奧托四衝程發動機
奧托引擎是由尼古拉斯·奧古斯特·奧托，於1867年與敖根·郎恩合作開發出了一種燃氣引擎——也就是不久之後誕生的四衝程引擎的前身——之後再研發的一種基於四衝程和兩衝程結構的引擎。
工作方式
奧托四衝程引擎透過燃燒以一定比例混合起來的汽油與空氣的混合氣來驅動。在化油器及進氣管內形成外部混合氣，在燃燒室內形成內部混合氣。
內部混合氣的形成
- 衝程一（進氣）：在衝程一中活塞從上止點移動到下止點。此間當活塞向下運行時造成氣缸內空間擴大，從而形成負壓。在負壓的作用下燃料和空氣的混合氣通過打開的進氣閥被吸入燃燒室。排氣閥在整個進氣衝程過程中保持關閉。
- 衝程二（壓縮）：在第二個衝程中活塞從下止點運行到上止點，燃燒室內的混合氣因此被壓縮。混合氣因空間縮小被壓縮的程度越高，則其壓力和溫度由於絕熱過程而越高，功率也越高。發動機的功率因此提高，而油耗則下降。但同時發動機的機械負荷增大，自我點火的危險也在加大，因為溫度可以達到400到500攝氏度（汽油的燃燒溫度在500至650攝氏度之間）。
- 衝程三（做工）：當活塞運行到衝程二結束的位置時，燃燒室內的容積為最小。此時燃料和空氣的混合氣被火花塞點燃並燃燒。火焰以每秒10至30米的速度蔓延，所以燃燒室內的混合氣在0.001秒後就完全燃燒了，由此而產生一個50至75巴的最高壓力和一個2000至2500攝氏度的最高溫度。
- 衝程四（排氣）：由於做工衝程中氣體膨脹形成的壓力，氣缸活塞被從上止點推向下止點的方向，這樣壓力在進氣衝程時降低，排氣凸輪軸打開排氣閥，最後氣缸活塞從下止點運行到上止點，廢氣通過打開的排氣閥被排出去。接下來可以開始一個新的工作循環。
功率，即多少燃料的熱能被轉化成機械能，首先是由壓縮比決定的。絕大多數奧托發動機的壓縮比為8:1或10:1。較高的壓縮比對應一個較高的功率，一般可以通過具有較高辛烷含量的抗震（爆震）燃料來實現。一台優良的發動機的功率應在20%至25%之間，這就是說，燃料產生的熱能只有20%至25%被轉化為機械能。冷卻及摩擦是造成奧托發動機功率損失的主要原因。
外部混合氣的形成
外部混合氣在化油器中形成。對於幾乎所有的運行狀態來講，化油器僅通過湧入空氣的吸入作用來控制「最佳」的燃料與空氣的混合氣的形成。因為化油器不具備形成精確的混合氣的功能，因此造成較高的尾氣排放值，所以現在已經很少用到。
化油器的工作方式
進氣管靠近化油器的一段較狹窄。因為通過這段狹窄進氣管的空氣的量是恆定的，所以從空氣濾清器到達化油器的空氣此處會得到一個加速。同時由於在此產生的負壓而形成一種吸入作用。燃料的供應由主噴嘴來控制。主噴嘴允許一定量的燃料流入空氣通道，這取決於形成的負壓，而供燃燒室使用的混合氣的量由節氣門控制，節氣門的開啟角可根據不同的負荷狀態而改變。燃燒室在滿負荷狀態下需要大量的混合氣，所以主噴嘴輸送大量的燃料，燃料與節氣門全開狀態下進入的空氣混合起來，並進入燃燒室。節氣門在部分負荷狀態下只部分開啟，因為燃燒室只需要少量的混合氣。
汽油直噴
汽油直噴區別於外部混合氣形成，即通過化油器對混合氣進行預處理。汽油直噴是這樣實現的：燃料通過一個由高壓泵驅動的噴油閥被噴入燃燒室，然後在那裡才與吸入的空氣混合起來。汽油直噴系統主要由以下幾部分組成：
- 發動機控制器
- NOx催化器
- 三元催化器
- 特別成型的活塞
- 高壓泵
- 節氣門
在轉數的控制下，汽油直噴處於均質或稀燃運行狀態（均質-稀燃狀態）。低轉數狀態下四衝程發動機主要處於稀燃運行狀態。該運行狀態下燃料在即將點火之前才通過噴油嘴被噴入燃燒室，即當活塞位於上止點且吸入的空氣已經被強烈壓縮的時候。由此而產生的空燃比最大為3，即在混合氣中存在的空氣量是實際所需空氣量的3倍。這樣稀燃運行狀態下儘管存在過量空氣仍然可以使混合氣燃燒，所以人們更樂於把燃燒室設計成這樣，即只在火花塞的周圍製造可點燃的混合氣。因為混合氣被點燃之前的時間非常短暫，所以在這個低轉數區間如何將混合氣引導到火花塞就變得很重要。
化油器按照「貝努利定律」工作。「貝努利定律」是一個物理學定律，指明：當一種氣體或液體流動得越快，其內部壓力下降得就越快。該定律指出，在不考慮重力的前提下，氣體或液體的整個流動路徑上的靜態和動態壓力的值保持不變。
稀薄燃燒時所產生的廢氣中NOx的含量過高，不符合排放標準。因此人們為汽油直噴除了在接近發動機出安裝了三元催化器之外，還有NOx濾清器，它負責將NOx顆粒轉化為N2和氧氣，並把無毒的氣體排出，以及分離出高的硫成分。
發動機自約1/3000分鐘及高功率需求時開始改變運行狀態，並運行在均質狀態，即混合氣中含有所需的精確的空氣量。正如傳統的奧托發動機一樣，空氣在該運行狀態下被吸入並被壓縮。
參考資料
- 《大話汽車》：陳新亞編著，化學工業出版社，2010，北京。第5頁，第9頁。
- 《愛車就該懂車》：[日]市川克彥著，劉慧譯。武漢出版社，2009。24-56頁。