四冲程发动机

把火放进汽缸

蒸汽机在锅炉里烧煤，再把蒸汽送进汽缸。锅炉又大又重，开机前要先烧上很久。如果燃料直接在汽缸里烧，机器可以小得多，点火就能走。

1860 年，勒努瓦造出第一种卖得出去的燃气机，但它吸进燃气就点火，不先压缩，效率约 4%。1876 年，奥托把燃气先压缩再点火，分四个冲程完成一个循环。1886 年，本茨用一台单缸四冲程机造出了他的三轮汽车。

1860 勒努瓦：不压缩，约 4% · 1876 奥托：先压缩，四冲程 · 1886 本茨三轮汽车

四个冲程

进气：活塞下行，进气门开，混合气被吸进来。压缩：两个气门都关，活塞上行，把混合气压到原来的九分之一。

做功：接近上止点时火花塞跳火，燃气压力猛增，把活塞推下去。排气：排气门开，活塞上行，把废气推出去。四个冲程，曲轴转两圈。

理想奥托循环：两条绝热线，上止点瞬间加热，下止点瞬间放热 · 压缩比 9:1 · 实际的回线是圆角的

凸轮轴，转速减半

每个缸的进气门和排气门各开一次，曲轴要转两圈。所以凸轮轴由链条带着，转速正好是曲轴的一半；链轮的齿数是曲轴链轮的两倍。

气门并不是在上下止点才开关。进气门在上止点前就开，下止点后才关，让气流靠惯性多进一些；排气门在下止点前就开。上止点附近，两个气门同时开着一小段，叫气门重叠。

进气门：上止点前 12° 开，下止点后 48° 关 · 排气门：下止点前 48° 开，上止点后 12° 关 · 重叠 24°

曲柄连杆

连杆把活塞的直线往复变成曲轴的转动。活塞的位置不是正弦曲线：曲轴转到 90° 时，活塞已经走过了半个行程，因为连杆这时是斜的。活塞在上止点附近走得快，下止点附近走得慢。

曲轴上的平衡重抵消曲柄和连杆大头的离心力。后端的飞轮很重，在做功冲程里存下能量，再在其余三个冲程里放出来，让曲轴转得匀。

曲柄半径 44.25 mm · 连杆 152 mm · 90° 时活塞下行 50.8 mm，多于行程的一半

四个缸，1-3-4-2

单缸机每转两圈只做一次功，扭矩一下大、一下还是负的。四个缸各差半圈，点火顺序是 1-3-4-2：曲轴每转半圈，总有一个缸在做功。

1 缸和 4 缸的曲柄朝同一个方向，2 缸和 3 缸朝相反方向。四缸合起来的扭矩起伏，相对于平均值，大约只有单缸的四分之一。

细线：每个缸的燃气扭矩 · 粗线：四缸之和 · 未计活塞连杆的惯性

压缩比与效率

理想奥托循环的效率只和压缩比 r 有关：η = 1 − r^(1−γ)，空气的 γ 约为 1.4。压缩比 10:1 时，理想效率约 60%。实际的汽油机，曲轴输出的能量只占燃料的 25% 到 40%，其余大多随废气和冷却水散掉。

压缩比不能无限提高。压得越狠，未燃的混合气越热，可能在火焰到达之前就自己着火，压力剧烈振荡，这就是爆震。燃料的辛烷值越高，越不容易爆震。

理想效率随压缩比上升，越往后越慢 · 实际效率 25%–40%

拆开来看

缸盖在上，里面是两根凸轮轴、八个气门和弹簧，还有火花塞。缸体在中间，铝合金铸成，四个铸铁缸套插在里面，外面围着冷却水。

下面是曲轴连杆：四个活塞、四根连杆、一根五道主轴承的锻钢曲轴。前端是正时链条，后端是飞轮，底部是油底壳。

剖开一个缸

沿 1 缸的中心剖开：进气道和排气道分在两侧，两个气门斜着相对，夹角 80°，燃烧室是半球形的，火花塞在顶上。缸里的颜色表示这一冲程里的气体。

新鲜混合气 · 压缩 · 燃烧 · 废气

它改变了什么

四冲程发动机让汽车成为日用品，也让飞机离开了地面：1903 年莱特兄弟的飞机用的就是一台约 12 马力的四缸汽油机。直到喷气发动机出现之前，飞机都靠活塞发动机，今天的小型飞机仍然多用它。

现在，电动机正在接替一部分发动机。2024 年全球新卖出的汽车里，电动车（含插电混动）超过五分之一。电动机把电能转成动力的效率高得多，汽油每公斤储存的能量则远多于电池。两者会并存多久，各地不同。

1876 奥托 · 1886 本茨 · 1903 莱特飞机 · 2024 电动车超过新车的五分之一