奧托循環

雷諾爾發明的煤氣內燃機，與當時蒸汽機的原理完全不同，它從外部燃燒改為了內部燃燒，更加有效地利用了熱能。但由於這台內燃機必須連接在煤氣管中，而且功率過小，因此這台機器實用性為零。正因如此，才讓奧托有了着手研製四衝程內燃發動機的想法。

但研發過程並不順利，最主要的原因是如何增加燃料讓燃燒更加地充分，從而獲得更大的功率。在某次吃飯的時候，奧托突然想到了“壓縮”，因為經過壓縮，同樣體積的氣體，容量卻多出了好幾倍。這也就意味着，最後輸出的功率，也將增大好幾倍。

從圖紙到成功，耗費了奧托14年的時間，同時它的資產也逐漸的消耗殆盡。最終，他在1874年，研製成了具有“體積小”“重量輕”“功率大”這幾個特點的四衝程發動機。其中，這台四衝程發動機的工作原理被稱為“奧托循環”。

奧托循環又稱四衝程循環，內燃機熱力循環的一種，為定容加熱的理想熱力循環。基於這種循環而製造的煤氣機和汽油機是最早的活塞式內燃機。1876年德國工程師尼古拉斯·奧托利用這個原理髮明瞭發動機，因這種發動機具有轉動平穩、噪聲小等優良性能，對工業影響很大，故把這種循環命名為奧托循環，採用奧托循環的發動機即為奧拓循環發動機。奧托循環主要分為進氣，壓縮，作功，以及排氣這四個行程。

在進氣行程中，進氣門開啓，排氣門關閉。活塞從上止點往下止點運動的過程中，活塞上部的容積逐漸增大，氣缸內部的壓力隨之減小。當氣缸內部的壓力逐漸低於大氣壓時，氣缸內部就產生了真空。此時，可燃混合氣就從進氣門中直接吸入了氣缸。從示功圖中也可以看出，當活塞下行時，曲線ra在大氣壓線以下。在進氣行程中，缸內壓力為0.075-0.09MPa，温度在100-130℃。 ^[1] 

在整個壓縮行程中，進排氣門均關閉，活塞從下止點往上止點運動的過程中，活塞上部的容積逐漸減小，混合氣被壓縮，缸內壓力逐漸升高，最後達到了0.6-1.2MPa，温度升高至300-400℃。示功圖中，曲線ac表示壓縮過程。 ^[1] 

在這個行程中，進排氣門仍然處於關閉狀態，當活塞將要接近上止點時，火花塞放出電火花，從而點燃氣缸內的壓縮混合氣。被點燃的混合氣，釋放出了大量的能量以及熱能，使得缸內的壓力以及温度迅速增加。

從示功圖中可以看出，活塞離開上止點的初段，壓力從c點增加到z點，此時的壓力大約為3-5MPa，温度為1900-2500℃。活塞從上止點向下止點運動的過程中，隨着缸內容積增加，氣體和温度也隨之下降，最終到達了作功終了b點，此時缸內的壓力為0.3-0.5MPa，温度為1000-1300℃。 ^[1] 

進氣門關閉，排氣門開啓。當活塞由下止點往上止點運動時，氣缸內的廢氣強制被活塞排到了氣缸之外。當活塞接近上止點時，排氣門關閉。此時，大氣壓力約為0.105-0.115MPa（略高於標準大氣壓），温度為600-900℃。這一過程，在示功圖中由曲線br表示。 ^[1] 

奧托循環是理想化的循環，因為在理論分析和計算時，認為循環由絕熱、等容、等壓等過程組成，並且系統的組成、性質和質量都保持不變，而實際上因為發生了燃燒和爆炸，系統的組成和性質必然發生變化，因此實際汽油發動機的效率要比奧托理想循環的效率低很多，只有一半或更小約25%左右。 ^[2] 

現代的汽車、卡車等使用的內燃機中大多都是採用奧托循環的。

奧托循環的熱效率為 η

式中W為輸出的淨功；Q₁為輸入的熱量。這個公式説明，η僅與壓縮比和比熱容比γ（取決於工質的性質）有關。ε越高，η_t也越高,但實際上ε受可燃氣體混合物爆震特性的限制，而且隨着ε的提高，它對η的影響越來越小，所以ε值不能取得過高，一般在6～10之間。此外，γ越大，η也越高。