重康动力（深圳）有限公司

摘要： 本文系统阐述柴油机热力循环的三种基本形式（定容、定压、混合加热）及其热效率与平均压力影响因素，详细对比四冲程与二冲程柴油机的工作原理、行程划分及功率差异，并进一步解析增压型柴油机按废气能量利用方式（恒压式/脉冲式）和增压程度（低/中/高增压）的分类及特点，为理解柴油机工作过程与增压技术提供完整理论基础。

 

一、内燃机热力循环原理

 

热力学循环描述了能量在系统中的传递和转化过程，如图1所示。内燃机的理论循环分为三种基本形式：定容加热循环（Otto）、定压加热循环（Diesel）和混合加热循环（Sabathe），如图2所示。

1. 理论循环热效率ηt的影响因素

热效率ηt受压缩比ε（ε = Va/Vc）、压力升高比λ（λ = Pz/Pc）、初期膨胀比ρ（ρ = Vz/Vc）及工质绝热指数k共同影响。热效率随压缩比ε、压力升高比λ、工质绝热指数k的增加而提高，随初期膨胀比ρ的增加而降低。混合加热循环继续膨胀示意图如图3所示。

2. 理论循环平均压力Pt的影响因素

平均压力Pt受压缩始点压力Pa、单位工质吸入热量q₁、压缩始点温度Ta及热效率ηt等因素影响。平均压力随压缩始点压力、单位工质吸入热量及热效率的提高而增加，随压缩始点温度的升高而降低。其计算公式为：Pt ∝ Pa·q₁·ηt / Ta。

3. 三种理论循环热效率比较

若最高爆发压力和吸热量相同，定压加热循环热效率最高，混合加热循环次之，定容加热循环最低。若压缩比和吸热量相同，则定容加热循环热效率最高，混合加热循环次之，定压加热循环最低。

（1）如图4（a）所示。若最高爆发压力和吸热量相同，则定压加热循环热效率最高，混合次之。

（2）如图4（b）所示。若压缩比和吸热量相同，则定容加热循环热效率最高，混合次之。

 

图1  柴油机内部热力循环工作原理图	图2  柴油机理论循环示意图
图3  柴油机混合加热循环继续膨胀	图4  柴油机三种理论循环的热效率

 

二、四冲程柴油机的基本工作原理

 

四冲程柴油机由曲轴回转两周（720°曲轴转角）完成一个工作循环。四冲程柴油机的结构如图5所示，工作原理如图6所示，图中分别表示4个行程中活塞、连杆、曲轴及气阀的相对位置。

1. 进气行程

活塞从上止点下行，进气阀打开，气缸内充入新鲜空气。进气阀一般在上止点前提前开启，在下止点后延迟关闭，开启延续角度约220°～250°。

2. 压缩行程

活塞从下止点上行，进排气阀均关闭，空气被压缩使压力和温度升高。压缩终点压力约3～6MPa，温度约500～700℃。在上止点附近，燃油喷入燃烧室并自行着火燃烧。

3. 做功行程

活塞由上止点向下运动，缸内压力达6～9MPa，温度达1500～2000℃，高温高压气体推动活塞下行做功。排气阀在下止点前开启，此时缸内压力约0.2～0.5MPa，温度约600～700℃。

4. 排气行程

活塞由下止点向上运动，排气阀开启，废气被推出缸外。排气阀在下止点前提前开启，在上止点后延迟关闭，开启延续角度约230°～260°。

四冲程柴油机一个工作循环中只有一个行程做功，其余三个行程消耗功，单缸机需依靠飞轮储能维持运转，多缸机则借助其他气缸做功行程相互补偿。

 

图5  柴油机气缸运动示意图 1-排气门 2-进气门 3-气缸盖 4-气缸5-活塞 6-活塞销 7-连杆

图6  四冲程柴油机工作原理

 

三、二冲程柴油机的基本工作原理

 

二冲程柴油机用两个行程，曲轴回转一周完成一个工作循环的柴油机。二冲程柴油机与四冲程柴油机的不同是在于气缸上设有气口，如图7所示气缸右侧为排气口，左侧为进气口。进气口比排气口略低，由活塞控制气口的开与关。其工作过程如图8所示。

1. 换气—压缩行程

活塞由下止点向上运动，新鲜空气经进气口进入气缸，将废气从排气口赶出。当进气口和排气口被活塞遮蔽后，活塞对空气进行压缩，产生高压高温。在上止点前燃油喷入并着火燃烧。

2. 膨胀做功—换气行程

活塞由上止点向下运动，燃气膨胀推动活塞做功。排气口打开时，缸内压力约0.25～0.6MPa，温度约600～800℃，废气高速排出。随后进气口打开，新鲜空气扫气，将残余废气排出。

四冲程柴油机与二冲程柴油机的主要区别在于：二冲程将进气和排气合并到压缩与膨胀行程中，曲轴回转一周完成一个工作循环。在相同转速和尺寸条件下，二冲程功率理论上为四冲程的2倍，但由于有效行程缩短及扫气损失，实际功率约为四冲程的1.6～1.8倍。

 

 

图7  二冲程柴油机工作原理

图8  柴油机做功示意图

 

四、增压型柴油机的分类

 

1. 按废气脉冲能量利用方式分类

（1）恒压式废气涡轮增压器：如图9所示。将多缸柴油机全部气缸的排气歧管汇集到一根排气总管内，废气经稳压后以恒定压力通向喷嘴环。优点为涡轮效率较高，额定工况性能优异；缺点为低速扭矩和加速响应较弱。适用于大功率、高增压的船用或固定式柴油机及发电用机组。

（2）脉冲式废气涡轮增压器：如图10所示。按发火顺序将气缸分组，各缸排气歧管相互独立，废气脉冲波直接作用于涡轮叶片。能充分利用废气脉冲能量并产生负压扫气效应，防止各缸排气干扰，有利于提高充气效率和瞬态响应。中、小型高速柴油机及车用柴油机普遍采用此类型。

2. 按压气机压比（增压程度）分类

压比πₖ = pₖ/p₁，反映了增压器对空气的压缩能力。按压比大小分为三个等级：

（1）低增压（πₖ < 1.6） ：增压压力较低，可不设中间冷却器，结构简单，主要用于小型高速柴油机。

（2）中增压（1.6 ≤ πₖ < 2.5） ：压气机出口温度明显升高，通常πₖ > 1.8时须加装中冷器以降低进气温度、增大空气密度并控制热负荷。

（3）高增压（πₖ ≥ 2.5） ：压气机出口温度很高，须配置高效中冷系统及更高强度的材料和冷却结构，可显著提升功率密度和燃油经济性。

 

图9  柴油机恒压增压系统

图10  柴油机脉冲增压系统

 

 

总结： 柴油机热力循环中定容、定压、混合加热三种理论循环的热效率受压缩比、压力升高比、初期膨胀比及绝热指数影响，其比较结论因约束条件不同而相反。四冲程柴油机曲轴回转两周完成一个工作循环，四行程中仅做功行程输出能量；二冲程柴油机曲轴回转一周完成一个工作循环，实际功率约为四冲程的1.6～1.8倍。增压柴油机按废气能量利用方式分为恒压式（效率高、瞬态弱）和脉冲式（响应快、中小型常用），按压比分为低（πₖ<1.6）、中（πₖ≥1.8须中冷）、高（πₖ≥2.5须高效中冷）。本文旨在为理解柴油机工作过程与增压选型提供理论基础。

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