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摘要： 柴油发动机在工作原理上与汽油发动机十分相似，大多数柴油发动机是四冲程的，也有二冲程结构。由于柴油发动机具有较大载荷和转矩特性，常用于发电机组。四冲程柴油机是压燃式发动机，而非点燃式发动机。柴油发动机的活塞、气门、曲轴、燃油系统、冷却系统、起动和充电系统及污染控制系统与汽油机相似，但因用于较大负荷，这些系统比汽油机更加结实强劲。柴油机与汽油机的一个较大区别是柴油机压缩比较高，且柴油喷射系统使用高压喷射，而汽油机使用低压燃油喷射系统。本文围绕柴油机工作过程、结构组成及柴油机与汽油机的比较三个方面展开，介绍进气、压缩、做功与排气四个冲程的工作过程与参数变化，说明固定部件、运动部件、配气系统、燃油系统、润滑系统、冷却系统、起动系统与调速装置等结构组成，并从进气、压缩、混合、点火、做功压力、排气温度、排放与效率等方面对比柴油机与汽油机的差异，为柴油机的结构认知、运行原理与选型应用提供基础参考。

 

一、柴油机工作过程

 

柴油机是一种压缩发火的往复式内燃机。它的基本工作原理是使燃油直接在发动机的气缸中燃烧，将燃油的化学能转变成热能，从而生成高温高压的燃气，因燃气膨胀，推动活塞运动，通过曲柄连杆对外做功，将热能转变为机械能。柴油机必须经过进气、压缩、燃烧（膨胀）和排气四个过程才能完成了一个工作循环。然后不断重复进行这些过程，使柴油机持续工作。

1. 进气冲程

（1）基本过程：进气冲程如图1（a）所示。活塞在曲轴带动下，从上止点移动到下止点，这时进气门打开，排气门关闭。

（2）进气原理：由于汽缸内容积增大，使汽缸内的压力低于大气压，在汽缸内外压力差的作用下，外界新鲜空气通过进气门吸入汽缸。

（3）进气终了参数：由于进气系统有阻力，空气进入汽缸后的压力低于大气压力。进气终了时汽缸内的压力约为0.8～0.9大气压。汽缸内空气的温度则高于大气温度，一般温度在40℃～70℃。

（4）进气过程的意义：进气过程对柴油机工作影响很大，进气冲程结束时，汽缸内充气量越多，可以喷入的燃油量也越多，燃烧过程放出的能量就越多，柴油机发出的功率就越大。

2. 压缩冲程

（1）基本过程：压缩冲程如图1（b）所示。活塞从下止点移动到上止点，进、排气门都处于关闭状态。

（2）压缩作用：活塞便逐渐将第一冲程吸入的空气压缩在燃烧室内，使空气的温度和压力升高。

（3）压缩终了参数：压缩终了时，汽缸内空气温度约在500℃～700℃范围内，压力为27～49个大气压。

（4）压缩比的意义：柴油机压缩比通常为16～22，远高于汽油机，这是柴油机热效率高于汽油机的重要原因。

3. 做功冲程

（1）基本过程：做功冲程如图1（c）所示。活塞从上止点移动到下止点，进、排气门仍然关闭。

（2）喷油与自燃：在压缩冲程接近终了时，喷油器将高压燃油喷入汽缸与高温高压空气混合，由于超过柴油自燃点温度，便自行着火燃烧，产生大量热能，使汽缸内温度和压力急剧升高。

（3）做功过程：高温高压气体推动活塞下移，经连杆带动曲轴旋转，对外做功。这一冲程最高燃烧压力约为60～90个大气压，温度最高可达1700℃～2000℃。

（4）膨胀终了参数：随着膨胀作用的进行，热能变成了机械能，汽缸内气体的压力、温度急剧下降，到膨胀终了时，汽缸内的压力已下降到四个大气压，温度降到600℃～900℃。

4. 排气冲程

（1）基本过程：排气冲程如图1（d）所示。活塞从下止点移动到上止点，此时进气门关闭，排气门打开。

（2）排气作用：膨胀终了的气体已失去做功的能力，变成了废气。为了使新鲜空气重新进入汽缸就必须排除废气。废气经活塞上行的排挤压，经排气门排出缸外。

（3）排气终了参数：排气终了时，汽缸内的压力约为1.03～1.08大气压，温度约为350℃～600℃。

（4）工作循环完成：当排气终了时，活塞又回到上止点，至此，单缸四冲程柴油机完成了一个工作循环。曲轴在这一工作循环中转动两圈，即720°曲轴转角，活塞则经过四个冲程：进、压、工、排。

（5）实际配气相位：应当指出，以上讲的是理论上柴油机的工作过程，但实际上柴油机工作过程很复杂，进、排气门并不在上、下止点时打开或关闭，而是进气门在上止点前打开，下止点后关闭；排气门在下止点前打开，上止点后关闭，这里不再讲述。

（6）辅助过程与飞轮：从上述四个工作过程中可以看出，只有第程全是辅助过程，是需要消耗能量的，这个问题在单缸柴油机上是利用飞轮储存的能量来解决，在多缸柴油机上则主要靠其他缸的做功冲程来供给。工作循环开始时（即柴油机起动时），需要用外力先使曲轴转动，完成辅助过程，使柴油机起动，柴油机才能正常运转，即四个工作过程依次不断地重复出现。图2为四冲程柴油机内部运行简易演示图。

 

图1  四冲程柴油机工作过程

图2  四冲程柴油机内部运行简易演示图

 

二、结构组成

 

四冲程柴油发动机三维侧视图如图3所示，结构组成如图4所示。

1. 固定部件

（1）基本组成：主要由气缸盖、气缸套、机体、机座、主轴承等构成。

（2）功能作用：构成柴油机本体和运动件的支承，并和有关运动部件配合构成柴油机的工作空间。

（3）气缸盖：气缸盖用于封闭气缸上部，与活塞顶、气缸套共同构成燃烧室，内部设有进排气道、气门座圈与喷油器安装孔。

（4）气缸套：气缸套是活塞往复运动的导向空间，内表面直接承受高温高压燃气作用，外表面与冷却水接触。

（5）机体与机座：机体是柴油机的骨架，用于安装各零部件；机座用于支承整台柴油机并固定在基础上。

（6）主轴承：主轴承用于支承曲轴，保证曲轴在高速旋转时保持正确位置，承受气体压力与惯性力。

2. 运动部件

（1）基本组成：主要由活塞、活塞销、连杆，连杆螺栓、曲轴等组成。

（2）功能作用：它们与固定部件配合完成空气压缩及热能到机械能的转换。

（3）活塞：活塞在气缸内往复运动，承受气体压力并通过活塞销将力传递给连杆。

（4）活塞销与连杆：活塞销连接活塞与连杆小端，连杆大端与曲轴连杆轴颈连接，将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。

（5）曲轴：曲轴将连杆传来的力转变为扭矩输出，同时驱动配气机构、喷油泵、水泵等附件。

（6）飞轮：飞轮储存做功冲程能量，克服辅助冲程阻力，保持曲轴旋转均匀性。

3. 配气系统

它包括进气系统和排气系统。

（1）进气系统：进气系统主要由空气滤清器、进气管件、气缸盖内的进气道、进气阀、气阀弹簧、摇臂、顶杆、凸轮轴和凸轮轴传动机构等所组成，用来在规定的时间内向气缸内充入足够的新鲜空气。

（2）排气系统：排气系统主要由排气阀、气阀弹簧、摇臂、顶杆、凸轮轴和传动机构以及排气管、排气消音器等组成。用来在规定时间内将气缸内作功后的废气排入大气。

（3）配气相位：配气系统通过凸轮轴驱动气门按时开启与关闭，进气门在上止点前开启、下止点后关闭，排气门在下止点前开启、上止点后关闭，以利用气流惯性提高充气效率与排气彻底性。

4. 燃油系统

（1）基本组成：包括供应和喷射两个系统。前者由日用油柜、燃油滤清器，输油泵等组成，后者由喷油泵、高压油管和喷油器组成。

（2）功能作用：其功用是供给柴油机燃烧作功所需的燃油。

（3）供应系统：供应系统负责燃油的储存、过滤与输送，保证喷油泵有稳定充足的燃油供给。

（4）喷射系统：喷射系统负责将燃油增压、定时、定量地喷入燃烧室，喷油压力可达数十至上百兆帕，保证燃油雾化质量。

5. 润滑系统

（1）功能作用：主要作用是润滑摩擦表面，以减少机件的磨损，延长使用寿命，降低摩擦功率损失，提高机械效率。

（2）主要组成：润滑系统包括机油泵、机油滤清器、机油冷却器、油底壳与油道等。

（3）润滑方式：主轴承、连杆轴承等承受较大负荷部位采用压力润滑，气缸壁、凸轮等部位采用飞溅润滑。

（4）维护要求：应定期检查机油液位与品质，按周期更换机油与机油滤清器。

6. 冷却系统

（1）功能作用：主要作用是维持柴油机受热零部件在合适的温度状态下工作。

（2）主要组成：冷却系统包括水泵、散热器、节温器、风扇与冷却水套等。

（3）冷却方式：柴油机冷却方式分为水冷与风冷两种，发电用柴油机多为水冷式。

（4）维护要求：应定期检查冷却液液位与浓度，清洗散热器，检查节温器与水泵工作状态。

7. 起动系统

（1）功能作用：柴油机本身无自行起动能力。起动系统的任务就是使柴油机从停车状态发动起来。

（2）主要组成：起动系统包括起动蓄电池、起动机、起动继电器与起动电路等。

（3）起动要求：柴油机起动要求曲轴达到最低起动转速，并具备足够的压缩压力与喷油条件。

（4）维护要求：应定期检查蓄电池电量、起动机工作状态与起动电路连接情况。

8. 调速装置

（1）功能作用：调速装置的作用是使柴油机能按外界阻力矩的变化而自动改变喷油泵的喷油量，从而使柴油机在选定转速下稳定运转。

（2）主要组成：调速装置包括离心飞块、调速弹簧、调速滑套与控制套等。

（3）调速特性：调速装置通过改变控制套位置调节供油量，使柴油机转速稳定在标定范围内。

（4）其他装置：此外，船舶柴油机还设有换向装置，并将起动、调速、换向和停车集中控制组成操纵系统。多数柴油机还设有增压系统，用于进一步提高柴油机作功能力。

 

图3  柴油发动机侧视图

图4  康明斯QSB5.9型柴油发动机结构图

 

三、柴油机和汽油机的比较

 

表1中给出了四冲程柴油发动机和汽油发动机之间的一般比较：

1. 进气差异

（1）汽油机进气：汽油发动机的进气是空气和燃油混合气。

（2）柴油机进气：而柴油发动机在进气冲程只吸入空气。

（3）差异意义：柴油机进气不含燃油，避免了燃油在进气过程中与空气混合不均的问题，有利于提高压缩比。

2. 压缩差异

（1）汽油机压缩：因为汽油发动机的压缩比较低，所以压缩压力较小，压缩温度也较低。

（2）柴油机压缩：柴油机压缩比高，压缩压力与温度均显著高于汽油机。

（3）压缩比对比：汽油机压缩比通常为8:1~10:1，柴油机压缩比通常为25:1~30:1。

3. 混合点差异

（1）汽油机混合点：汽油发动机中空气和燃油的混合点在化油器处或由喷油器完成。

（2）柴油机混合点：而柴油发动机的混合点在上止点（TDC）附近或稍前一点。

（3）混合方式差异：汽油机在进气冲程形成混合气，柴油机在压缩冲程接近终了时形成混合气。

4. 点火方式差异

（1）汽油机点火：汽油发动机的燃烧是由火花塞引发的。

（2）柴油机点火：而柴油发动机是压燃的。

（3）点火方式意义：汽油机需要点火系统，柴油机无需点火系统，依靠压缩终了高温使柴油自燃。

5. 做功压力差异

（1）汽油机做功压力：汽油发动机在做功冲程产生大约460 psi的压力。

（2）柴油机做功压力：而柴油发动机在做功冲程产生的压力接近1200 psi。

（3）差异意义：柴油发动机产生的能量比汽油发动机更大。

6. 排气温度与排放差异

（1）汽油机排气温度：汽油发动机的排气温度远远高于柴油发动机，因为在排气冲程仍然有部分汽油在燃烧。

（2）汽油机排放：汽油发动机的废气中一氧化碳的含量也很高。

（3）柴油机排放：柴油发动机的排气温度相对较低，但氮氧化物排放量较大。

7. 氮氧化物排放差异

（1）柴油机NOx排放：柴油发动机的一个主要缺点是氮氧化物（NOx）的排放量大。

（2）产生原因：因为内部温度较高，与汽油发动机相比，柴油发动机会产生更多的氮氧化物。

（3）环境影响：氮氧化物被认为是温室效应气体，氮氧化物也是导致光化学烟雾的主要气体之一，尽管发动机制造商在不断改进，降低排放。

（4）控制措施：柴油机通过废气再循环、选择性催化还原与高压喷射等技术降低NOx排放。

8. 效率差异

（1）柴油机效率优势：柴油发动机的效率比汽油发动机大约高10％。

（2）效率优势原因：原因是柴油发动机的压缩比更高，并且1gal的柴油中含有的能量比1gal的汽油更高。

（3）经济性意义：柴油机热效率高，燃油消耗率低，运行成本相对较低。

（4）应用优势：柴油机广泛应用于发电机组、船舶、工程机械与重型车辆等需要大功率大扭矩的场合。

表1    汽油发动机和柴油发动机的比较

 

 

总结

以上讨论的是单缸四冲程内燃机的工作过程。根据功率和结构的需要，功率较大的内燃机都采用多缸。采用较多的是2缸、4缸、6缸内燃机，甚至有12缸的。多缸内燃机各汽缸中所进行的工作过程，完全与单缸内燃机相同，但各汽缸的做功过程并不同时进行，而是按一定的顺序和间隔交替进行，而且多缸内燃机曲轴每转两转各缸都做功一次。这种多缸内燃机曲轴每旋转两转时，做功次数比单缸内燃机多。因此，多缸内燃机的运转比较均匀，其飞轮的尺寸和质量做得比单缸内燃机的要小。

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