四冲程发动机：交互模拟器，逐冲程演示

模型展示了什么

汽车发动机在 3,000 rpm 时，每个气缸每秒点火 25 次，快得根本看不清。这个模型把发动机放慢到每个冲程都能跟上，然后让你动手改：加气缸，把汽油换成柴油，改气门正时，关小节气门。

1 号缸画得最细，并且沿中线剖开，里面一目了然。红色表面是缸体、缸盖和油底壳的切面。所有运动的零件都完整画出：活塞和活塞环、连杆、带平衡块的曲轴、两个气门和它们的弹簧、两根凸轮轴、正时皮带和飞轮。周围是让发动机正常运转的部件：水套、气缸垫、主轴承、机油泵、节气门、喷油器和催化转化器。「部件」列表里一共有 24 个带名称的部件。

尺寸取自一台常见 2 升四缸发动机的一个气缸：缸径 86 mm，行程 86 mm，压缩比 10 比 1。一个气缸的工作容积是 499.6 立方厘米，四个加起来是 1,998 cc。角落里的读数显示曲轴转角、1 号缸所处的冲程、活塞上方的气体容积和模型计算的缸内压力，下面是压力-容积循环图和扭矩图。

为什么一个循环要曲轴转两圈

四冲程发动机完成一个循环需要活塞运动四次，也就是曲轴转满两圈。按照惯例，循环用曲轴转角从 0° 到 720° 来计量，起点是活塞在行程最高处，叫做上止点。

1. 进气（0° 到 180°）。 进气门打开，活塞向下运动。上方的空间变大，压力降到比外面的空气略低，空气和燃油的混合气从进气道流进来。模型里这是一股蓝色的点。
2. 压缩（180° 到 360°）。 两个气门都关闭。活塞上升，把混合气挤进它在下止点时所占体积的十分之一。压缩使它变热、压力升高，接下来的燃烧就有效得多。点挤在一起时变成紫色。
3. 做功（360° 到 540°）。 快到上止点时，火花塞点火。火焰前锋在几毫秒内从火花塞向外扩散，压力升高好几倍，把活塞推下去。只有在这个冲程里，气体才对活塞做功。看火花塞处那个橙色半球慢慢变大。
4. 排气（540° 到 720°）。 快到下止点时排气门打开，剩余的压力冲出去，上升的活塞再把其余燃烧后的气体推进排气道。灰色的点从右边离开。

接着进气门再次打开，循环重复。一个气缸每转两圈提供一次做功冲程：在 3,000 rpm 时就是每秒 25 次做功冲程，每次只持续 10 毫秒。

每个部件做什么

活塞和活塞环。 活塞是一个轻巧的铝制杯形件，在缸孔里滑动，间隙只有百分之几毫米。靠近顶部的槽里装着三道环负责密封：上面两道承受气体压力，最下面一道把缸壁上的机油刮掉。一根 21 mm 的钢制活塞销把它和连杆连起来。

连杆和曲轴。 连杆把活塞销和曲柄销连在一起，曲柄销离曲轴轴线 43 mm。曲轴转动时，曲柄销画出一个圆，活塞移动 86 mm，正好是曲柄半径的两倍。曲柄销对面那些厚重的曲柄臂是平衡块，用来平衡旋转的质量。曲轴支承在主轴承里：主轴承是内衬软金属的薄轴瓦。发动机运转时，轴颈浮在一层油膜上，从不碰到它们。

飞轮。 四个冲程里有三个要消耗能量而不是产生能量。飞轮是一个沉重的圆盘，在做功冲程中储存能量，在其他冲程中再还回去，让曲轴一直转下去。

气门、弹簧和凸轮轴。 每个气门都是一个蘑菇形的钢制提升阀，靠弹簧保持关闭。凸轮轴上的凸轮通过一个叫挺柱的杯形从动件把它顶开。凸轮的形状决定气门什么时候开、开多大、开多久。在这个模型里，每个气门升程 9.2 mm，凸轮的轮廓就是按驱动气门的那条升程曲线画出来的。

正时皮带。 曲轴通过一条齿形皮带带动凸轮轴。曲轴齿轮有 21 个齿，每个凸轮轴皮带轮有 42 个齿，所以曲轴每转两圈，凸轮轴正好转一圈。每个气门每个循环开一次，一个循环曲轴转两圈，所以传动比不可能是别的数值。

冷却和润滑。 打开「冷却液和机油」。冷却液（蓝色）沿缸孔旁边的水套上升，流过燃烧室上方，把热量带到散热器。气缸垫是一片多层薄钢板，在缸盖和缸体的接合处把燃气、冷却液和机油彼此隔开。机油（琥珀色）由机油泵经滤网从油底壳吸出，送到主轴承，然后流回下面。

节气门和喷油器。 在汽油机里，节气门是进气道里的一片蝶阀。关小它会降低进入的空气的压力，驾驶员就是这样要求减小功率的。进气道喷油器把燃油喷到关闭着的进气门背面，就在进气门打开之前，你能看到短短的一下喷雾。

一个气缸还是八个

拖动「气缸数」滑块。多出来的气缸以半透明的样子画在同一根曲轴上，它们确实各自跟随自己的曲柄和点火顺序。

单缸每转两圈只推一次，所以曲轴上的扭矩起伏很大：做功冲程里是很大的正值，活塞压缩下一份充量时则略为负值。读数里的扭矩图画出两圈内的总燃气扭矩，虚线是平均值。右上角的数字是波动，即最高扭矩与最低扭矩之差除以平均值。

波动是根据模型的压力曲线、只考虑气体力算出来的。它没有计入活塞的惯性，而惯性在高转速时影响很大，这也是工程师除了点火间隔还要关心平衡的原因。比如直列四缸点火很均匀，但每转一圈仍会上下抖动两次，因为它的活塞并不是按完美的正弦波运动。所以许多排量较大的四缸发动机装有平衡轴。

「操作」面板里有一张各种布置的波动柱状图。点按一根柱子就能跳到那种布置。

汽油还是柴油

打开「柴油」。模型里有三处变化。

第一，活塞顶升高 4.5 mm，活塞在上止点时上方的空间从 55.5 cc 缩小到 29.4 cc，压缩比从 10:1 变成 18:1。第二，没有火花塞。单是空气就被压得很紧，温度达到几百度，热到柴油一喷进去就着火。第三，喷油器移到缸盖中央，在上止点前约 10° 直接向气缸内喷油。燃油一边进入一边燃烧，所以燃烧开始得比汽油机的火花点火更平缓，持续时间也更长。

柴油机没有通常意义上的节气门。它每次都吸满一整缸空气，靠多喷或少喷燃油来控制功率。在模型里，柴油模式下节气门滑块改变的是喷油量，汽油模式下改变的是进气压力。这个差别正是柴油机在部分负荷时浪费能量较少的原因之一：轻负荷运转的汽油机必须隔着几乎关闭的节气门吸入充量，而把空气抽过这道限流要消耗功。

效率能有多高？

汽油机的理想循环是奥托循环：压缩和膨胀时没有热损失，所有热量在上止点一下子加入。它的效率只取决于压缩比 r 和气体的比热比 γ：

η = 1 − 1 / r^(γ−1)

对空气（γ = 1.4）取 r = 10，得到 60.2 %。在 14:1，也就是马自达 SKYACTIV-G 汽油机在美国以外市场的压缩比下，效率升到 65.2 %。理想的柴油循环不是一下子加热，而是在一段行程里持续加热；取 r = 18、截止比 2，得到 63.2 %。更高的压缩比是柴油机的主要优势。汽油机的压缩比很难超过 10 到 14:1，因为高温的混合气会在火花之前自己爆燃，这叫爆震。

读数里的「理论效率」一行用的就是这些公式。「操作」面板里的实验区还显示一个模型效率：模型压力循环所做的功除以其中放出的热量。默认设置下，汽油约为 48 %，柴油约为 51 %；节气门开到四分之一时，汽油降到 36 %，而柴油仍保持在 50 % 左右。真实的发动机损失更多：热量流进缸壁，燃烧不是瞬间完成的，摩擦以及机油泵和水泵也要分走一部分。美国能源部估计，在日常驾驶中，传统汽车燃料里的能量只有约 12 到 30 % 最终用来让车在路上前进，具体取决于驾驶方式。

可以拖动的气门正时

如果气门恰好在上止点和下止点开关，发动机在高转速时就会呼吸不畅，因为气体有质量，开始流动和停下来都需要时间。真实的发动机会提前开气门、推迟关气门。这个模型从典型数值开始：

进气门晚关，可以让流动的气柱在活塞已经开始上行后继续冲进气缸。排气门早开，可以让高压气体在活塞需要推它之前先泄掉。在排气冲程末尾的上止点附近，两个气门同时微开 20°；这段气门重叠让流出的废气帮着吸入新鲜充量。

「操作」面板里的圆盘是一张气门正时图。上止点在顶部，转一圈就是曲轴转一圈。蓝色弧是进气门打开的时段，灰色弧是排气门。沿圆圈拖动任意一段弧，或者用下面的按钮。真实发动机里的凸轮相位器做的就是这件事：它让凸轮轴相对皮带轮转几度，于是气门开关提前或推迟，而开启的时长保持不变。3D 模型里的凸轮轴会按你的设置转动。

拖动时有三个数字会变。重叠是顶部那块带阴影的扇形。有效压缩比是进气门关闭时的容积除以最小容积，所以进气门关得越晚，它就越低。为阿特金森循环或米勒循环设计的发动机故意这样做，以便在不爆震的情况下获得高膨胀比。模型效率跟着压力循环变化：排气门开得越早，就越多地丢掉本来还能推动活塞的压力，效率随之下降。

节气门、转速、扭矩和功率

实验区的第二张图画出扭矩和功率随发动机转速的变化。黑线是你所设节气门下的扭矩，橙线是对应的功率。灰色虚线表示节气门全开。点线是一条随转速上升、类似道路阻力的负载，红点落在发动机扭矩与负载相交的地方，那就是发动机会稳定下来的转速。关小节气门，红点就滑到更低的转速，驾驶员就是这样控制汽车的。

扭矩来自模型的循环功：一个气缸每个循环做 625 焦耳的气体功，在两圈内平均下来是 625 / 4π ≈ 50 牛·米。进气效果随转速变化（在某个中间转速附近最好，这个转速会随气门正时移动），摩擦随转速增大，所以扭矩在中间达到峰值，功率则一直上升到接近最高转速。功率等于扭矩乘以角速度：P = T × 2πN / 60。所有这些曲线都是用来表现形状的模型值，不是测功机的数据表。

二冲程代替四冲程

打开「对比二冲程」。舞台上出现一个装在同一根曲轴上的二冲程气缸的示意图。它没有气门。活塞自己在接近行程底部时让缸壁上的排气口和扫气口露出来。新鲜充量已经在活塞下方的曲轴箱里被稍稍压缩，经扫气口冲进来，把燃烧后的气体从排气口赶出去。所以每一次向下的冲程都是做功冲程，发动机每转一圈点火一次。

扭矩图里的橙线是二冲程的扭矩。它点火的次数多一倍，但在模型里每个循环做的功更少（大约一半），因为气口在行程的很大一部分时间里都开着，有些新鲜充量直接从排气口跑掉了。这些损失的燃油正是小型二冲程发动机轻巧简单却很脏的原因，也是大多数公路车辆改用四冲程的原因。船上的大型低速二冲程柴油机用增压器和排气门解决了这个问题，属于人类造出的效率最高的发动机之列。

真实发动机

「发动机图鉴」把模型的布置、燃料和气缸大小设成某台真实发动机的样子。气缸按正确尺寸绘制，只有最大的几台会缩小绘制，并加以标明。压缩比和压力仍是模型值。

只有在所列版本的单一额定功率得到确认时才给出功率。其中有几款发动机曾以不止一种功率出售。

算一算这些数字

读懂压力-容积循环图

读数里的小图画出曲轴转动时缸内压力与容积的关系。纵轴是对数刻度，这样很低的进气压力和很高的燃烧峰值能放在同一张图上。循环所围的面积与气体在一个循环里对活塞做的功成正比。关小节气门，就能看到循环缩小，底边降到大气压以下：底部那个反向的小循环就是泵气功。

这里的压力是简化模型，不是测量值。压缩和膨胀遵循多变关系 pVⁿ = 常数，取 n = 1.32；放热遵循一条平滑的 S 形燃烧曲线，从点火开始，持续 55 个曲轴转角度数。这样在节气门全开时，上止点后 20° 处出现约 51 bar 的峰值。

净化尾气

汽油在空气中燃烧会留下三种主要污染物：一氧化碳、未燃烃和氮氧化物。排气管里的催化转化器是一块涂有铂、钯和铑的陶瓷蜂窝体。在汽油车上它是三元催化器：把一氧化碳和烃氧化成二氧化碳和水，把氮氧化物还原成氮气。只有发动机在非常接近化学计量比的混合气下运转时，它才能同时处理这三种污染物，所以汽油机的排气里装有氧传感器。柴油机在空气过量的条件下运转，所以使用氧化催化器、捕集炭烟的颗粒过滤器，以及另一套处理氮氧化物的系统。

四冲程发动机的来历

到 1860 年代，已经有人造出了吸入混合气、不先压缩就点燃的内燃机，但效率很低。1876 年，德国的尼古劳斯·奥托造出了第一台在点火前先压缩充量的实用发动机，用的就是这里展示的四冲程循环。所以理想的四冲程汽油机循环至今仍叫奥托循环。1890 年代，鲁道夫·狄塞尔发展出只靠压缩点燃燃油的发动机。

从气体做功到千瓦：一个算例

模型在全负荷下让每个气缸每个循环约做 625 焦耳的气体功。下面所有数字都从这一个数推出来，同样的步骤适用于任何能查到参数表的发动机。

1. 四缸每循环的功。 4 × 625 J = 2500 J。
2. 平均扭矩。 一个循环是两圈，即 4π 弧度，所以 T = 2500 ÷ 4π ≈ 199 N·m。这是整个循环的平均值，读数面板里的扭矩曲线围绕它上下摆动。
3. 3000 rpm 时的功率。 P = 2πNT / 60 = 2π × 3000 × 199 / 60 ≈ 62.5 kW。用捷径算结果相同：每循环 2500 J × 每秒 25 个循环 = 62,500 W。
4. 平均有效压力。 用每循环的功除以排量：2500 J ÷ 1.998 升 = 1.25 MPa，约 12.5 bar。它是整个做功行程中恒定作用在活塞上、能做同样功的压力。因为与排量无关，所以可以用来比较大小不同的发动机。
5. 每升功率。 62.5 kW ÷ 1.998 L ≈ 31 kW 每升。

这里为简单起见让扭矩保持不变。真实发动机的扭矩随转速变化，所以 6000 rpm 时的功率并不正好翻倍。这个例子要看的是单位的链条：每循环的焦耳变成牛顿米，牛顿米乘以弧度每秒变成瓦。

「发动机图鉴」能看出每升功率可以差多少。按上表的额定功率，丰田 1GD-FTV 柴油机用 2755 cc 输出 130 kW，约 47 kW 每升。大众 EA888 2.0 TSI 用 1984 cc 输出 162 kW，约 82 kW 每升，本田 K20C1 用 1996 cc 输出 228 kW，约 114 kW 每升。这些是某个版本在某一转速下的额定值，涡轮发动机靠向同样的气缸压入更多空气达到这些数值，而不是靠更大的缸径或更长的行程。

压缩比、爆震和燃料

效率公式 η = 1 − 1/r^(γ−1) 奖励更高的压缩比，但收益递减。取 γ = 1.4：

从 8 提高到 10，多 3.7 个百分点。从 12 提高到 14，只多 2.2 个。曲线变平，每多一点压缩，收益就更少。

真实发动机还远低于这些数字。发动机里的气体不是 γ = 1.4 的空气：燃烧后的混合气比热比更小，取 γ = 1.3，同一公式在 10:1 时只给出 49.9 %。模型在默认设置下的值约 48 %，处在同一范围。热量传进缸壁和摩擦会把实际值再拉低，量产发动机最好时大约 30 到 40 %。

阻止汽油机直接提高压缩比的是爆震。辛烷值衡量燃料抵抗爆震的能力，爆震指火焰还没到，被压缩混合气的一部分就先自己着火。压缩比更高，末端气体更热更密，就需要不易自燃的燃料。所以说明书会写应该加几号油：发动机就是按它设计的。较新的发动机检测到爆震时可以推迟点火，这样能保护发动机，但要损失动力和油耗。模型里的柴油机只压缩空气、事后再喷油，绕开了这个问题。

常见的误解

「发动机每个冲程都在爆发。」 四个冲程里只有一个对活塞做功。单缸机的另外三个冲程要从飞轮取能量。把「气缸数」滑块调高，看点火顺序：八缸机每隔 90° 就有一次做功冲程，所以看起来才是连续的。

「扭矩和功率是一回事。」 扭矩是曲轴上的扭转力，功率是扭矩乘以转动的快慢。发动机可以在中等转速出现最大扭矩，在高得多的转速出现最大功率，转速图里的两条曲线正是这样。

「气缸越多功率一定越大。」 功率取决于发动机每秒能烧掉多少空气：排量、转速，以及每个气缸里塞进多少空气。列表里的小型涡轮三缸机可以胜过没有涡轮的更大发动机。气缸多主要是让扭矩更平稳，并且可以把每个气缸做小，「摆动」一列就说明了这一点。

「关小节气门，做同样的功用油更少。」 进入气缸的空气变少，燃油按比例供给。代价是泵气损失：活塞要把空气从几乎关闭的阀门旁吸进去。压力体积图里那个反向的小环就是这部分损失。

「辛烷值越高动力越强。」 辛烷值说明的是抗爆震能力，不是燃料含有的能量。用低一级的油不爆震的发动机，换高一级的得不到任何好处，应该按厂家的推荐来。

在屏幕上试一试

• 验证算例。 选四缸、汽油、全负荷。扭矩图里的虚线是平均扭矩，实验区的转速图画出对应的功率。把它们的形状和上面的步骤对照。
• 比较两个环。 打开和关闭「柴油」，比较压力体积环、压缩比和「理论效率」一行。压缩比从 10:1 变成 18:1。
• 看有效压缩比。 在配气相位圆上，把进气弧往后拖，一边读「有效压缩比」和模型效率的变化。
• 看泵气损失。 汽油模式下关小节气门，看压力体积图底部的反向小环，以及降到约 36 % 的模型效率（四分之一节气门时）。
• 比较不同大小的发动机。 在「发动机图鉴」里选两项，例如本田 GX160 和通用 LS3，比较气缸图和列表下说明里每缸的 cc。

从1876年到集装箱船，30台发动机

“操作”页签里的图鉴现在有30台发动机。可按名称搜索，或筛选1950年以前、汽车、摩托车、小型发动机、卡车、赛车和船舶，以及火花点火或柴油。选择后，模型会采用它的布置、燃料和气缸尺寸，图像从割草机气缸长大到船用气缸。

其中两台需要说明。模型绘制的是60° V6，而一级方程式发动机是90° V6，所以布置只是近似，并不完全相同。船用发动机缸径为960 mm，是模型缸径的十一倍多，因此画面把它缩小到模型的两倍尺寸，并标明这一点；读数仍按真实尺寸计算。Wärtsilä资料没有直接给出百分比效率，可由油耗推算：每千瓦时消耗171克燃料，燃料热值为每千克42.7 MJ，则3,600 ÷ (0.171 × 42,700) = 49.3 %。它是二冲程发动机，选择后还会打开二冲程对比。

气缸越大，能承受的转速越低。限制来自活塞运动速度，所以模型放大气缸时保持平均活塞速度不变。模型尺寸下，86 mm行程、7,000 rpm对应20.1 m/s的平均活塞速度。像船用气缸那样放大15倍，相同活塞速度只允许约300 rpm。实机以102 rpm运转，因为行程是缸径的2.6倍，平均活塞速度为Wärtsilä表中的8.5 m/s。

真实转速，再到慢动作

“以3,000 rpm运行”按钮展示平时被模型隐藏的速度。3,000 rpm时，曲轴每秒转50圈，每缸每秒点火25次，一个冲程只持续千分之10秒。在60 Hz屏幕上，两帧之间曲轴已转过300度，部件看起来会跳动，甚至倒转。这就是频闪效应，与电影里的车轮看似反转相同。运行三秒后，模型用3.5秒减速到6 rpm，便能重新看清各冲程，横幅会显示1号气缸的冲程。打开“声音”后，全速时的爆发声连成嗡鸣，减速时又逐个分开。

压缩比、爆震与进气门晚关

压缩滑块把汽油机压缩比从6:1调到15:1。提高压缩比能提升模型效率（10:1时为47.6 %），因为燃烧后的气体膨胀得更多，但也会更强地压缩未燃混合气。末端混合气足够热、足够密时，会在火花塞的火焰到达前自行着火，两股压力波相撞。这就是爆震：金属敲击声、很高的峰值压力，以及实机中的活塞损伤。

爆震取决于燃料、温度、燃烧室形状和点火时刻。模型采用一条简单规则，并在屏幕上说明：压缩结束时压力超过20.5 bar便会爆震。初始配气正时下，界限在11:1附近（20.2 bar，不爆震）；12:1达到22.7 bar，会爆震。

有一种绕开它的方法。延迟关闭进气门，会在关闭前把部分混合气推回进气道，活塞实际压缩的程度低于几何压缩比所暗示的程度。进气延后40°时，13.5:1的压缩终了压力只有17.9 bar，低于爆震界限，模型效率升到50.9 %。膨胀仍利用完整的13.5:1。这就是阿特金森和米勒循环的思路：短压缩、长膨胀。普锐斯的Toyota 2ZR-FXE采用这一方式，马自达和丰田也公布了新款汽油机13:1和14:1的压缩比。

涡轮增压为何让爆震回来

安装后，涡轮增压器会出现在排气管旁。废气推动涡轮，同轴的压气机把空气压入进气道。气缸内空气更多，就能烧更多燃料，使相同排量输出更大功率。美国能源部把涡轮增压器描述为向气缸强制送入额外空气、允许喷入更多燃料的压气机，并称它与发动机小型化结合时，燃油经济性最多可改善8 %。

增压滑块在外界气压之上增加压力。模型单缸在0.9 bar增压下，峰值功率从19.1 kW升到29.4 kW。代价是爆震：压缩终了压力随增压上升，10:1时仅0.6 bar增压就达到29.1 bar。真实汽油涡轮发动机采用较低压缩比、进气晚关、进气冷却和缸内直喷来应对。模型在8:1、进气晚关40°时，0.9 bar增压仍不爆震（18.1 bar）。柴油机没有这个界限，因为它直到需要燃烧时才喷油。

场景中的挑战

“操作”页签的“挑战”列表会随着操作检查模型，也可从场景中的标牌打开。共有十一项：调整配气使峰值功率至少增加5 %（验证得到的最佳设置为进气提前15°、排气延后30°，增加10.7 %）、达到13:1且不爆震、指出V8点火顺序、观察柴油机在部分负荷的优势（半油门时50.7 %对43.6 %）、找出最平顺的布置、以真实转速运行、比较二冲程与四冲程、找出图鉴中效率最高和年代最早的发动机、无爆震增压到0.8 bar，以及打开全部局部特写。再次访问时，完成标记仍会保留。

读数中的“瞬时”与“平均”

读数混合了两类数值，这里给每类都加上标签。“瞬时”燃气扭矩是当前曲轴角度下，气体传给曲轴的扭转作用。它从压缩时的负值变到点火后不久的数百牛顿米，因此直接乘转速没有意义。标为“平均”的扭矩、转速和功率彼此对应：扣除摩擦和换气损失后，在发动机与负载达到平衡的转速下，对完整循环取平均。把这个扭矩乘以弧度每秒表示的角速度，就得到同一行中的功率。

局部特写

特写按钮每次靠近一个部件，并把曲轴停在关键位置：90°处的曲柄销、最大升程的进气凸轮、上止点附近同时开启的两只气门、压缩冲程中的活塞、刚到上止点前的火花、开始喷射的柴油喷油器，以及涡轮增压器。“拆解”把铸件与运动部件分开，让你看到活塞、连杆和曲轴单独运转。