2.2.1 柴油机的工作原理
四冲程柴油机工作循环如图2-3所示。由进气行程、压缩行程、做功行程和排气行程组成一个工作循环。
图2-3 四冲程柴油机工作循环
第一行程：活塞由上止点移动到下止点，即曲轴的曲柄由0°转到180°（活塞位于第一行程上止点时，曲轴的曲柄位置定为0°）。在这个行程中，进气门打开，新鲜空气被吸入气缸。因此，第一行程又称为进气行程。
第二行程：活塞由下止点移动到上止点，即曲柄由180°转到360°。在这个行程中，气缸内的气体被压缩，故称为压缩行程。
第三行程：活塞再由上止点移动到下止点，即曲柄由360°转到540°。在这个行程中燃气膨胀做功，所以又称为工作行程或做功行程。
第四行程：活塞再由下止点移动到上止点，即曲柄由540°转到720°。在这个行程中排气门打开，燃烧后的废气经排气门排出气缸，又称为排气行程。
四冲程柴油机由上述四个行程组成了一个工作循环，为了便于讲解，现对单缸四冲程柴油机（自然吸气式）的四个工作过程分别进行阐述。
（1）进气行程 进气行程（见图2-4）是由进气门开始开启到进气门关闭为止的。为了获得较多的进气量，活塞到达上止点前，进气门就开始开启。当活塞到达上止点时，进气门和进气门座之间已有一定的通道面积。活塞由上止点下行不久，气缸内的压力很快低于大气压力，形成了真空，空气在大气压力作用下经空气滤清器、进气管道、进气门充入气缸。当活塞到达下止点时，空气还具有较大的流动惯性，继续向气缸内充气，为了充分利用气体流动的动量，使更多的空气充入气缸，进气门在下止点之后才关闭。
图2-4 进气行程
在进气门关闭之前，由于气体流动惯性的作用使气缸内的气体压力有所回升，但由于气体流动的节流损失，气缸内的压力仍低于外界大气压力Pa，进气终点压力Ps约为（0.8～0.95）Pa。充入气缸的空气与燃烧室壁及活塞顶等高温机件的接触，以及与上一循环没有排净而留在气缸内残余废气的混合，使进气温度升高。进气终点温度Ts可达30～65℃。(https://www.daowen.com)
图2-5 压缩行程
（2）压缩行程 图2-5所示为压缩行程。当进气行程终了时，活塞继续在曲轴的推动下越过下止点而向上止点移动。由于此时进气门和排气门都关闭，所以活塞上移时气缸容积逐渐减小，缸内空气逐渐被压缩，其压力和温度也随之逐渐升高，直至活塞到达上止点时，空气完全被压缩至燃烧室内，此时压力可达2.94～4.9MPa，温度可达680～730℃，这就为柴油喷入气缸后的着火燃烧和充分膨胀创造了必要条件。柴油的自燃温度约为300℃，为保证柴油喷入气缸后能及时迅速燃烧和冷启动时可靠着火，其压缩终点温度应高出于柴油自燃温度的一倍左右。压缩终了的状态参数主要决定于空气的压缩程度，也就是压缩前活塞处于下止点时气缸中气体所占有的容积（即气缸总容积Vt）与压缩后活塞处于上止点时气体所占有的容积（即燃烧室容积Vc）之比，此比值称为压缩比，以符号εc表示
εc=Va/Vc=1+Vh/Vc
（3）做功行程 图2-6所示为做功行程。在压缩行程接近终了，活塞到达上止点前的某一时刻，柴油开始（并经历一小段时间）从喷油器以高压喷入燃烧室而形成油雾状，并在高温压缩空气中迅速蒸发而混合成可燃混合气（这种在气缸内部形成可燃混合气的方式称为“内混合”），随后便自行着火燃烧放出大量热量，使气缸中的气体温度和压力急剧升高，最高温度可达2000℃左右，最高爆发压力可达5.88～8.83MPa（随燃烧室的结构形式不同而有所差异，增压及增压中冷柴油机此数值还要更高）。由于此时进气门和排气门是关闭着的，所以高温高压气体便膨胀而推动活塞内上止点迅速向下止点移动，并通过连杆的传递而迫使曲轴旋转对外输出动力。这样，热能便转化成了机械功。随着活塞的下移，气缸内的气体压力和温度也随之逐渐降低，待活塞接近下止点时，做功行程便告终了，此时缸内压力降到0.29～0.39MPa，而温度降到800～900℃。
图2-6 做功行程
（4）排气行程 图2-7所示为排气行程。做功行程终了，曲轴靠飞轮的转动惯性继续旋转，推动活塞越过下止点向上止点移动。这时排气门开启，进气门仍关闭。由于膨胀后的废气压力仍高于外界大气压力，所以废气在此压差作用下，以及受活塞的排挤作用下，迅速从排气门排出。出于受到排气系统的阻力作用，因此排气终了时的缸内废气压力仍略高于大气压力，为0.1～0.12MPa，温度为300～700℃（在排气门附近）。
由于燃烧室占有一定的容积，以及上述排气阻力的影响，因此废气不可能完全排出，留下的残余废气在下一工作循环进气时与新鲜空气混合而成为工作混合气。残余废气越多，对下一工作循环的不良影响越大，因此希望废气排得越干净越好。
图2-7 排气行程
柴油机经过上述进气、压缩、做功、排气四个连续行程后，便完成了一个工作循环，当活塞再次从上止点向下止点移动时，又将开始新的工作循环。如此周而复始地继续下去，柴油机便能保持连续运转而对外输出动力。
