第五节 柴油机的工作原理

根据柴油机做功循环的工作过程，柴油机有四冲程工作循环和二冲程工作循环两种工作方式，对应的即四冲程柴油机和二冲程柴油机。

1.四冲程柴油机的工作原理

四冲程柴油机的一个工作循环是由进气、压缩、燃烧膨胀和排气这四个过程构成的。四冲程柴油机的工作原理如图1-61所示，其工作过程见表1-11。

图1-61 四冲程柴油机的工作原理

注：1～6表示曲轴的不同位置

表1-11 四冲程柴油机的工作过程

（续）

由于进、排气门都是早开晚关，所以在排气行程之末和进气行程之初，活塞处于上止点附近时，有一段时间进、排气门同时开启，这段时间用曲轴转角来表示，称为气门重叠角。

排气行程结束之后，又开始了进气行程，于是整个工作循环就依照上述过程重复进行。由于这种柴油机的工作循环由四个活塞行程，即曲轴旋转两转完成的，故称为四冲程柴油机。在四冲程柴油机的四个行程中，只有第三行程即做功行程才产生动力对外做功，而其余三个行程都是消耗功的准备过程。为此在单缸柴油机上必须安装飞轮，利用飞轮的转动惯性，使曲轴在四个行程中连续而均匀地运转，周而复始，达到对外做功的目的。

2.二冲程柴油机的工作原理

在四冲程柴油机中，活塞走四个行程才完成一个工作循环，其中两个行程（进气和排气）活塞的功用相当于一个空气泵。在二冲程柴油机中，曲轴每转一转，即活塞每两个行程就完成一个工作循环，而进气和排气行程是利用压缩及做功行程的一部分来完成的。所以，二冲程柴油机的活塞没有空气泵的作用，为了排除燃烧后的废气，并把新鲜的空气充满气缸，必须在柴油机上安装专用的扫气泵（增压器）。图1-62所示为气门式直流换气的二冲程柴油机的工作原理图。

（1）二冲程柴油机的结构特点 二冲程柴油机的构造主要有以下特点

①进气孔布置在气缸下部，其高度为活塞行程的10%～20%。进气孔的打开和关闭由气缸内运动的活塞来控制。

②排气门布置在气缸盖上，由凸轮轴驱动，保证曲轴旋转一圈，气门打开一次。

③增压器由柴油机通过传动齿轮传动，它将吸入的空气压缩至pk=0.123～0.13MPa，送入气缸周围的储气室中，用于清除气缸内的废气和充填新鲜空气。

（2）二冲程柴油机的工作原理

第一行程：活塞从下止点向上止点运动。

当活塞处于下止点时，排气门和进气孔早已打开，储气室中的压缩空气进入气缸内，并冲向排气门，这样可以清除废气，同时也使气缸内充满新空气。当活塞由下止点向上止点运动时，进气孔首先由活塞关闭，然后排气门也关闭；空气在气缸内受到压缩，如图1-62a、图1-62b所示。

第二行程：活塞从上止点开始向下止点运动。

图1-62 气门式直流换气的二冲程柴油机的工作原理图

a）换气 b）压缩 c）燃烧 d）排气

活塞行至上止点前，喷油器将燃油喷入燃烧室，压缩空气所产生的高温立刻点燃雾化的燃油，燃烧所产生的压力推动活塞下行，直到排气门再打开时为止。燃烧后的废气在内外压力差的作用下自行从排气门排出，如图1-62b、图1-62c所示。活塞继续下行，当进气孔被活塞打开后，气缸内又进行扫气过程。

曲轴每转一转，活塞走了两个行程就完成一个工作循环，因此称为二冲程柴油机。

四冲程柴油机和二冲程柴油机都成功地被应用在各个机械领域，它们都有各自的特点，一般船用大型低速柴油机采用二冲程柴油机，而中、高速车用（包括工程机械用）柴油机采用四冲程柴油机的居多。

在相同的气缸尺寸和转速下，二冲程柴油机的功率理应比四冲程柴油机增加一倍，但实际上，由于扫气容积的损失、充气时间较短、废气清除困难以及驱动扫气要消耗一部分功率等原因，使二冲程柴油机的功率只增加60%～70%。二冲程柴油机的另一优点是转矩的均匀性比四冲程柴油机好，因为它曲轴旋转一圈完成一个工作循环。

扫气过程时间短是二冲程柴油机的一大缺点，此外，二冲程柴油机的活塞、气缸盖、气缸、气门的温度都比四冲程柴油机的高，因此，高速二冲程柴油机的运行可靠性相对四冲程柴油机而言要低一些。

3.涡轮增压器的结构及工作原理

在介绍涡轮增压柴油机工作原理之前，先回顾一下柴油机的基本工作原理及其与空气增压系统的关系。柴油机是一种耗气机械，因为燃油需要与空气混合才能完成燃烧过程。一旦空燃比达到某一值后，再增加燃油，除了将黑烟和未燃尽的燃油排到大气中外，不会产生更多功率。柴油机供油越多，黑烟就越浓。因此，超过空燃比极限后，增加供油量只会造成燃油消耗量过多、大气污染、废气温度升高，并使柴油机的使用寿命缩短。由此可见，增加进入气缸的空气量对柴油机来说是非常重要的。

涡轮增压器主要由涡轮机、中间体和压气机三大部分组成（图1-63）。涡轮机的主要作用是利用柴油机排出的废气冲击涡轮做功，以驱动压气机叶轮高速旋转。压气机的作用是将涡轮旋转的动能转变为空气的压力能，使进入柴油机的空气压力有效提高，增大空气进入量。中间体既是增压器的支承机构，又是增压器的润滑冷却装置。工作时，增压器转子轴一端的涡轮叶轮在气缸排出的废气驱动下，带动另一端的压气机叶轮高速旋转（100000～160000r/min），同时，涡轮带动离心式压气机提高进气压力，并通过中冷器冷却，增大空气的密度后进入气缸，使每个工作循环进入气缸的新鲜空气量增加，从而喷入更多的燃油。高压空气流经进气管进入气缸与喷入气缸的更多柴油混合燃烧，显著改善了柴油机的燃烧过程，可使柴油机功率提高30%～50%，降低油耗8%左右。

图1-63 废气涡轮增压器的结构示意图

（1）涡轮增压系统（图1-64）概述 涡轮增压有许多好处。非增压柴油机通过曲轴的运动直接从大气中吸进空气，而涡轮增压器向柴油机提供压缩空气。由于进入气缸的空气增多，所以允许喷入较多的燃油，使柴油机产生较大的功率并具有较高的燃烧效率。这意味着一台尺寸和重量相同的柴油机经增压后可以产生更大的功率，或者说，一台小排量柴油机经增压后可产生与较大柴油机相同的功率。此外，还有节约燃油和降低排放等优点。

图1-64 废气涡轮增压系统结构示意图

由于涡轮增压器为柴油机提供了更多的空气，燃油在柴油机气缸里燃烧时会燃烧得更充分、更彻底。柴油机进气管的空气保持正压（大于大气压力）对柴油机有多方面的好处。当柴油机进、排气门重叠开启时，新鲜空气吹入燃烧室，清除所有残留在燃烧室里的废气，同时冷却气缸、活塞和气门。

涡轮增压器可使非增压柴油机在高原上工作时得到氧气补偿（使其达到标准大气条件）。柴油机和涡轮增压器相匹配，使进气管压力保持标准大气压。而一台自然吸气的柴油机，随着海拔的增加，其功率将下降。

装有增压器的柴油机称为增压柴油机，而直接从大气中吸入空气的柴油机称为非增压柴油机。由于增压柴油机的动力性能、经济性能及排气污染等都优于非增压柴油机，因此，增压柴油机正获得越来越广泛的应用。

增压器将空气压缩到增压压力pk（一般pk=0.13～0.25MPa）后，压入进气管内并在进气行程中充入气缸。由于压缩后空气密度增大，所以充入气缸的空气量就增多。

由于增压柴油机在做功行程中的压力和温度都较高（pz=9～16MPa，Tz=2300～2600K），因此燃烧气体每个循环所做功较多，柴油机的整体输出功率就大。

（2）增压比　表示柴油机增压状况的一个参数叫增压比。增压比是增压柴油机的主要性能指标之一，用πk表示。其含义是增压器压气机出口处的压力pk与压气机进口处的压力po之比值。即

按照增压比的大小，增压系统又可分为低增压系统、中增压系统和高增压系统。

低增压系统πk<1.4，中增压系统πk=1.4～2.0，高增压系统πk>2.0。

当增压比πk达到2.6以上时，一般都要采用二级增压系统。

（3）涡轮增压柴油机的特点 柴油机增压后，随着增压温度及增压压力的提高，其机械负荷与热负荷很大，这就限制了柴油机功率的提高。

增压压力提高，进气压力及温度也提高，使最高爆发压力和工作循环的平均温度都增加，因此引起各部件机械应力变大，轴承负荷增加，气缸、活塞、轴承等磨损加剧。同时使活塞、缸盖、缸套和气门等受热零部件热负荷增大，容易破坏，因此，柴油机增压通常要采用下列技术措施：

①减小压缩比和增大过量空气系数。为了降低爆发压力以减少负荷，并保证原来的压力升高比λ值，增压柴油机的压缩比往往降到11～12。但减小过多会是柴油机起动困难和燃料消耗量增加。

增大过量空气系数，可以减低热负荷，改善经济性。一般增大10%～30%为宜。

②增加每循环供油量。增压柴油机要求增加每循环的供油量。如果仍采用非增压柴油机的喷油泵，势必增加供油持续角，使燃烧过程拉大，经济性变坏。缩短供油持续时间的方法有增大柱塞直径、增加供油速率、提高供油压力以及加大喷油器孔径等。从限制最高爆发压力的角度，也可以适当地减小喷油提前角，但不宜减小过多，以免影响柴油机的经济性。

③改变配气相位。为了加强气缸的扫气作用，减少燃烧室的残气，提高充量系数以及降低热负荷和改善涡轮的工作条件，增压柴油机一般都采用较大的气门重叠角。但气门重叠角过大会使扫气量增加，压气机工作负担加重；引起柴油机在低速负荷时废气倒流至气缸和进气管，使进气管发热，对整机的加速及变工况性能不利；同时，当气门重叠角过大时，为了避免气门与活塞相碰，需要在活塞顶上挖过深的凹坑，使燃烧恶化。

在脉冲增压系统中，气门重叠角一般为110°～130°曲轴转角。

④排气系统。在脉冲增压系统中，为了充分利用脉冲能量，使扫气期间各缸排气互不干扰，排气管必须分开。分支的原则是一根排气管所连各缸的排气时刻必须不能相互重叠（或重叠很小）。例如，一般四冲程柴油机排气行程延续时间约为240°曲轴转角，这时一根排气管所连接的气缸数目不宜超过3个，而且应使相邻着火的各缸排气相互隔开，如着火次序为1-5-3-6-2-4的6缸机，就可采用1、2、3缸及4、5、6缸各连一根排气管。

⑤增压空气的冷却。将增压器出口的增压空气加以冷却，既能提高充气密度，进而提高柴油机的功率，又可降低柴油机压缩始点的温度和整个循环的平均温度，使柴油机的热负荷及排气温度降低。试验证明，增压空气温度每降低10℃，柴油机的循环平均温度可降低25～30℃，功率可提高2.5%～3%。

冷却增压空气的方法一般是用水或空气在中冷器中进行间接冷却。如果采用独立散热系统，虽然可以提高中冷效果，但结构庞大而复杂，在汽车上布置困难，采用空气冷却方案比较可取，图1-65所示为柴油机增压空气（空—空）中冷系统。它利用风扇驱动空气作为动力源的强制流通形式。当冷却空气通过散热交换器后就将增压空气的热量带走，使增压空气得到冷却，并通过进气歧管进入燃烧室。

冷却增压空气是降低热负荷最合理的措施之一，但它只能在增压压力较高时（0.20MPa）发挥作用。在低增压时，设置中间冷却器是不必要的。

（4）增压柴油机的性能 柴油机增压后，其性能将得到很大改善。

1）升功率提高、燃料消耗降低。柴油机增压能够有效提高其升功率和降低燃料消耗，并扩大了柴油机的转速范围。这对于经常处于不同负荷、不同转速下变工况工作的柴油机而言，是极为有利的，可以获得良好的动力性和经济性。图1-66所示为增压与非增压柴油机的外特性比较（实线为增压柴油机，虚线为非增压柴油机），从图中可以明显看出，增压柴油机比非增压柴油机的功率、转矩都有较大的提高，而油耗却有明显的下降。

图1-65 柴油机增压空气（空—空）中冷系统

图1-66 某型6缸柴油机特性曲线

2）改善了低速转矩特性对汽车而言，柴油机的低速转矩特性直接影响汽车的动力性，因此，要求车用内燃机要有高的转矩储备。从内燃机速度特性曲线可知，柴油机比汽油机的转矩储备系数小，转矩曲线平坦，必须经校正才能满足汽车的使用要求。一般涡轮增压柴油机在低速时由于增压压力不足，致使循环供油量不足，以及高速时压气机供气量过多而造成低速转矩性能差，这对货车的动力性能是不利的。为克服这一不足，近代增压柴油机上常采用如下措施：

①选用脉冲增压，使低速时脉冲能量充分利用。

②使增压器与柴油机在较低速度下达到最佳配合。

③高速时采用放气调节装置（图1-67）等来改善低速转矩特性，使其获得较高的转矩储备。采用废气调节装置后，可以大大地改善低速转矩特性。但增压后最大的转矩所在的转速比非增压机型有所增加，这对改善货车牵引性能不利。

3）加速性与起动性变差。涡轮增压柴油机由于增压器本身惯性和低速时（小于200r/min）输出功率较低。在加速过程中增压压力上升缓慢，使柴油机转速及平均有效压力增长过程时间拖长，因此增压柴油机的加速性比非增压柴油机的差。

图1-67 涡轮增压系统废气调节阀

为了改善加速性，可采用脉冲增压系统，减少进、排气管的容积；采用放气调节或可变喷嘴；减少（压气机）转子的转动惯性；采用较小的气门重叠角等措施，效果较为明显。

柴油机起动时因无高温排气，涡轮无法工作，压气机也不能供气，而且增压柴油机的压缩比较小，使起动压缩终了的温度降低，造成柴油机着火困难。

4）降低了排气污染及噪声。低污染、低噪声是对汽车柴油机提出的另一个要求。由于增压柴油机在较充裕的过量空气下工作，混合气较稀，燃烧完全，使高负荷时冒烟、排出CO及HC等有害物质显著减少。增压柴油机的有害气体排放量一般为非增压柴油机的1/3～1/2。如果措施得当（例如采用高喷射率并延迟喷射），NO排放量也会明显降低，尤其在采用增压及中冷系统以后，对减少有害排放更为有利。

柴油机噪声的主要来源是燃烧噪声和机械噪声，此外还有进排气、冷却风扇等发出的噪声。增压柴油机由于增压比减小和喷油提前角减小，燃烧压力升高率降低，使燃烧噪声减小。另外，由于压气机和涡轮机的阻力作用，也使进、排气噪声减小。所以柴油机增压后，整机总的噪声有明显下降，一般增压柴油机比非增压柴油机噪声降低3～5dB（A）。

5）伴随着柴油机增压出现的新问题。

①机械负荷增加。进气压力的提高使压缩压力和最高燃烧压力相应增大，导致零件的机械负荷增加，磨损加大，引起损坏。

②热负荷增加。增压后工作循环温度大大提高，使零件工作温度升高，热负荷增加，材料的机械强度降低。

③在高的机械负荷、热负荷的共同作用下，上述情况就更为严重，因此柴油机增压后必须对零件结构进行强化。

4.多缸柴油机的工作顺序

四冲程柴油机的每个工作循环中，只有一个行程做功，而进气、压缩和排气行程不但不做功，而且还消耗一部分功用来压缩气体和克服进、排气时的阻力。因此，在柴油机运行时，由于各行程中有的获得能量而有的消耗能量，造成转速不均匀，有时加速有时减速。

柴油机运转的不均匀性，既达不到匀速运转的要求，又使各运动零件在工作过程中到冲击，引起零件的严重磨损，有时会造成损坏。因此，提高运转的均匀性是柴油机结构上的一个重要问题。提高柴油机运转均匀性，通常采用两种方法，即在曲轴上安装飞轮和采用多缸结构形式。

飞轮是一个具有较大转动惯量的圆盘，安装在柴油机的曲轴后端。在做功行程中气体压力通过活塞连杆推动曲轴时，也带动飞轮一起转动。此时飞轮将获得的一部分能量“储存”起来。当柴油机运转到其他三个行程时，飞轮便放出所“储存”的能量，使曲轴仍然保持原有的转速，从而大大提高了柴油机运转的均匀性。

因此，单缸柴油机上必须安装一个尺寸与质量相当大的飞轮，以保证它的正常运转。

由于生产发展的需要，对柴油机功率的增加提出了新的要求，于是就出现了多缸柴油机。多缸柴油机具有两个或两个以上的气缸，各缸的活塞连杆机构都连接在同一根曲轴上。一般常用的多缸柴油机有直列2、4、6缸和V型6、8、12缸等机型，大型船用柴油机还有16缸或更多缸的机型。

在多缸柴油机中，对每个气缸来讲，它是按照前述的单缸柴油机的工作过程进行工作的。但在同一时刻各气缸所进行的工作过程却不相同。它们是根据气缸数目和曲柄排列方式的不同、按照一定的工作顺序而工作的。为了保证柴油机运转的均匀性和平衡性，对四冲程柴油机，曲轴转动两转（即720°）内，每个气缸都必须完成一个循环。

因此，各个气缸应相隔一定的转角而均匀地着火。若多缸柴油机有i个气缸，则着火间隔角度θ应为

图1-684 缸柴油机示意图

（1）4缸柴油机的工作顺序 由式（1-1）可知，四缸机的着火间隔角为180°。各缸的着火顺序可为：1-3-4-2，即表示第一缸着火以后，依次为第3、4、2缸相继着火。

图1-68所示为4缸柴油机示意图，4缸柴油机的曲轴由4个曲拐构成，各曲拐平面之间的相互夹角为180°；若第1、4缸内的活塞运行到上止点位置时，第1缸进行做功行程，则第4缸进行进气行程，而第3缸和第2缸分别开始进行压缩行程和排气行程。在曲轴转过180°后，则第2缸和第3缸的活塞处于上止点位置，第3缸开始进入做功行程，第2缸为进气行程。此时第1、4缸分别为排气行程和压缩行程。如此循环，使4个气缸每隔180°曲轴转角交替进入做功行程，推动活塞运动。

4135型和4125型柴油机就是按此着火顺序工作的。根据4缸机曲拐排列的特点，也可按1-2-4-3的着火顺序工作。着火顺序为1-3-4-2及1-2-4-3的4缸柴油机的工作状态分别见表1-12及表1-13。

表1-124 缸柴油机的工作状态（着火顺序1-3-4-2）

表1-134 缸柴油机的工作状态表（着火顺序1-2-4-3）

图1-69 直列6缸柴油机的曲拐布置

（2）6缸柴油机的着火顺序 根据式（1-1），6缸柴油机均匀着火的间隔角度应为120°曲轴转角，各曲拐平面之间的相互夹角也为120°，各缸的着火顺序一般为1-5-3-6-2-4（如6135型柴油机等）。这种工作次序既能保证柴油机有较好的运转均匀性和平衡性，又不会使相邻的气缸连续着火，对曲轴主轴承的工作有利。由表1-14可知6缸柴油机的运转均匀性比4缸柴油机好。不仅如此，直列6缸柴油机由于其曲轴布置的特点，曲柄连杆机构的运转平稳性最好，振动小。因此，直列6缸柴油机的曲拐布置（图1-69）是最为常见的柴油机结构布置方式之一。

表1-14 6缸柴油机的工作状态（着火顺序1-5-3-6-2-4）