四冲程柴油机的工作原理分析

发动机的工作过程是由进气、压缩、燃烧膨胀和排气这四个过程来完成的，这四个过程构成了一个工作循环。要使发动机连续不断地工作，必须使工作循环周期性地重复进行。一个工作循环内，曲轴旋转两圈，活塞上下各两次，走过四个行程，称为四冲程发动机；在一个工作循环内曲轴旋转一圈，活塞上下各一次，走过两个行程，称为两冲程发动机。重卡柴油机都是四冲程发动机，此书中只讲解四冲程发动机的工作原理。

进气行程 进气行程的任务是使气

图2-2 四冲程柴油机的工作原理示意图

（1）进气行程 进气行程的任务是使气缸内充满新鲜空气。当进气行程开始时，活塞位于上止点，气缸内的燃烧室中还留有部分废气。当曲轴旋转时，连杆使活塞由上止点向下止点移动，同时，利用与曲轴相连的传动机构使进气门打开，如图2-2a所示。

随着活塞的向下运动，气缸内活塞上面的容积逐渐增大，造成气缸内的空气压力低于进气管内的压力，因此外面的新鲜空气就不断地充入气缸。

当活塞向下运动接近下止点时，冲进气缸的气流仍具有很高的速度，惯性很大，为了利用气流的惯性来提高充气量，进气门在活塞过了下止点以后才延迟关闭。虽然此时活塞开始上行，但由于气流的惯性，气体仍然能够充入气缸。

（2）压缩行程 当活塞到达下止点时，曲轴在飞轮惯性力的作用下继续旋转，使活塞由下止点向上移动。同时进排气门关闭，气缸内的气体被压缩到燃烧室内，如图2-2b所示。压缩行程的功用有两个，一是提高空气的温度，为燃料自行发火作准备；二是为气体膨胀做功创造条件。当活塞上行，进气门关闭以后，气缸内的空气受到压缩，随着容积的不断变小，空气的压力和温度也就不断升高。当活塞到达上止点时，压缩行程结束。压缩终点的压力和温度与空气的压缩程度有关，即与压缩比有关，一般压缩终点的压力和温度为：P_c=3.5～4.5MPa，T_c=750～1000K，而柴油的自燃温度约为543～563K，大大超过柴油自燃温度，足以保证喷入气缸的燃油自行发火燃烧。

喷入气缸的柴油并不是立即发火的，而是经过物理化学变化之后才发火，这段时间大约有0.001～0.005s，称为发火延迟期。因此，要在曲柄转至上止点前10°～35°曲柄转角时开始将雾化的燃料喷入气缸，并使曲柄在上止点后5°～10°时，在燃烧室内达到最高燃烧压力，迫使活塞向下运动。(www.xing528.com)

（3）燃烧膨胀行程 当压缩行程末，喷油器向缸内喷油，被压缩的可燃混合气迅速燃烧，燃烧时放出大量的热量，气缸内温度、压力急剧上升，温度可达1800～2200K，压力可达6～9MPa。在气体压力的作用下，推动活塞向下运动并通过连杆使曲轴旋转，对外做功，所以这一行程又叫做功或工作行程，如图2-2c所示。随着活塞的下行，活塞上面气缸的容积逐渐增大，气体的压力和温度随之下降，当活塞到达下止点时，做功行程终了。

最高燃烧压力与压缩终点压力之比（P_z/P_c），称为燃烧时的压力升高比，用λ表示。根据柴油机类型的不同，在最大功率时，λ值的范围如下：λ=P_z/P_c=1.2～2.5。

（4）排气行程 排气行程的功能是把燃烧膨胀后的废气排出去，以便充填新鲜空气，为下一个循环的进气行程作准备。当燃烧膨胀行程末活塞运动到下止点附近时，排气门开启，活塞在曲轴和连杆的带动下，由下止点向上止点运动，废气在自身的剩余压力和活塞向上移动的作用下被排出气缸，如图2-2d所示。由于排气系统存在阻力，所以在排气行程开始时，气缸内的气体压力比大气压力高0.025～0.035MPa，其温度T_b=1000～1200K。为了减少排气时活塞运动的阻力，排气门在下止点前就打开了。排气门一打开，具有一定压力的气体就立即冲出缸外，缸内压力迅速下降，这样当活塞向上运动时，气缸内的废气依靠活塞上行排出去。为了利用排气时的气流惯性使废气排出得干净，排气门在活塞到达上止点以后才延迟关闭，排气行程结束。

在排气行程中，缸内的气体压力几乎是不变的，但比大气压力稍高一些。排气行程终点的压力P_r约为0.105～0.115MPa，残余废气的温度T_r约为850～960K。

由于进、排气门都是早开晚关的，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，称为气门重迭角。

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行程即曲轴旋转两周完成的，故称四冲程柴油机。

在四冲程柴油机的四个行程中，只有第三行程即燃烧膨胀行程才产生动力对外做功，而其余三个行程都是做功的辅助行程。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维持运转。显然，做功行程时，曲轴的转速比其他三个行程内的曲轴转速要高，所以曲轴转速是不均匀的，因而发动机转速就不稳。

气缸越多，发动机工作越平稳。重卡柴油机用得最多的是6缸发动机。在多缸四冲程发动机的每一个气缸内，所有的工作过程都是一样的，并按上述次序进行，但所有气缸的做功行程并不同时发生，曲轴旋转两圈，每缸各做工一次。如WD615系列重型汽车柴油机有6个气缸，为了使发动机平稳地工作，发动机的曲轴经过了特殊的设计，从而使各缸在不同的时刻进行做功。