摘要：柴油机中热能与机械能的转化，是通过活塞在气缸内连续进行进气、压缩、工作、排气四个过程来完成的。理解柴油机的基本构造参数与工作循环原理，是掌握柴油发电机组运行特性、开展故障诊断与维修保养的理论基础。本文系统梳理柴油机常用名词，包括工作循环、上止点与下止点、活塞冲程、曲柄半径、燃烧室容积、工作总容积、压缩比、过量空气系数及充气效率等核心概念，详细阐述四冲程柴油机进气、压缩、膨胀、排气四个冲程的工作过程与热力参数变化，并进一步分析四冲程柴油机的换气过程与配气相位，为柴油发电机组运维人员提供完整的基础理论参考。
一、柴油机的常用名词解析
1. 工作循环
柴油机中热能与机械能的转化，是通过活塞在气缸内工作，连续进行进气、压缩、工作、排气四个过程来完成的。机器每进行这样一个过程称为一个工作循环。一个工作循环完成后，工质恢复到初始状态，随后重复进行下一循环，使柴油机连续不断地产生机械功。
2. 上止点和下止点
（1）上止点。当活塞在气缸中移动时，活塞顶处在气缸中的最高位置称为上止点，或称上死点。
（2）下止点。活塞顶在气缸中的最低位置，称为下止点，或称下死点。上止点与下止点共同确定了活塞往复运动的极限边界，是计算活塞冲程、燃烧室容积等工作参数的基准位置。
3. 活塞冲程
（1）定义。上、下止点之间的最小直线距离称为活塞冲程，或称行程，通常用S表示。
（2）与曲柄半径的关系。曲轴与连杆大端的连接中心到曲轴的旋转中心之间的最小直线距离称为曲柄的旋转半径。对于气缸中心线通过曲轴旋转轴心的柴油机，活塞冲程S=2R。
4. 曲柄半径R
曲轴旋转中心到曲柄销中心之间的距离称为曲柄半径，活塞行程与曲柄半径之间有如下的关系：S=2R，即活塞行程为曲柄半径的两倍。曲柄半径是决定柴油机排量、扭矩输出特性及整机外形尺寸的重要结构参数。
5. 燃烧室容积
活塞在上止点时，其顶部以上与缸盖底平面之间的空间容积称燃烧室容积。燃烧室容积是活塞在气缸中运动所能达到的最小容积，其形状与大小直接影响燃油喷雾与空气的混合质量以及燃烧效率。
6. 工作总容积
（1）气缸工作容积。活塞从上止点到下止点所扫过的气缸容积，称为气缸工作容积，或称活塞排量，用Vh表示。
（2）柴油机工作容积。多缸柴油机各气缸工作容积的总和称为柴油机工作容积，或称柴油机排量，用VL表示，如图1所示。其计算公式为：
VL = πD²Si / (4×10³)
式中：D—气缸直径（cm）；S—活塞冲程（cm）；i—气缸数；Vh—一个气缸的工作容积。
7. 压缩比
（1）定义。新鲜气体吸入气缸后充满了整个气缸，即占有气缸总容积Va，而气缸总容积则包括燃烧室容积Vc和气缸的工作容积Vh，气缸总容积Va=Vc+Vh。气缸总容积与燃烧室容积的比值称为压缩比，用ε表示。
（2）压缩比的物理意义。压缩比的大小，说明气缸内的空气经压缩后体积缩小的倍数，也表明气体被压缩的程度。通常柴油机ε=16～22，汽油机ε=5～9。
（3）压缩比对柴油机性能的影响。压缩比越大，表明活塞运动时，气体被压缩得越厉害，其气体的温度和压力就越高，柴油机的效率也越高。但压缩比过高会导致缸内爆发压力增大，对机体结构强度提出更高要求。
8. 过量空气系数
（1）理论空燃比。燃料完全燃烧时的理论空燃比（A/F），柴油为14.3（kg/kg）。
（2）实际空气量与理论空气量之比。在发动机中实际燃料燃烧所供给的空气量往往大于理论空气量。燃烧1公斤燃料的实际空气量与理论上所需空气量之比，称为过量空气系数α（Excess air coefficient）。柴油机为保证燃烧完全，过量空气系数通常大于1。
9. 充气效率
（1）定义。发动机进入气缸的空气质量m与进气状态下气缸工作容积充满的空气量之比，称为充气效率。充气效率越大，表示实际进入气缸中的气体量越多，也就是进气过程进行得越完善，气缸工作容积利用得越充分。其与柴油发电机的负荷之间关系曲线如图2所示。
（2）影响充气效率的因素。主要包括：进气系统流动阻力；缸内残余废气量；进气系统和气缸壁对充量的加热；配气相位；进、排气系统中的气体波动效应。
（3）构造方面的因素。影响最大的是进气系统的结构型式与尺寸，它包括进气管道截面的大小、管道内表面光洁程度、管道弯曲的状况、气门尺寸与个数以及气门升程的大小等。此外还有进气预热机构，进气预热会降低充气效率。
（4）使用方面的因素。柴油机的转速对充气系数的影响主要是通过对进气终点压力的影响而起作用。当柴油机转速升高时，进气气流速度上升，使气体压力下降。
（5）提高充气系数的措施。减少进气系统阻力，具体包括加大进气通道面积、减少通道弯曲及提高进气道内表面的光洁度等措施；延长进气时间，就是将进气门开启和关闭的时间不是选在上、下止点时，而是选在上止点之前和下止点之后，使进气门开启的延续时间不是占有180°曲轴转角，而是大于180°曲轴转角。
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图1 柴油机气缸排量示意图 |
图2 柴油机充气效率曲线图 |
二、四冲程柴油机的工作原理
在热力过程中，只有在工质膨胀过程才具有做功能力，而我们要求发动机能连续不断地产生机械功，就必须使工质反复进行膨胀。因此，柴油机必须经过进气、压缩、膨胀、排气四个热力过程之后，才能恢复到起始状态，使柴油机连续不断地产生机械功，故上述四个热力过程称为一个工作循环。若柴油机活塞走完四个冲程完成一个工作循环，称该机为四冲程柴油机。其工作原理如图3所示。
1. 进气冲程
（1）目的。进气冲程的目的是吸入新鲜空气，为燃料燃烧作好准备。
（2）过程。要实现进气，缸内与缸外要形成压差。因此，此冲程排气门关闭，进气门打开，活塞由上止点向下止点移动，活塞上方的气缸内的容积逐渐扩大，压力降低，缸内气体压力低于大气压力约68～93kPa。
（3）结果。在大气压力的作用下，新鲜空气经进气门被吸入气缸，活塞到达下止点时，进气门关闭，进气冲程结束。
2. 压缩冲程
（1）目的。压缩冲程的目的是提高气缸内空气的压力和温度，为燃料燃烧创造条件。
（2）过程。由于进、排气门都已关闭，气缸内的空气被压缩，压力和温度亦随之升高，其升高的程度，取决于被压缩的程度，不同的柴油机略有不同。
（3）结果。当活塞接近上止点时，缸内空气压力达3000～5000kPa，温度达500～700℃，远超过柴油的自燃温度。此时柴油喷入气缸即可自行着火燃烧，无需外部点火源。
3. 膨胀（作功）冲程
（1）过程。当活塞上行将终了时，喷油器开始将柴油喷入气缸，与空气混合成可燃混合气，并立即自燃，此时，气缸内的压力迅速上升到约6000～9000kPa，温度高达1800～2200℃。
（2）作功。在高温、高压气体的推力作用下，活塞向下止点运动并带动曲轴旋转而作功。随着气体膨胀活塞下行其压力逐渐降低，直到排气门被打开为止。
（3）意义。膨胀冲程是柴油机唯一对外输出机械功的冲程，其燃烧质量与膨胀效率直接决定柴油机的动力性与经济性。
4. 排气冲程
（1）目的。排气冲程的目的是清除缸内的废气。
（2）过程。做功冲程结束后，缸内的燃气已成为废气，其温度下降到800～900℃，压力下降到294～392kPa。此时，排气门打开，进气门仍关闭，活塞从下止点向上止点移动。
（3）结果。在缸内残存压力和活塞推力的作用下，废气被排出缸外。当活塞又到上止点时，排气过程结束。排气过程结束后，排气门关闭，进气门又打开，重复进行下一个循环，周而复始不断对外作功。
图3 四冲程发动机工作原理图
三、四冲程柴油机的换气过程与配气相位
换气过程是柴油机工作循环中连接排气冲程与下一循环进气冲程的关键环节，其完善程度直接影响充气效率、燃烧质量与整机动力经济性。配气相位则是换气过程得以有效实现的控制基础。
1. 换气过程的基本任务与评价指标
（1）基本任务。换气过程的任务是在尽可能短的时间内，将上一循环的废气尽可能彻底地排出气缸，同时吸入尽可能多的新鲜空气，为下一循环的压缩与燃烧提供充足氧化剂。
（2）评价指标。换气过程的质量通常用充气效率和残余废气系数两项指标衡量。充气效率越高，实际进入气缸的新鲜空气量越多；残余废气系数越低，缸内残留的废气比例越小，燃烧条件越好。
（3）换气损失。换气过程中，进气和排气均需克服气道阻力，消耗部分功，称为换气损失。换气损失与进排气系统结构、气门尺寸及配气相位密切相关。
2. 配气相位的定义与组成
（1）定义。配气相位是指以曲轴转角表示的进、排气门实际开启和关闭时刻及其延续时间。理论上进气门应在上止点开启、下止点关闭，排气门应在下止点开启、上止点关闭，但实际柴油机均采用提前开启和延迟关闭的方式。
（2）进气门提前开启。进气门在上止点前提前开启，目的是在活塞下行进气开始前，气门已有一定开度，减少进气初期的节流损失，使新鲜空气更顺畅地进入气缸。
（3）进气门延迟关闭。进气门在下止点后延迟关闭，目的是利用进气惯性，在活塞上行初期继续充气，增加实际进气量，提高充气效率。
（4）排气门提前开启。排气门在下止点前提前开启，目的是利用缸内废气余压进行自由排气，减少活塞上行强制排气时的阻力功，降低换气损失。
（5）排气门延迟关闭。排气门在上止点后延迟关闭，目的是利用排气惯性，在进气初期继续排出残余废气，降低缸内残余废气系数。
3. 气门叠开角及其作用
（1）气门叠开角的定义。在排气冲程接近上止点时，进气门已提前开启，而排气门尚未关闭，此时进、排气门同时处于开启状态，对应的曲轴转角称为气门叠开角。
（2）气门叠开角的作用。合理的气门叠开角可以利用进气气流和排气气流的惯性，促进废气排出并增加新鲜空气充量，同时利用新鲜空气对燃烧室进行扫气冷却，降低高温零件热负荷。
（3）气门叠开角的控制。气门叠开角过大，可能导致废气倒流或新鲜空气随废气排出，降低充气效率并增加油耗；气门叠开角过小，则扫气效果不足，残余废气系数偏高。因此，气门叠开角需根据柴油机转速、增压方式及燃烧室型式进行匹配设计。
4. 配气相位对柴油机性能的影响
（1）对充气效率的影响。合理的配气相位可充分利用气流惯性，提高充气效率。进气门延迟关闭角度过小，则惯性充气效果不足；过大则可能发生回气现象。
（2）对燃烧过程的影响。配气相位影响缸内残余废气量和进气终了温度，进而影响压缩终了温度与着火延迟期。残余废气量过多会降低燃烧速度，导致排温升高、油耗增加。
（3）对排放特性的影响。气门叠开角过大时，未燃混合气可能随废气排出，增加HC排放；排气门延迟关闭角度不足时，残余废气增多，NOx生成条件改变。
（4）对增压柴油机的特殊意义。增压柴油机进气压力高于排气压力，合理的气门叠开角可实现扫气，降低热负荷并提高充气效率，但叠开角过大则会导致增压空气直接短路排出，降低增压效率。
5. 配气相位的检查与调整
（1）检查方法。配气相位通常通过测量气门开启和关闭时刻对应的曲轴转角进行检查。检查时应在冷态下按飞轮刻度逐缸进行，使用百分表或专用检具测量气门升程变化点。
（2）常见异常与原因。配气相位异常多由正时齿轮磨损、正时链条跳齿、凸轮轴键槽损坏或装配时对正不准引起。配气相位偏移会导致功率下降、排温异常、启动困难甚至气门与活塞撞击。
（3）调整要点。调整配气相位时，应严格按照柴油机说明书规定的正时标记对正，必要时更换磨损的正时齿轮或链条。装配后应复测气门间隙，确保配气相位与气门间隙均符合要求。
结语
柴油机的常用名词与四冲程工作原理是理解柴油发电机组运行特性的基础。工作循环、上止点与下止点、活塞冲程、曲柄半径、燃烧室容积、工作总容积、压缩比、过量空气系数及充气效率等参数，共同构成了柴油机设计与运行的核心指标体系。四冲程柴油机通过进气、压缩、膨胀、排气四个冲程的周而复始，实现热能与机械能的连续转化。换气过程与配气相位则决定了各冲程之间的衔接质量，进气门提前开启与延迟关闭、排气门提前开启与延迟关闭以及合理的气门叠开角，共同保障了充气效率与排气彻底性。运维人员深入掌握这些基础理论，有助于准确判断机组运行状态、分析故障成因，并在维修保养中做出科学决策，保障柴油发电机组长期稳定运行。
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