四冲程引擎，大多数内燃式发动机都有许多并排的汽缸，活塞的上下移动通过连接传杆使机轴进行圆周运动。发动机产生的能量由机轴的一端进行传递。由于在每一个运转周期中，每个活塞要上下运动四次。

为使发动机产生动力,必须先将燃料和空气供入气缸,经压缩后使之燃烧产生热能,以气体为工作介质并通过推动活塞和连杆使曲轴旋转,从而使热能转化为机械能,最后再将燃烧后的废气排除气缸。至此,发动机完成一个工作循环。此循环周而复始地进行,发动机便产生连续的动力。

活塞在气缸内往复四个行程(相当于曲轴转两周)完成一个工作循环的发动机,称为四冲程发动机,四冲程发动机每个工作循环中的四个活塞行程分别为进气行程、压缩行程、作功行程和排气行程。

进气行程中,进气门打开,排气门关闭,转动的曲轴带动活塞从上止点向下止点运动,缸内容积增大,压力降低而形成真空,将可燃混合气吸入气缸。由于进气系统的阻力,进气终了时气缸内气体的压力略低大气压,约为0.055~0.09MPa,温度为370~400K。示功图上的曲线M表示进气行程,位于大气压力线之下。它与大气压力线纵坐标之差,即为活塞在各位置时的真空度。

为使吸入缸内的混合气迅速燃烧,放出更多的热量,从而使发动机发出更大的功率,必须在混合气燃烧前对其进行压缩,使其容积变小、温度升高。为此,在进气终了时便立即进入压缩行程。在此行程中,进、排气门均关闭,曲轴推动活塞由下止点向上止点移动一个行程。示功图上.曲线M表示压缩行程。压缩终了时活塞到达上止点,混合气被压入活塞上方根小的燃烧室中。此时,混合气压力高达0.6~1.2MPa,温度可达700K。发动机的压缩比大,则混合气燃烧迅速、发动机发出的功率大、经济性就好。但压缩比大,会导致爆燃和表面点火等不正常燃烧的现象,从而造成发动机过热、功率下降、油耗增大等一系列不良后果。因此,在提高汽油机压缩比时,必须防止爆燃和表面点火现象的发生。

在压缩行程接近终了时,火花塞产生电火花点燃混合气,此时进、排气门仍关闭。由于混合气的迅速燃烧,使缸内气体温度和压力迅速升高,最高压力可达5~9Wa,最低温度可达2200~2800K。在高温高压气体的作用力推动下,活塞向下止点运动,活塞下移通过连杆使曲轴旋转运动,产生转矩而作功。发动机至此完成了一次将热能转变为机械能的过程。示功图上的zb表示作功过程。在作功终了时的b点,压力下降为0.3~0.5MPs,温度降为1300~1600K。

混合气燃烧后成为废气,应从气缸内排出,以便下一个工作循环得以进行。因此,当作功行程接近终了时,排气门打开,进气门仍然关闭,因废气压力高于大气压力而自动排出,此外,当活塞越过下止点上移时,还靠活塞的推挤作用强制排气。活塞到上止点附近时,排气行程结束。示功图上曲线阶表示排气行程。排气终了时,缸内压力约为0.105~0.115MPa,温度为900~1200K。至此发动机完成一个工作循环,接着又开始了下一个新工作循环。

四冲程柴袖机,和汽油机一样,每一个工作循环也经历进气行程、压缩行程、作功行程和排气行程四个行程。但由于柴油机用的燃料是柴油,其曲度比汽油大,不易蒸发,而自燃温度却比汽油低,故可燃混合气的形成及点火方式都与汽油机不同。

进气行程不同于汽油机的是进入气缸的不是可燃混合气,而是纯空气。3.2 压缩行程。

压缩行程不同于汽油机的是压缩的是纯空气,且由于柴油机压缩比高,压缩终了时的温度和压力都比汽油机高,压力可达3~5MPa,温度可达800~1000K。

作功行程与汽油机有很大的不同,在柴油机压缩行程末尾,喷油泵将高压柴油经喷油器呈雾状喷入气缸内的高温空气中,迅速汽化并与空气形成混合气,由于此时气缸内的温度远远高于柴油的自燃调度(约500K左右),柴油便立即自行着火燃烧,且此后一段时间边喷油边燃烧、气缸内压力、温度急剧升高,推动活塞下行作功。此行程中,瞬时压力可达5~10MPa,瞬时温度可达1800~2200k;作功终了时压力约为0.2~0.4MPa,温度约为1200~1500K。

排气行程与汽油机基本相同。排气终了时气缸压力约为0.105~0.125MPa,温度为800~1000K。

在传统自由活塞发动机基础上, 使用直线发电机作为负载, 实现将燃料燃烧产生的热能清洁高效地转化为电能输出的新型汽车动力装置正受到越来越多的关注。这类装置适用于纯电动汽车及混合动力电动汽车, 同样可应用于移动通信、灾害救援等需要大功率移动电源的场合。

国内外现有研究的自由活塞发动机普遍使用两冲程工作循环。然而, 两冲程发动机的性能显著低于四冲程发动机, 在汽车中基本不再使用。因此, 本文研究四冲程自由活塞发动机, 在进行仿真分析的基础上, 通过研制出的原理性样机进行仿真分析与实验研究, 以揭示新系统动态特性及主要性能。

冲程发动机的特点是曲轴转两圈才完成一个工作循环，也就是 吸气--压缩--爆发--排气。2冲程发动机没有气门，利用缸套上的扫气孔进气。4冲程发动机有气门，利用曲轴正时齿轮带动正时链(小链)，正时链带动凸轮轴来实现气门的开/关。同排量的2冲程发动机功率大过4冲程发动机，但4冲程发动机省油。

相较于二冲程引擎，四冲程的结构较为复杂。它拥有活瓣及凸轮轴，至少要有进气活瓣、排气活瓣及凸轮轴各一。因为它的容积效率较低，所以两种引擎在相同扫气容积下，它会有较少之输出功率。但它有稳定的扭力及马力输出，所以它适用于道路的车辆和船只。虽然它提升转数较慢，它不能算是真的问题。其实，转数提升缓慢可以以减轻飞轮的重量、活塞的重量及曲轴的重量来解决。