1.2　柴油发动机原理

柴油发动机的工作是由进气行程、压缩行程、做功行程（燃烧膨胀）和排气行程这四个过程来完成的，原理如图1-1所示，这四个过程构成了一个工作循环，如此反复连续操作，进而保障柴油机的正常运行。

活塞经历进气行程、压缩行程、做功行程和排气行程，曲轴旋转两周（720°）后，完成了柴油机的一个工作循环。由于飞轮的惯性作用，使曲轴继续旋转，因而带动活塞再次从上止点向下止点移动，此时则开始进行下一个工作循环，这样周而复始，使柴油机不停运转，同时驱动工作机械做功。针对每个行程具体工作行程如下。

第一行程——进气。它的任务是使气缸内充满新鲜空气。工作原理是：起动机通电带动曲轴旋转，当曲轴旋转时，连杆使活塞由上止点向下止点移动，同时，利用与曲轴相连的传动机构使排气阀关闭，进气阀打开。曲轴的转动使活塞自上而下运动，气缸内活塞上面的容积逐渐增大，造成气缸内的空气压力低于进气管内的压力，因此新鲜空气就不断地充入燃烧室。进气行程原理如图1-2所示。

值得注意的是，进气行程中气缸内气体压力随着气缸容积变化的情况。在进气过程中由于空气通过进气管和进气阀时产生流动阻力，所以进气行程的气体压力低于大气压力，其值为0.085～0.095MPa，在整个进气行程中，气缸内气体压力大致保持不变。

此外，当活塞向下运动接近下止点时，冲进气缸的气流仍具有很高的速度，惯性很大，为了利用气流的惯性来提高充气量，进气阀在活塞过了下止点以后才关闭。虽然此时活塞上行，但由于气流的惯性，气体仍能充入气缸。

第二行程——压缩。这个行程的功用有两个，一是提高空气的温度，为燃料自行发火做准备；二是为气体膨胀做功创造条件。工作原理是：活塞从下止点向上运动，此时，进气门和排气门都关闭，吸入气缸内的空气受到活塞的压缩，压力增大，进而导致温度升高。压缩行程原理如图1-3所示。

当活塞上行，进气阀关闭以后，气缸内的空气受到压缩，随着容积的不断细小，空气的压力和温度也就不断升高，压缩终点的压力和温度与空气的压缩程度有关，即与压缩比有关，一般压缩终点的压力和温度为：P_c=4～8MPa，T_c=750～950K。

柴油的自燃温度约为543～563K，压缩终点的温度要比柴油自燃的温度高很多，足以保证喷入气缸的燃油自行发火燃烧。

喷入气缸的柴油并不是立即发火的，而且经过物理化学变化之后才发火，这段时间大约有0.001～0.005s，称为发火延迟期。因此，要在曲柄转至上止点前10°～35°曲柄转角时开始将雾化的燃料喷入气缸，并使曲柄在上止点后5°～10°时，在燃烧室内达到最高燃烧压力，迫使活塞向下运动。

第三行程——做功（燃烧膨胀）。这个行程的作用是对外输出功。工作原理是：当活塞压缩到上止点，喷油器向燃烧室喷入雾状柴油，油雾与压缩空气混合，形成高温高压的燃气，并开始自行着火燃烧，混合气膨胀做功，推动活塞向下运动，从而推动曲轴转动，对外输出功。随着活塞的下行，气缸的容积增大，气体的压力下降，工作行程在活塞行至下止点、排气阀打开时结束。做功行程原理如图1-4所示。

第四行程——排气。排气行程的功用是把膨胀后的废气排出去，以便充填新鲜空气，为下一个循环的进气做准备。

工作原理是：当工作行程活塞运动到下止点附近时，排气阀开起，活塞在曲轴和连杆的带动下，由下止点向上止点运动，燃烧废气在活塞的推动下排出燃烧室外，完成一个工作行程，这时曲轴转动两周。当柴油机完成排气行程后，在曲轴飞轮总成的惯性力作用下，又重复上述工作循环过程，使柴油机连续运转对外输出功率。排气行程原理如图1-5所示。

由于排气系统存在阻力，所以在排气行程开始时，气缸内的气体压力比大气压力高0.025～0.035MPa，其温度T_b为1000～1200K。为了减小排气时活塞运动的阻力，排气阀在活塞到达下止点前就打开了。

排气阀一打开，具有一定压力的气体就立即冲出缸外，缸内压力迅速下降，这样当活塞向上运动时，气缸内的废气依靠活塞上行排出去。为了利用排气时的气流惯性使废气排得干净，排气阀在活塞到达上止点以后才关闭。