气缸排出，以完成进气行程。当做功即将完成之际，排气阀开启，进气阀保持关闭状态。废气压力首先促使自由排气，活塞降至下止点并回升至上止点过程中，持续将废气强制排出至大气。活塞越过上止点后，排气阀关闭，标志着排气行程的结束。汽油机的排气行程中，排气门会提前开启，并延后关闭，这样做是为了更有效地排放出更多的废气。然而，由于燃烧室具有一定的容积，废气并不能完全被排出气缸。此外，排气过程中受到排气阻力的作用，当排气结束之际，气体压力依旧高于大气压力，大约在0.105至0.115MPa之间，而温度则大约在900至1200K。曲轴持续转动，活塞自上止点向下方止点移动，随后启动了新一轮的循环。显而易见，四冲程汽油机通过进气、压缩、做功、排气这四个阶段来完成一个完整的工作周期。在此过程中，活塞在上止点和下止点之间往返移动了四次，而曲轴则相应地旋转了两次。
二.四行程柴油机的工作原理
四行程柴油发动机与四行程汽油发动机在运作机理上并无二致，每个循环均涵盖进气、压缩、作功及排气四个阶段。然而，鉴于柴油发动机所采用的燃料为柴油，其特性与汽油存在显著差异——柴油粘度高，蒸发难度大，且自燃点较低。因此，在可燃混合气的生成、点火方式、燃烧过程以及气体温度和压力的变化等方面kaiyun全站网页版登录，柴油发动机与汽油发动机均存在显著区别。以下将重点阐述两者在工作过程中的主要差异。四行程柴油机在进气行程中，与汽油机存在显著差异：它吸入气缸的是纯净的空气，而非可燃的混合气体。进气通道中不设化油器，因此进气阻力较小。在进气过程结束时，气体的压力略高于汽油机，但温度则略低于汽油机。具体而言，进气终了时的气体压力大约在0.0785至0.0932MPa之间，气体温度则大约在300至370K之间。行程被压缩的同时，实际上压缩的是无杂质的空气。当压缩行程即将达到最高点时，喷油器会将高压柴油以雾化形式喷射至燃烧室内。随后，柴油与空气在气缸内混合形成可燃气体，并迅速点燃燃烧。相较于汽油机，柴油机的压缩比显著更高（通常在16至22之间），因此在压缩结束阶段，气体的温度和压力也远超汽油机，且这一数值远超柴油机的自燃点。压缩过程结束后，气体压力大约在3.5至4.5MPa之间，气体温度在750至1000K左右。柴油机在压缩后能够自行点燃，无需点火，因此也被称作压燃机。当柴油被喷射进气缸，它很快与空气混合并迅速燃烧。与汽油机不同，柴油机的可燃混合气是在气缸内部形成的，而非在气缸外部的化油器中。在柴油机的燃烧阶段，气缸内部所达到的压力远超汽油机，其峰值压力可以达到6至9兆帕，而最高温度则可攀升至2000至2500开尔文。而在作功结束阶段，气体的压力大约在0.2至0.4兆帕之间，温度则大约在1200至1500开尔文。柴油机的排气阶段与汽油机相同，其废气亦通过排气管排放至空气中，当排气过程结束时，气缸内的气体压力大约在0.105至0.125MPa之间，而气体温度则大约在800至1000K范围内。柴油发动机相较于汽油发动机，其压缩比更大，热效率更高，燃油消耗率更低，并且柴油的成本也更低。因此，柴油发动机在燃油经济性方面表现优异，同时其排放污染较少，排放性能更为出色。然而，它也存在一些主要缺陷，如转速较低、重量较重、噪音和振动较大，以及制造和维修成本较高。在发展过程中，柴油发动机不断强化其优势，克服不足，提升速度，未来有望获得更广泛的使用。
三.二行程汽油机的工作原理
二行程汽油机的工作过程由进气、压缩、燃烧膨胀和排气等步骤构成，然而，这一系列动作是在曲轴转动一周（360°）以及活塞完成上下往复运动的两个行程中完成的。正因为如此，二行程发动机在运作原理和结构设计上与四行程发动机存在显著差异。曲轴箱换气式二行程汽油机中，气缸上设有三排孔洞。这些孔洞会在特定时刻，通过活塞的开启与闭合，依次完成进气、换气和排气的过程。工作原理阐述如下：在图1-27a中，活塞向上移动，导致三排孔全部闭合，此时活塞上方开始进行压缩。随着活塞持续上升，其下方进气孔开启，使得可燃混合气体得以进入曲轴箱（见图1-27b）。当活塞即将到达上止点位置时（见图1-27c），火花塞点燃混合气体，气体燃烧膨胀，推动活塞向下运动。进气孔随之关闭，曲轴箱内的混合气体受到压缩。当活塞接近下止点时，排气孔开启，废气被排出。活塞继续向下运动，换气孔打开，压缩后的混合气体从曲轴箱通过进气孔流入气缸，同时将废气排出（见图1-27d）。
活塞开始从底部位置向上移动至顶部位置，此时，原本位于活塞上方气缸中的混合气体已被预先压缩。与此同时，新的可燃混合气体正从化油器被吸入至活塞下方的曲轴箱中。接着，活塞从顶部位置向下移动至底部位置，此时，活塞上方区域同时进行着作功和换气操作，而活塞下方区域则专注于对可燃混合气体进行预压缩处理。
四.二行程柴油机的工作原理
二行程柴油发动机与二行程汽油发动机在运作原理上颇为相似，但存在一项关键区别，即进入柴油发动机气缸的并非可燃混合气体，而是纯净的空气。以配备扫气泵的二行程柴油发动机为例，其工作流程可描述如下（参见图1-28）：
活塞自下止点向上止点移动kaiyun.ccm，在行程启动的前一刻，进气口和排气阀均已打开，借助扫气泵输出的空气进行气缸换气。随着活塞持续上升，进气口随即关闭，排气阀亦紧随其后闭合，空气在此过程中被压缩。当活塞即将到达上止点时，喷油器将高压柴油以雾状形式喷入燃烧室，柴油与空气混合后发生燃烧，导致气缸内压力显著上升。第二行程中，活塞自上止点向下方止点移动，起初气体膨胀，推动活塞向下方移动，对外部环境进行能量输出。当活塞下降至行程的约三分之二时，排气门启动，将废气排出，导致气缸内压力下降。随后，进气孔打开，进行气体交换。这一换气过程将持续至活塞向上移动至行程的三分之一，此时进气孔关闭，换气动作完成。
五.多缸发动机的工作原理
先前所述为单一气缸发动机的运作机理，然而，当前多数汽车所采用的发动机为多缸四冲程类型。那么，这种多缸四冲程发动机与单一气缸的四冲程发动机在运作机理上究竟有何不同呢？在能量转换方面，每个气缸的运作过程与单缸机是相同的，均需经历进气、压缩、作功和排气这四个阶段。然而，在单缸发动机的四个工作循环中，仅有一次循环能够产生动力，其余三次循环则无法产生动力，也就是说，曲轴需要转动两圈才能完成一次有效的工作循环，其中只有一半的转动是产生动力的，因此，其运行稳定性相对较差；功率越大，这种不稳定性就越明显。为了提高运行的稳定性，单缸发动机通常配备了一个较大的飞轮。相比之下，多缸发动机的作功循环是错开的，按照既定的工作顺序依次作功，即曲轴转动两圈时，各个气缸交替进行作功，因此，其运行更加平稳，振动也较小。缸体数量增加，导致每次作功之间的角度间隔减小，并且同时参与工作的气缸数量增多，从而使发动机的运行更加平顺。在多缸发动机中，应用最广泛的类型包括四缸、六缸以及八缸发动机。
