四沖程柴油機的工作原理

柴油機的工作是由進氣、壓縮、燃燒膨脹和排氣這四個過程來完成的，這四個過程構成了一個工作循環。活塞走四個過程才能完成一個工作循環的柴油機稱為四沖程柴油機。現對照下面的動畫了說明它的工作理原。

一. 進氣沖程
　　第一沖程——進氣，它的任務是使氣缸內充滿新鮮空氣。當進氣沖程開始時，活塞位于上止點，氣缸內的燃燒室中還留有一些廢氣。
　　當曲軸旋轉肘，連桿使活塞由上止點向下止點移動，同時，利用與曲軸相聯的傳動機構使進氣閥打開。
　　隨著活塞的向下運動，氣缸內活塞上面的容積逐漸增大：造成氣缸內的空氣壓力低于進氣管內的壓力，因此外面空氣就不斷地充入氣缸。
　　進氣過程中氣缸內氣體壓力隨著氣缸的容積變化的情況如動畫所示。圖中縱坐標表示氣體壓力Ｐ，橫坐標表示氣缸容積Ｖｈ（或活塞的沖Ｓ），這個圖形稱為示功圖。圖中的壓力曲線表示柴油機工作時，氣缸內氣體壓力的變化規律。從土中我們可以看出進氣開始，由于存在殘余廢氣，所以稍高于大氣壓力Ｐｏ。在進氣過程中由于空氣通過進氣管和進氣閥時產生流動阻力，所以進氣沖程的氣體壓力低于大氣壓力，其值為０．０８５～０．０９５ＭＰａ，在整個進氣過程中，氣缸內氣體壓力大致保持不變。
　　當活塞向下運動接近下止點時，沖進氣缸的氣流仍具有很高的速度，慣性很大，為了利用氣流的慣性來提高充氣量，進氣閥在活塞過了下止點以后才關閉。雖然此時活塞上行，但由于氣流的慣性，氣體仍能充入氣缸。
　　二. 壓縮沖程
　　第二沖程——壓縮。壓縮時活塞從下止點間上止點運動，這個沖程的功用有二，一是提高空氣的溫度，為燃料自行發火作準備：二是為氣體膨脹作功創造條件。當活塞上行，進氣閥關閉以后，氣缸內的空氣受到壓縮，隨著容積的不斷細小，空氣的壓力和溫度也就不斷升高，壓縮終點的壓力和濕度與空氣的壓縮程度有關，即與壓縮比有關。　一般壓縮終點的壓力和溫度為：Pc＝4～8MPa,Tc＝750～950K。
　　柴油的自燃溫度約為５４３—５６３Ｋ，壓縮終點的溫度要比柴油自燃的溫度高很多，足以保證噴入氣缸的燃油自行發火燃燒。
　　噴入氣缸的柴油，并不是立即發火的，而且經過物理化學變化之后才發火，這段時間大約有０．００１～０．００５秒，稱為發火延遲期。因此，要在曲柄轉至上止點前１０～３５°曲柄轉角時開始將霧化的燃料噴入氣缸，并使曲柄在上止點后５～１０°時，在燃燒室內達到最高燃燒壓力，迫使活塞向下運動。

三. 燃燒膨脹沖程
　　第三沖程——燃燒膨脹。在這個沖程開始時，大部分噴入燃燒室內的燃料都燃燒了。燃燒時放出大量的熱量，　因此氣體的壓力和溫度便急劇升高，活塞在高溫高壓氣體作用下向下運動，并通過連稈使曲軸轉動，對外作功。所以這一沖程又叫作功或工作沖程。
　　隨著活塞的下行，氣缸的容積增大，氣體的壓力下降，工作沖程在活塞行至下止點，排氣閥打開時結束。
　　在動畫中，工作沖程的壓力變化這條線上升部分表示燃料在氣缸內燃燒時壓力的急劇升高，最高點表示最高燃燒壓力Pz，此點的壓力和溫度為：
　　　　　　　　　　　　　　　　Pz＝6～15MPa， 　　Tz＝1800～2200K
　　最高燃燒壓力與壓縮終點壓力之比（Pz／Pc），稱為燃燒時的壓力升高比， 用λ表示。根據柴油機類型的不同，在最大功牢時λ值的范圍如下：λ＝Pz／Pc＝1.2～2.5。
　　四. 排氣沖程
　　第四沖程——排氣。排氣沖程的功用是把膨脹后的廢氣排出去，以便充填新鮮空氣，為下一個循環的進氣作準備。當工作沖程活塞運動到下止點附近時，排氣閥開起，活塞在曲軸和連桿的帶動下，由下止點向上止點運動，并把廢氣排出氣缸外。由于排氣系統存在著阻力，所以在排氣沖程開始時，氣缸內的氣體壓力加比大氣壓力高０．０２５—０．０３５ＭＰａ，其溫度Ｔｂ＝１０００～１２００Ｋ。為了減少排氣時活塞運動的阻力，排氣閥在下止點前就打開了。排氣閥一打開，具有一定壓力的氣體就立即沖出缸外，缸內壓力迅速下降，這樣當活塞向上運動時，氣缸內的廢氣依靠活塞上行排出去。　為了利用排氣時的氣流慣性使廢氣排出得干凈，排氣閥在上止點以后才關閉。
　　在動畫中，排氣沖程曲線表示在排氣過程中，缸內的氣體壓力幾乎是不變的，但比大氣壓力稍高一些。排氣沖程終點的壓力Pr約為0.105～0.115MPa,殘余廢氣的溫度Pr約為850～960K。
　　由于進、排氣閥都是早開晚關的；所以在排氣沖程之末和進氣沖程之初，活塞處于上止點附近時，有一段時間進、排氣閥同時開起，這段時間用曲軸轉角來表示，稱為氣閥重迭角。
　　排氣沖程結束之后，又開始了進氣沖程，于是整個工作循環就依照上述過程重復進行。由于這種柴油機的工作循環由四個活塞沖程即曲軸旋轉兩轉完成的，故稱四沖程柴油機。
　　在四沖程柴油機的四個沖程中，只有第三沖程即工作沖強才產生動力對外作功，而其余三個沖程都是消耗功的準備過程。為此在單缸柴油機上必須安裝飛輪，利用飛輪的轉動慣性，使曲軸在四個沖程中連續而均勻地運轉。