奥托循环的诞生历史及工作原理解析

在实话君还很小的时候，心中有个很大的疑惑就是： 汽车为什么只要加上燃料，就可以一直跑下去？这个疑惑在实话君心里存在了许多年，直到长大后才渐渐明白为什么 汽车加上燃料就可以一直跑了。但随着年龄越来越大，对于问题也越来越喜欢深究，在 发动机的做功中为什么有奥托循环和阿特金森循环的区分？它们之间在工作原理上有什么区别？抱着这样的疑惑，我们今天就来彻底的了解下奥托循环与阿特金森循环。

告别蒸汽时代，走向内燃机时代的奥托

在 汽车内燃机还没有出现以前，车辆的动力通常来源于外力（马、牛）或者蒸汽机，直到1862年法国的一名工程师提出了四 冲程内燃机的概念原理。虽说是法国人提出了这个概念，但法国人并没有将这个概念原理落到实处，而真正基于这个原理造出的第一台内燃机的是一名叫尼古拉斯·奥托的德国工程师。

其实，在真正的内燃 发动机还没到来之前，已经有了一种内燃机，它叫煤气内燃机。这种煤气内燃机与当时的蒸汽机原理完全不同，它从传统蒸汽机的外部燃烧改为了内部燃烧，可以更有效地利用热能。但由于这台内燃机必须连接煤气管，而且 功率过小，因此它的实用性为零。而当时的奥托正是因为这种煤气内燃机没有任何实用性，才产生了研发四 冲程内燃 发动机的想法。

但研发的过程并不顺利，这其中就包括如何让燃料的燃烧更加充分，从而获得更大的 功率。在一次偶然的机会，奥托突然想到了“压缩”这个概念，因为气体经过压缩后，同样体积大小的气体，容量却可以多出好几倍，这也就意味着，最后输出的 功率也将增强好几倍。这个在如今看似简单的概念，却整整耗费了奥托14年时间。最终奥托在1874年，研制出具有体积小、重量轻、 功率大等几个特点的四 冲程 发动机，这台四 冲程 发动机的工作原理被称之为“奥托循环”。

奥托循环的工作原理进气行程：

在进气行程中，进 气门开启，排 气门关闭。 活塞从上止点往下止点运动的过程中，上部的容积逐渐增大， 气缸内部的压力随之减小。当 气缸内部的压力逐渐低于大气压时， 气缸内部就产生了真空。此时，可燃混合气就从进 气门中直接吸入了 气缸。从示功图中也可以看出，当 活塞下行时，曲线ra在大气压线以下。在进气行程中，缸内压力为0.075-0.09MPa，温度在100-130℃。

压缩行程：

在整个压缩行程中，进排 气门均关闭， 活塞从下止点往上止点运动的过程中，上部的容积逐渐减小，混合气被压缩，缸内压力逐渐升高，最后达到了0.6-1.2MPa，温度升高至300-400℃。示功图中，曲线ac表示压缩过程。

作功行程

在这个行程中，进排 气门仍然处于关闭状态，当 活塞将要接近上止点时， 火花塞放出电火花，从而点燃 气缸内的压缩混合气。被点燃的混合气，释放出了大量的能量以及热能，使得缸内的压力以及温度迅速增加。

从示功图中可以看出， 活塞离开上止点的初段，压力从c点增加到z点，此时的压力大约为3-5MPa，温度为1900-2500℃。 活塞从上止点向下止点运动的过程中，随着缸内容积增加，气体和温度也随之下降，最终到达了作功终点b点，此时缸内的压力为0.3-0.5MPa，温度为1000-1300℃。

排气行程：

进 气门关闭，排 气门开启。当 活塞由下止点往上止点运动时， 气缸内的废气强制被 活塞排到了 气缸之外。当 活塞接近上止点时，排 气门关闭。此时，大气压力约为0.105-0.115MPa（略高于标准大气压），温度为600-900℃。这一过程，在示功图中由曲线br表示。

实话君总结：奥托循环是理想化的循环，因为在理论分析和计算时，认为循环由绝热、等容、等压等过程组成，并且系统的组成、性质和质量都保持不变，而实际上因为发生了燃烧和爆炸，系统的组成和性质必然发生变化，因此实际 汽油 发动机的效率要比奥托理想循环的效率低很多，只有不到一半或更小约30%左右。至于奥托循环与阿特金森循环的区别，我将在下期文章中给出答案。