柴油机的工作原理及历史发展

柴油机是以柴油为燃料。属于压缩点燃式发动机，柴油机在工作时，新鲜空气被吸入柴油机气缸内，因活塞的运动而受到高强度的压缩，高温达到500～700℃。燃油在高压油泵的作用下以雾状喷入高温空气中，与高温空气形成可燃混合气，自动着火燃烧。燃烧中释放的巨大能量作用在活塞顶面上，推动活塞并通过连杆和曲轴转换为旋转的机械能。

在1897年法国出生的德裔工程师狄塞尔，成功研制实用的四冲程柴油机。因较高的热效率而引起人们的重视。刚开始柴油机采用空气喷射燃料，附属装置庞大笨重，只适合固定作业。20世纪初，开始在船舶上应用，1905年制成第一台二冲程船用柴油机。因其发明者是狄塞尔，故被称为狄塞尔引擎。

在1922年德国的博施发明机械喷射装置，逐渐替代了空气喷射。20世纪20年代后期出现了高速柴油机，并开始用于汽车。到了50年代，一些结构性能更加完善的新型系列化、通用化的柴油机发展起来，柴油机进入了专业化大量生产阶段。特别是废气涡轮增压技术的出现，使柴油机成为现代动力机械中最重要的部分。

（1）柴油机的分类

1）按工作循环可分为二冲程和四冲程柴油机；

2）按冷却方式可分为风冷式和水冷式柴油机；

3）按进气方式可分为自然吸气式和涡轮增压式柴油机；

4）按转速可分为低速（小于350r/min）、中速（350～1000r/min）和高速（大于1000r/min）柴油机；

5）按燃烧室形状可分为直接喷射式、涡流室式和预燃室式柴油机；

6）按气体压力作用方式可分为单作用式、双作用式和对置活塞式柴油机等；

7）按气缸数目可分为多缸和单缸柴油机；

8）按用途可分为汽车用柴油机、机车柴油机、船用柴油机、发电柴油机、工程机械用柴油机和农用柴油机等。

柴油是柴油机主要燃料，通常轻柴油用于高速柴油机；中、低速柴油机用轻柴油或重柴油。柴油机用喷油泵和喷油器将高压燃油以雾状喷入气缸，与空气混合燃烧。因此，柴油机可用挥发性较差的重质燃料或劣质燃料，如原油和渣油等。

在燃用原油和渣油时，须过滤杂质和水分，还需对供油系统进行预热保温，降低燃油粘度，以便输送和喷射。如果柴油机设计合适的燃烧室也可燃用乙醇、甲醇和汽油等轻质燃料。可加入添加剂提高十六烷值改善轻质燃料的着火性能，或与柴油混合使用。一些气体燃料，如天然气、液化石油气、沼气和发生炉煤气等也可作为柴油机的燃料，但这时通常以气体燃料为主，以少量柴油引燃，这种发动机称为双燃料内燃机。

（2）柴油机的基本结构

柴油机是一种最常用内燃机，是柴油发电机组的动力源，它是一种将柴油喷射到气缸内与高压空气混合，燃烧释放出热量转变为机械能的热力发动机。柴油机功能划分的结构组成部分如下：

1）曲柄连杆机构与机体组件：曲柄连杆机构是将热能转换为机械能的主要部件。它包括曲轴箱、气缸体、气缸盖、活塞、活塞销、连杆、曲轴和飞轮等。

2）燃油系统：将燃油源源不断地供到燃烧室，确保柴油机能量的持续供应。它包括柴油箱、输油泵、输油循环管道、燃油滤清器、喷油泵和喷油嘴等零部件。

3）配气机构：配气机构保证了燃烧室定期吸入新鲜空气、排出燃烧后的废气。主要由进气门、排气门、凸轮轴及驱动零件等组成。

4）冷却系统：冷却系统由水泵、散热器、恒温器、风扇和水套等部件组成。

5）润滑系统：润滑系统包括润滑油泵、润滑油滤清器和润滑管道等。

6）启动系统：柴油机的启动一般为电动马达的启动方式。根据使用环境的不同，还有气动马达及液压马达等启动方式。

（3）柴油机的常用术语

表示柴油机工作原理的常用术语如图2-1所示。

图2-1 柴油机的常用术语

1）工作循环 内燃机在热能与机械能的转换中，是通过气缸内的活塞工作，连续进行进气、压缩、燃烧、膨胀做功、排气5个过程来完成的，内燃机每进行这样一个过程称为一个工作循环。

2）上止点和下止点 活塞在气缸内做上下直线往复运动时，活塞顶部处于气缸中的最高位置称为上止点，活塞顶部处于气缸中的最低位置则称为下止点。

3）活塞冲程和曲柄旋转半径 活塞在气缸中的运动从上止点到下止点的直线距离，通常用S表示。曲柄的旋转半径：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，用R表示。活塞冲程S=2R。

4）气缸直径就是气缸的内径，简称缸径，通常用D表示。

5）气缸工作容积（或称活塞排量）：活塞从上止点运动到下止点所经过的空间称为气缸工作容积，用V_h表示。多气缸柴油机各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V_L表示。

式中 D——气缸直径（cm）；

S——活塞冲程（cm）；

i——气缸数。

6）燃烧室容积 活塞在上止点时，活塞顶部上方整个空间的容积称为燃烧室容积，通常用V_c表示。

7）气缸总容积 活塞位于下止点时，活塞顶以上的气缸全部容积，通常用V_a示。可见气缸总容积为：V_a=V_h+V_c

8）压缩比 气缸总容积与燃烧室容积的比值，用ε表示，即

压缩比体现了气缸内混合气体的被压缩程度，压缩比越大，表明柴油机运行时，气体被压缩的程度越大，压缩终了气体的温度和压力就越高，内燃机的效率也越高。

（4）柴油机的基本工作原理

柴油机是以柴油作燃料的压燃式内燃机。工作时，气缸内的空气被压缩而温度升高，定时喷入气缸的柴油自行着火燃烧，产生高温、高压的燃气膨胀推动活塞做功，将热能转变为机械功。柴油机的工作循环由进气、压缩、喷油着火燃烧、膨胀做功和排气等过程组成。这些过程可以由四冲程或二冲程柴油机来实现。

1）四冲程柴油机（非增压）的基本工作原理

四冲程柴油机：用4个行程，曲轴回转两周完成一个工作循环。四冲程柴油机的基本结构如图2_-2所示。工作时活塞作往复直线运动，曲轴做旋转运动。活塞改变运动方向的瞬时位置称止点（死点），止点处的活塞瞬时运动速度为零。离曲轴中心最远的止点称上止点，最近的止点称下止点。

图2-2 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

四冲程柴油机的工作原理如图2-3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。因活塞下行的抽吸作用，气缸内充入新鲜空气。为了能充入更多新鲜空气，进气阀一般在上止点前提前开启，在下止点后延迟关闭，进气阀开启的延续角度约为220°～250°，如图2-3a所示。

②压缩行程 活塞从下止点上行，进、排气阀均关闭。活塞上行压缩缸内的空气，使其压力和温度均不断升高。压缩终点的压力约为3～6MPa；温度约为500～700℃。在上止点（压缩终点）附近，雾化的燃油经喷油器喷入燃烧室，并在高温高压空气的作用下，开始自行着火燃烧，如图2-3b所示。

图2-3 四冲程柴油机工作原理

a）进气行程 b）压缩行程 c）做功行程 d）排气行程

③做功行程 活塞由上止点向下运动，进、排气阀均关闭。在此行程的初期，大量的混合气燃烧，缸内的压力和温度都急剧升高，其最大值分别可达6～9MPa和1500～2000℃左右。高温高压气体推动活塞下行做功，在上止点后某一时刻，燃烧结束，膨胀做功仍在进行。当活塞到达下止点前某一时刻，排气阀开启，做功过程结束。此时，气缸内的压力约为0.2～0.5MPa，温度约为600～700℃。活塞则继续向下止点下行，如图2-3c所示。

④排气行程 曲轴带动活塞由下止点向上运动，排气阀继续开启状态，气缸内的废气被上行的活塞强行推出缸外。为了实现充分排气和减少排气过程中所消耗的功，不但在下止点前提前开启排气阀，而且要在排气行程结束的上止点后才关闭。排气阀开启的延续角度约为230°～260°如图2-3d所示。

四冲程柴油机完成一个工作循环要经历进气、压缩、做功、排气等4个行程；一个工作循环曲轴回转两转，即曲轴转角720°。其中只有一个行程做功，其余3个行程都要消耗功。因此，在单缸柴油机必须有一个足够大的飞轮来供给这3个行程所需的能量；而对于多缸柴油机，则借助于其他气缸膨胀做功过程来供给。

柴油机必须借助外部能量的驱动使其启动运转，实现停车状态进入工作状态，直至喷入气缸的燃油自发火燃烧，实现柴油机自行运转。

2）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2-4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。此外，二冲程柴油机设有扫气泵。压缩的空气被扫气泵预先送入扫气箱中，扫气箱中的空气压力（扫气压力）要比大气压力稍高。

①换气—压缩行程 活塞由下止点向上运动。在活塞接近进气口之前，气缸中继续充入新鲜空气并通过排气口将气缸内的废气赶出。当进气口完全被活塞遮蔽时（点1），新鲜空气不再进入气缸内。当排气口被活塞遮蔽后（点2），活塞对气缸内的空气进行压缩，产生高压和高温气体。在活塞到达上止点前的某一时刻（点2′），柴油被喷油器喷入气缸，并与高温高压空气混合后着火燃烧。

图2-4 二冲程柴油机工作原理

在这一行程中，完成了换气（曲线0-1-2）、压缩（曲线2-3）和喷油着火燃烧各过程。

②膨胀—换气行程 活塞由上止点向下运动。混合气在此行程的初期仍在猛烈燃烧，到点4才基本结束。活塞因燃气膨胀的推动下行做功。排气口在活塞下行打开时（点5），由于此时缸内燃气的压力和温度仍较高，分别为0.25～0.6MPa和600～800℃，在气缸内外的压差作用下气缸内燃气从排气口高速排出，缸内压力随之降低。当缸内下降的压力接近扫气压力时，下行的活塞打开进气口，新鲜空气通过进气口进入气缸，并对气缸内进行扫气，将缸内的废气排出排气口。这个过程称为扫气过程，一直要延续到下一个循环活塞再次上行将进气口关闭时为止。

在这一行程中，完成了燃烧与膨胀（曲线3-4-5）、排气（曲线5-6）和部分扫气（曲线6-0）过程。

由此可见，相比四冲程柴油机，二冲程柴油机是将进气和排气过程合并到压缩与膨胀行程中进行，有两个行程被省略。因此，二冲程柴油机完成一个工作循环曲轴回转一周。在活塞行程、气缸直径与转速相同的条件下，二冲程柴油机的功率似乎应为四冲程柴油机的2倍；但实际上，由于二冲程柴油机的气口使其有效行程减少等原因，其功率约为四冲程柴油机的1.6～1.8倍。

3）增压柴油机的基本工作原理

提高柴油机的进气压力，使气缸容积中充进更多的空气量，增加进气密度，以便喷入更多的燃油，提高有用功率。这种以提高进气压力来提高柴油机功率的方法称为“增压”。

压缩新鲜空气的压气机，其能量来源主要有直接由柴油机的曲轴通过齿轮等机械驱动的方式，此增压方式称机械增压；也有用柴油机气缸废气的排出能量在涡轮机中膨胀做功，由涡轮机来驱动的方式，称废气涡轮增压。如图2-5所示是废气涡轮增压四冲程柴油机的工作简图。

废气涡轮增压器由废气涡轮机8和与其同轴的离心式压气机2等组成。柴油机气缸废气的排出经排气管6进入涡轮机8，在其中膨胀做功推动涡轮机转动，并带动压气机2工作。新鲜压缩空气经进气管3送往柴油机的各个气缸。

二冲程废气涡轮增压柴油机的工作原理和四冲程基本相同，所不同在于二冲程柴油机中，增压空气是先供入扫气箱中，然后经扫气口进入气缸；此外，由于废气涡轮和压气机需能量平衡的原因，辅助压气机一般设在二冲程柴油机的废气涡轮增压系统中。

（5）柴油机主要技术指标

利用柴油机的一些主要技术指标来判断和衡量柴油机的性能。包括：动力性、经济性、重量和外形尺寸、排气污染指标等。(www.xing528.com)

1）动力性指标 动力性指标是指柴油机对外做功能力，一般指功率、平均有效功率、平均有效压力、转速和活塞平均速度等。

①有效功率 柴油机在单位时间内所做的功，功率的单位为kW，1kW=1000N·m/s。

图2-5 废气涡轮增压四冲程柴油机的工作简图

1、3—进气管 2—压气机 4—进气门 5—排气门 6、9—排气管 7、8—涡轮机

②指示功率 柴油机在气缸中单位时间内所做的功。

③有效功率P_e指示功率减去消耗于内部零件的摩擦损失、泵气损失和驱动附件损失等机械损失功率之后，从发动机曲轴输出的功率。如果柴油机曲轴每分钟的转速为n，曲轴每秒输出的有效功为W_e，由于

则柴油机的有效功率为

式中M_e——有效扭矩。

④平均有效压力 各种发动机的动力性能通常用平均有效压力P_e来比较和评定。它是一个作用在活塞顶上的假想的大小不变的压力，它是活塞移动一个行程所做的功，等于每循环所做的有效功。

有效功率也可用下式表示

N_e=iV_sp_en/30τ（kW）

式中 i——气缸数；

V_s——气缸工作容积（L）；

p_e——平均有效压力（MPa）；

n——发动机转速（r/min）；

τ——发动机的冲程数，对四冲程发动机τ=4，对二冲程发动机τ=2。

于是

p_e=30τN_e/iV_sn

可见p_e代表了单位气缸工作容积所发出的有效功率。p_e是一个重要指标，它不仅说明工作循环进行得好坏，而且还包括了机械损失的大小，在相同的条件下，p_e值越高，发动机输出的有效功越多。p_e的数值一般如下：

非增压柴油机：0.5～0.9MPa；

增压柴油机：0.8～3.2MPa。

⑤转速和活塞平均速度

转速n：柴油机曲轴每分钟的转速，单位为r/min。转速对柴油机性能和结构影响很大。各种类型柴油机使用转速范围各不相同。

活塞平均速度C_m：活塞在气缸中运动的速度是不断变化的，在行程中间较大，在止点附近较小，止点处为零。若已知柴油机转速n时，则活塞平均速度可由下式计算

式中 S——行程（m）。

2）经济性指标 一般指柴油机的燃油消耗率和润滑油消耗率。

①燃油消耗率 简称耗油率：柴油机工作时，每千瓦小时所消耗油量的克数，单位为g/（kW·h）以指示功率计的每千瓦小时的燃油消耗率称为指示燃油消耗率，表示柴油机经济性的指示指标；有效燃油消耗率：有效功率计的每千瓦小时的燃油消耗率。表示柴油机经济性的有效指标。在柴油机产品说明中所指的燃油消耗率都是指有效燃油消耗率。测出扭矩M_e和转速n，以及每小时燃油消耗量G_T（kg/h）和有效功率P_e后，用下式求出有效燃油消耗率ge

柴油机的g_e值g/（kW·h）范围大致如下：

高速柴油机：g_e=212～215；中速柴油机：g_e=197～235；低速柴油机：g_e=169～190。

②润滑油消耗率 柴油机在标定工况时，每千瓦小时所消耗润滑油量的克数，单位为g/（kW·h）。

柴油机的润滑油消耗率一般在0.5～4g/（kW·h）左右。柴油机的润滑油是在机内不断循环使用的，其消耗的原因主要是：柴油机在运转时润滑油经活塞窜入燃烧室内或由气阀导管流入气缸内烧掉，未烧掉的则随废气排出；另外，有一部分润滑油在曲轴箱内雾化或蒸发，而由曲轴箱通风口排出。

3）重量和外形尺寸指标 评价柴油机结构紧凑性和金属材料利用率的一项主要指标是柴油机的重量和外形尺寸。各种类型的柴油机对外形尺寸和重量的要求是不同的。

①重量指标 柴油机的重量指标通常以比重量来衡量。比重量（g_w）又称单位功率重量，是柴油机净重G_w与标定功率P_e的比值，即

所谓净重是指不包括燃油、润滑油、冷却水以及其他未直接装在内燃机本体上的附属设备与辅助系统的重量。

比重量的大小，除了和柴油机类型、结构、附件的质量有关外，还和所用材料和制造技术有关。

②外形尺寸指标 又称紧凑性指标，是指柴油机总体布置紧凑程度的指标。通常以柴油机的单位体积功率来衡量。

单位体积功率P_v是柴油机的标定功率P_e与柴油机外廓体积V的比值，即

式中V=L·B·H，其中L、B、H为柴油机的最大长、宽、高尺寸。

4）排气污染指标 在柴油机的排气中含有数量不大，但非常有害的排放物。它们是一氧化碳CO、碳氢化合物HC、氧化氮NO和二氧化硫SO₂。这些燃烧产物排入大气，污染环境而且有害于人体健康，从而造成社会公害。

随着环境保护意识的增强，对柴油机排气污染的限制也日益严格。我国已实施的国家标准（GB20891—2014）对非道路移动机械用柴油机排放的限制见表2-1。

表2-1 中国第三、四阶段非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限制

①适用于可移动式发电机组用P_max＞900kW的柴油机。

（6）柴油发动机与汽油发动机的比较

柴油发动机跟汽油发动机的工作过程是一样的，由进气、压缩、做功、排气4个行程组成每个工作循环。两者的最大区别是点火方式不同，汽油机通过火花塞直接点燃混合气体。但由于柴油机用的燃料是柴油，其黏度比汽油大，不易蒸发，而其自燃温度却较汽油低，其可燃混合气通过电压燃式实现燃烧。

柴油机在进气行程中吸入的是纯空气。在压缩行程接近终了时，柴油经喷油泵将油压提高到10MPa以上，通过喷油器喷入气缸，在很短时间内与压缩后的高温空气混合，形成可燃混合气。由于柴油机压缩比高（一般为16～22），所以压缩终了时气缸内空气压力可达3.5～4.5MPa，同时温度高达750～1000K（而汽油机在此时的混合气压力会为0.6～1.2MPa，温度达600～700K），大大超过柴油的自燃温度。因此，柴油在喷入气缸后，在很短时间内与空气混合后便自行发火燃烧。气缸内的气压急速上升到6～9MPa，温度也升到2000～2500K。活塞在高压气体推动向下运动并带动曲轴旋转做功，废气经排气管排入大气。

普通柴油机是由发动机的凸轮轴驱动，高压油泵将柴油输送到各缸喷油器。这种供油方式要随发动机转速的变化而变化，做不到各种转速下的最佳供油量。

共轨喷射式供油系统由高压油泵、公共供油管、喷油器、电子控制单元（Electronic Con-trol Unit，ECU）和一些管道压力传感器组成，系统中的每一个喷油器通过各自的高压油管与公共供油管相连，公共供油管对喷油器起到液力蓄压作用。工作时，高压油泵以高压将燃油输送到公共供油管，高压油泵、压力传感器和ECU组成闭环工作，对公共供油管内的油压实现精确控制，彻底改变了供油压力随着发动机转速变化的现象。

其主要特点有以下三个方面：

1）喷油正时与燃油计量完全分开，喷油压力和喷油过程由ECU适时控制。

2）可依据发动机的工作状况去调整各缸喷油压力，喷油始点、持续时间，从而追求喷油的最佳控制点。

3）能实现很高的喷油压力，并能实现柴油的预喷射。

相比汽油机，柴油机具有燃油消耗率低（平均比汽油机低30%），而且柴油价格较低，所以燃油经济性较好；同时柴油机的转速一般比汽油机转速低，扭矩要比汽油机大，但其质量大、工作时噪声大，制造和维护费用高，排放污染比汽油机严重。随着现代技术的发展，柴油机的这些缺点正逐渐地被克服。

汽油机和柴油机的区别：

点火方式不同：汽油机吸入燃料与空气的混合物并将其压缩，然后通过火花塞将混合物点燃。柴油机只吸入空气并将其压缩，然后将燃油喷入压缩空气。压缩空气产生的热量就能使燃油自燃。

压缩比不同：汽油机的压缩比为8∶1至12∶1，而柴油机的压缩比为14∶1，甚至能达到25∶1。由于柴油机压缩比更高，效率也更高。

汽油机具有汽化作用，即空气与燃油混合是在空气进入气缸或油口之前；或使用油口燃油喷射，即在开始进气冲程（气缸外）之前喷射燃油。柴油机采用直喷式，直接将柴油喷入气缸。

柴油机不安装火花塞，它吸入并压缩空气，然后将燃油直接喷入燃烧腔（直喷式）。以压缩空气产生的热量点燃了柴油机的燃油。

喷油器是柴油机的重要部件。不同类型发动机，其喷油器的位置都可能各不相同。喷油器需承受气缸内部的温度和压力，喷出雾状的燃油呈细密型。使气缸内部循环的油雾能够均匀分布，因此一些柴油机采用特殊的感应阀、预燃烧腔或其他装置，使燃烧腔内的气流呈旋涡状，改进点火和燃烧过程。

注入步骤不同是柴油机与汽油机之间一项很大的差异。大多数汽油机不采用直喷而采用油口喷射或化油器。因此，在发动机内部，在进气冲程期间全部燃油被注入气缸中进行压缩。燃油与空气的混合物的压缩限制了发动机的压缩比，因为若过度压缩燃油与空气的混合物会自行点燃并导致爆震。而柴油机仅压缩空气，因此压缩比高出汽油机许多。产生的功率随压缩比升高而增大。

预热塞在一些柴油机使用。当柴油机在冷机状态时，压缩过程无法将空气升至燃油的燃点。预热塞是一个电热线圈，在发动机低温时点燃燃油，加热进入气缸的空气，使发动机正常启动。

现代发动机功能的控制均通过电子控制模块（Electronic Control Module，ECM）与复杂传感器组的通信，传感器测量包括转速、发动机机油和冷却液的温度，以及发动机位置（即T.D.C.）等数据。大型发动机很少采用预热塞。ECM（Electrical Control Module，电控模块）检测环境温度并使发动机在寒冷天气下延迟计时，喷油器也会延时喷油。气缸内的空气受到的压缩程度越高，辅助启动的热量就会产生更多。

较小的发动机以及没有先进计算机控制的发动机采用预热及预热塞来解决冷启动问题。

柴油与汽油有许多不同点。气味不同。柴油比重大。汽油汽化比柴油快很多。

比起汽油来，柴油较重蒸发很慢，它的碳原子链更多更长（柴油一般是C₁₄H₃₀，而汽油一般是C₉H₂₀）。

柴油的能量密度比汽油更高。从平均计算，柴油3.8升约含有155×106焦耳能量，而汽油3.8升含有132×106焦耳。说明柴油机有更高的效率，是柴油机比汽油机里程费用低的原因。

汽油发动机的优点：转速高，质量轻，工作噪声小，启动容易，制造和维修费用低等特点，而不足的地方就是燃油消耗较高造成燃油经济性较差。

柴油发动机的优点：功率大，寿命长，动力性能好，排放低（比汽油低45%）的特点，随着柴油发动机采用涡轮增压、中冷、直喷、尾气催化转换和颗粒捕集器等先进技术的应用，柴油发动机的排放已达到欧Ⅲ、欧Ⅳ排放标准。其优点已经赶上汽油机的水平，动力性及经济性等都优越汽油发动机。