在现有技术中，应用最广泛的内燃发动机有两种类型。即：二冲程发动机和四冲程发动机。二冲式发动机为曲轴旋转二周做一次功，有复杂的定时配气和排气机构，制造该机用材多，重量大，成本高，但使用中燃油的消耗和污染少。而四冲程式发动机曲轴每旋转一周做一次功，与其机身重量比，功率输出大，并且没有复杂的配气机构，制造比较简单，使用材料少，重量轻，成本低。但是这种四冲程发动机使用时油耗大，对环境污染严重，工作容积的利用率也低。下面分析存在于该机种上这些缺点的原因，这是该发明所要解决的问题。 现有的四冲程内燃发动机是曲轴箱换气式，排气口（图2-1）和换气口（图2-2）设置在活塞顶部的下止点前面的缸筒壁上，吸气口（图2-3）设置在活塞底边的上止点以下的位置，其中换气孔与曲轴箱相通，排气孔通向机外，吸气孔通过化油器也常开于机外，这些孔之间以及它们与曲轴箱之间的密封条件是受活塞与缸筒内径配合的精密度影响的，当它们在运转中磨损时，其配合间隙就大了，这时的密封条件就被破坏了，吸入曲轴箱内的混合气在压力增高时就通过间隙挤出排气孔和化油器，反流出化油器的混合气又吸走了化油器中的燃油，以上是结构上造成的泄漏。下面谈运转中的油料损失，从图2中分析，换气过程中混合气（实线箭头）和废气（虚线箭头）有混流，必然要被废气带走一部分混合气。图中示出，排气孔占据了冲程长度地四分之一（L2），活塞向上运行时就把已经换入气缸的混合气排出机外四分之一冲程的容积。活塞运行到上止点，活塞底端的吸气孔（3）与曲轴箱连通，通过化油器吸入混合空气进曲轴箱（在此之前曲轴箱内为负压），活塞绕过上止点下行，在封闭吸气口之前的这段行程是冲程的五分之一，这五分之一的曲轴箱内的混合气又通过化油器排出机外，这是加浓的混合气，因为这股反向的混合气流又吸走了化油器中的燃料。再一方面是功率的损失，其一是吸气口未连通曲轴箱之前的负压消耗了本身约四分之一的功，再从图2分析看有效做功冲程（L1），只有四分之三冲程弱，这从换气角∠可以看出直观印象来。
本发明的技术特征是用改变这种发动机的换气方法来全面改善这种发动机的性能，达到节油和提高功率以及控制环境污染的目的。
该发明的这种发动机的换气口为单流阀，位置在活塞顶部见图1。1是排气孔，2是阀片挡圈，3是单流阀片，4是排气道，5是附加活塞环，6是吸气单流阀。附图4是单流换气阀坐在活塞顶部的几何形态。附图5是阀片挡圈形态图，附图6是阀片形态图，图1-1的排气孔呈扁形，多孔均布在缸筒壁上。
换气孔在活塞上的设置和吸气孔（图1-6）在曲轴箱上的设置闭免了曲轴箱内混合气的泄漏。如果再用上附加活塞环图1-5，其泄漏完全闭免。由于气缸筒上只有排气孔图1-1，其孔的数量可增加，以增大排气孔截面积，把排气孔做成扁状是用来减小排气行程的长度。该换气单流阀在活塞上设置所引发出的另一个作用是减掉了现有技术中缸体上的换气道，从而缩小了曲轴箱内的容积，提高了曲轴箱内混合气压缩比，加快了换气速度。由于具备了这些条件，所以减小了换气角（附图3），增加了有效做功冲程的长度。
该发明单流换气式四冲程内燃发动机的换气原理是：活塞做功下行至排气口排出废气，当废气的排放压力降至小于曲轴箱内混合气压力时，活塞顶部的单流阀片被推开，曲轴箱内的混合气从活塞中央直冲向上换入气缸，又从顶点扩散挤向下方把废气排出，如图3所示，这一过程没有混流。当活塞绕过下止点上行至排气口上边时，其换气单流阀片3自动闭合而活塞进入压缩冲程，此时曲轴箱内则从吸气单流阀孔吸入混合气进入曲轴箱。换气单流阀片的自动闭合是受三种作用力来实现的，即阀片的上、下两面的正负压差作用和活塞高速运动的贯性力，由于这三种力的作用，其单流阀不设弹簧。如设弹簧，其弹簧与活塞体接触面积小而不能散热，热的积垒将使弹簧烧红而导至混合气的早燃，并且弹簧将失去弹性。
由于与现有技术相比，该机种的曲轴箱内压缩比增加了，压力也增加了，换气速度也增加了，就给换气单流阀孔的截面积减小提供了依据，因为受活塞几何形态的限制，其换气单流阀孔不可能设计得很大。其换气孔截面积可设计为：气缸工作容积÷＞30即可。（在研制新机时可以把冲程设计短些，活塞直径设计大些，用来实现活塞顶部的阀座设计）。
由于活塞顶部设置了单流换气阀，而导至了活塞受热面积的增加，但又因为活塞与缸筒的接触面积大，是能够把热量传导出去的。换气单流阀片的热量是由换气时的冷态混合气流冲掉的，同时又冲掉了活塞上的一部分热量，这有利于增加混合气的温度而使其燃烧充分。该活塞和阀片可用硬铝制造，也可将阀片和其接触部位做成其它硬金属材料以增加寿命，这对于设计师而言是不难办到的。图4、5、6是活塞及单流阀组件的几何形态，供设计者参考。由于排气孔园周布置于缸筒上，固排气道（图1的A-A剖面1）则是环形于缸体上，与气缸筒偏心布置，其最宽处的通气截面积要大于排气孔截面积的总和，排气管也与此相同。附图A-A剖面中1是排气道，2是缸筒排气孔，3是排气管。
从现有技术图2和发明图3的对比来计算发明的实用效果：
图2为现有技术的四冲程发动机性能及原理图，图中有效做功冲程L1为四分之三冲程弱，换气行程L2为四分之一强，∠为换气角约140度，吸气口L3为五分之一冲程。
图3为本发明单流换气式四冲程内燃发动机的性能及原理图。图中有效做工功冲程L1为九分之八冲程，L2为换气行程，∠为换气角约80度。
1.计算功率输出率的增加
计算式1：（L1′-L1+P）×100
即：（8/9-3/4+1/4）×100
＝38.88%
2.计算油料节约率
应注意的是：本发明机型的换气角很小，在换气过程中，活塞在下止点前段是排气，后段是换气，换气终了时活塞已把排气口封闭，不会把混合气排出机外，不在计算之内。
计算公式： 100/(I+L3×2+L2+C) ×L3×2+C
即： 100/(I+1/5×2+1/4+1/10) ×1/5×2+1/4+1/10
＝42.85%
1式中：L1′ 为发明机型有效做功长度率
L1 为现有机型有效做功长度率
P 为现有机型负压功率损失率
100 为百分率
2式中：I 为现有机型应需燃油率
L3 为吸气口燃油损耗率
L2 为排气口燃油损耗率
C 为间隙泄漏和排气混流损油率
100 为百分率
从以上计算表明，与同等容积的现有机型相比，该单流换气式四冲程内燃发动机可提高输出功率38.88%;节约燃油42.85%。
四冲程内燃发动机使用极为广泛，汽车、船只、摩托车、拖拉机、小型发电机无电源的机械设备、各种动力工具等都需要它做为动力来源。所以，研制和推广这种单流换气式四冲程内燃发动机，使之将现有机型逐步淘汰，将会节约大量能源，控制环境污染，给国家带来巨大的经济效益和社会效益，推动国家经济向前前发展的速度。