四冲程发动机：两圈曲轴如何完成一次做功
跟随活塞、气门和曲轴走完进气、压缩、做功、排气，分清机械循环与理想奥托循环。
快速解答
四冲程发动机依次完成进气、压缩、做功和排气。活塞每走完一个冲程，曲轴转半圈；四个冲程共需曲轴转两圈，即 720°。本文讨论火花点火汽油机的简化模型，其中每个气缸每两圈只有一次做功冲程。
关键事实
- 冲程与转速: 一次冲程是活塞在上、下止点之间的一次单程运动，不是往返一次。
- 动力传递: 高压气体推动活塞，经连杆把力传给曲轴，产生转矩。
- 模型区别: 四冲程描述机械动作；理想奥托循环描述压缩、吸热、膨胀、放热的热力学过程。
四个冲程，各自解决一个问题
上止点是活塞最靠近气缸盖的位置，下止点是最远的位置。两者之间的行程不变，但气门状态与缸内气体状态不同，所以相同方向的运动可以承担不同任务。
- 进气: 活塞从上止点向下运动，进气门开启、排气门关闭，吸入新鲜充量。简化汽油机示意可画成空气与燃油混合物，真实直喷机的喷油时机另有安排。
- 压缩: 活塞向上运动，两气门关闭，缸内容积减小，混合气被压缩。火花通常在压缩末期附近点燃混合气，不必恰好发生在上止点。
- 做功: 燃烧使气体温度、压力升高，气体膨胀推动活塞向下，经连杆驱动曲轴。这一阶段是循环向外输出机械功的主要来源。
- 排气: 活塞向上运动，排气门开启，把燃烧后的气体排出。完成后才进入下一轮进气，而不是每转一圈都重新点火。
算例：三千转不等于三千次做功
假设单缸四冲程发动机稳定运行在 3000 转/分钟，并且每个循环都正常点火。曲轴每两圈对应一个完整循环，所以每分钟有 3000 ÷ 2 = 1500 次做功冲程，每秒为 1500 ÷ 60 = 25 次；一个循环约用 0.04 秒。
这个结果不能单独算出功率。功率还取决于每次循环的净输出功；同样的转速，负载、进气量和供油不同，输出可以不同。多缸机可以错开做功时刻，但每个气缸仍遵守自己的四冲程顺序。
交互探索
打开交互演示沿着一个气缸观察两圈
先只跟踪活塞，再加入气门和曲轴，避免同时追踪所有颜色。
- 以进气开始的上止点作为零点，记录 0° 至 180°、180° 至 360°、360° 至 540°、540° 至 720° 四段内的运动方向，应依次向下、向上、向下、向上。
- 对比两个向下冲程：进气时关注进气门，做功时关注燃烧后的膨胀。再比较两个向上冲程，用气门是否开启区分压缩与排气。
- 比较 0° 与 360° 的活塞位置：它们都在上止点，但所处阶段不同。继续观察到 720°，确认位置与循环阶段才一起回到起点。
奥托循环不是四个冲程的另一组名字
理想奥托循环把工质视为封闭系统，用等熵压缩、定容吸热、等熵膨胀、定容放热四个过程描述热功转换。它把真实燃烧简化为吸热，把废气带走能量等现象简化处理，并不逐项模拟进气与排气。
因此，机械图里的活塞移动和热力学图里的过程不能机械地一一对应。尤其定容吸热是假设能量在体积几乎不变时加入，不表示真实发动机燃烧期间活塞完全停住。
动画省略了哪些真实细节
火花只负责触发燃烧，主要能量来自燃料，不是来自火花塞。压缩、进气和排气也需要能量，发动机依靠飞轮储能及其他气缸的作用跨过这些阶段，不会在做功结束时立刻停止。
演示以理想相位帮助辨认顺序。真实发动机的气门会提前开启或延迟关闭，可能出现气门重叠；还存在摩擦、传热、泄漏和有限燃烧时间。图中颜色不能当作温度或压力的测量值。柴油机同样可以采用四冲程，但点火机制不同，不能把这里的火花点火过程直接套用过去。
参考资料
- Otto Cycle：理想奥托循环的热力学模型 — NASA Glenn Research Center