四衝程引擎

為使發動機產生動力,必須先將燃料和空氣供入氣缸,經壓縮後使之燃燒產生熱能,以氣體為工作介質並通過推動活塞和連桿使曲軸旋轉,從而使熱能轉化為機械能,最後再將燃燒後的廢氣排除氣缸。至此,發動機完成一個工作循環。此循環週而復始地進行,發動機便產生連續的動力。

活塞在氣缸內往復四個行程(相當於曲軸轉兩週)完成一個工作循環的發動機,稱為四衝程發動機,四衝程發動機每個工作循環中的四個活塞行程分別為進氣行程、壓縮行程、作功行程和排氣行程。 ^[1] 

進氣行程中,進氣門打開,排氣門關閉,轉動的曲軸帶動活塞從上止點向下止點運動,缸內容積增大,壓力降低而形成真空,將可燃混合氣吸入氣缸。由於進氣系統的阻力,進氣終了時氣缸內氣體的壓力略低大氣壓,約為0.055~0.09MPa,温度為370~400K。示功圖上的曲線M表示進氣行程,位於大氣壓力線之下。它與大氣壓力線縱座標之差,即為活塞在各位置時的真空度。

為使吸入缸內的混合氣迅速燃燒,放出更多的熱量,從而使發動機發出更大的功率,必須在混合氣燃燒前對其進行壓縮,使其容積變小、温度升高。為此,在進氣終了時便立即進入壓縮行程。在此行程中,進、排氣門均關閉,曲軸推動活塞由下止點向上止點移動一個行程。示功圖上.曲線M表示壓縮行程。壓縮終了時活塞到達上止點,混合氣被壓入活塞上方根小的燃燒室中。此時,混合氣壓力高達0.6~1.2MPa,温度可達700K。發動機的壓縮比大,則混合氣燃燒迅速、發動機發出的功率大、經濟性就好。但壓縮比大,會導致爆燃和表面點火等不正常燃燒的現象,從而造成發動機過熱、功率下降、油耗增大等一系列不良後果。因此,在提高汽油機壓縮比時,必須防止爆燃和表面點火現象的發生。

在壓縮行程接近終了時,火花塞產生電火花點燃混合氣,此時進、排氣門仍關閉。由於混合氣的迅速燃燒,使缸內氣體温度和壓力迅速升高,最高壓力可達5~9Wa,最低温度可達2200~2800K。在高温高壓氣體的作用力推動下,活塞向下止點運動,活塞下移通過連桿使曲軸旋轉運動,產生轉矩而作功。發動機至此完成了一次將熱能轉變為機械能的過程。示功圖上的zb表示作功過程。在作功終了時的b點,壓力下降為0.3~0.5MPs,温度降為1300~1600K。

混合氣燃燒後成為廢氣,應從氣缸內排出,以便下一個工作循環得以進行。因此,當作功行程接近終了時,排氣門打開,進氣門仍然關閉,因廢氣壓力高於大氣壓力而自動排出,此外,當活塞越過下止點上移時,還靠活塞的推擠作用強制排氣。活塞到上止點附近時,排氣行程結束。示功圖上曲線階表示排氣行程。排氣終了時,缸內壓力約為0.105~0.115MPa,温度為900~1200K。至此發動機完成一個工作循環,接着又開始了下一個新工作循環。

四衝程柴袖機,和汽油機一樣,每一個工作循環也經歷進氣行程、壓縮行程、作功行程和排氣行程四個行程。但由於柴油機用的燃料是柴油,其曲度比汽油大,不易蒸發,而自燃温度卻比汽油低,故可燃混合氣的形成及點火方式都與汽油機不同。

進氣行程不同於汽油機的是進入氣缸的不是可燃混合氣,而是純空氣。3.2 壓縮行程。

壓縮行程不同於汽油機的是壓縮的是純空氣,且由於柴油機壓縮比高,壓縮終了時的温度和壓力都比汽油機高,壓力可達3~5MPa,温度可達800~1000K。

作功行程與汽油機有很大的不同,在柴油機壓縮行程末尾,噴油泵將高壓柴油經噴油器呈霧狀噴入氣缸內的高温空氣中,迅速汽化並與空氣形成混合氣,由於此時氣缸內的温度遠遠高於柴油的自燃調度(約500K左右),柴油便立即自行着火燃燒,且此後一段時間邊噴油邊燃燒、氣缸內壓力、温度急劇升高,推動活塞下行作功。此行程中,瞬時壓力可達5~10MPa,瞬時温度可達1800~2200k;作功終了時壓力約為0.2~0.4MPa,温度約為1200~1500K。

排氣行程與汽油機基本相同。排氣終了時氣缸壓力約為0.105~0.125MPa,温度為800~1000K。 ^[1] 

在傳統自由活塞發動機基礎上, 使用直線發電機作為負載, 實現將燃料燃燒產生的熱能清潔高效地轉化為電能輸出的新型汽車動力裝置正受到越來越多的關注。這類裝置適用於純電動汽車及混合動力電動汽車, 同樣可應用於移動通信、災害救援等需要大功率移動電源的場合。

國內外現有研究的自由活塞發動機普遍使用兩衝程工作循環。然而, 兩衝程發動機的性能顯著低於四衝程發動機, 在汽車中基本不再使用。因此, 本文研究四衝程自由活塞發動機, 在進行仿真分析的基礎上, 通過研製出的原理性樣機進行仿真分析與實驗研究, 以揭示新系統動態特性及主要性能。 ^[2] 

衝程發動機的特點是曲軸轉兩圈才完成一個工作循環，也就是 吸氣--壓縮--爆發--排氣。2衝程發動機沒有氣門，利用缸套上的掃氣孔進氣。4衝程發動機有氣門，利用曲軸正時齒輪帶動正時鏈(小鏈)，正時鏈帶動凸輪軸來實現氣門的開/關。同排量的2衝程發動機功率大過4衝程發動機，但4衝程發動機省油。

相較於二衝程引擎，四衝程的結構較為複雜。它擁有活瓣及凸輪軸，至少要有進氣活瓣、排氣活瓣及凸輪軸各一。因為它的容積效率較低，所以兩種引擎在相同掃氣容積下，它會有較少之輸出功率。但它有穩定的扭力及馬力輸出，所以它適用於道路的車輛和船隻。雖然它提升轉數較慢，它不能算是真的問題。其實，轉數提升緩慢可以以減輕飛輪的重量、活塞的重量及曲軸的重量來解決。 ^[2]