自然界中，存在各种能源，如风力、水力、燃料等。利用这些能源，通过机械的作用，产生动力，这种机械即为发动机。使用燃料（如柴油或汽油）在发动机气缸内部燃烧，将燃烧后释放出的热能转换为机械能的机器，称为内燃机。柴油机是内燃机的一种，它利用柴油燃烧产生的热能，推动活塞运动，对外输出机械能。

1.柴油机的基本结构

如图1-1所示，圆筒形的气缸内装有一个活塞，气缸上部装有气缸盖，活塞顶部与气缸盖之间构成的密闭空间为燃烧膨胀空间。燃料燃烧推动活塞沿气缸中心线上下往复运动，活塞通过连杆与曲轴连接，将往复运动转换成曲轴的旋转运动。曲轴两端支承在曲轴箱的轴承上，曲轴的尾端装有盘形飞轮。气缸盖上安装有进、排气门，根据工作需要开启或关闭。

2.基本名词术语

柴油机已发展成为一门比较成熟的技术学科，产生了一批专门的技术术语。在了解柴油机的基本工作原理前，要先了解下面基本名词术语的含义，如图1-2所示。

（1）上止点和下止点 活塞往复运动到达的最高位置叫做上止点，最低位置叫做下止点。

（2）活塞行程 活塞在气缸内由上止点移到下止点（或由下止点移到上止点）所运行的距离称为活塞行程，通常以符号S表示。

曲轴每旋转半周（即180°），移动一个活塞行程。用字母R表示曲臂旋转半径（曲轴的主轴中心到连杆轴中心的距离），则S＝2R，即活塞行程等于曲臂旋转半径的两倍。

图1-1 柴油机的基本结构

1—凸轮轴 2—气门弹簧 3—进气门 4—排气门 5—气缸盖 6—气缸 7—机体 8—活塞 9—连杆 10—曲轴 11—曲轴同步带轮 12—张紧轮 13—同步带 14—凸轮轴同步带轮

（3）工作循环 柴油机每产生一次动力，必须经过的进气、压缩、做功、排气一系列连续过程称为柴油机的工作循环。

（4）燃烧室容积 活塞位于上止点时，活塞顶与气缸、气缸盖之间所形成的空间（即活塞顶上方的容积）称为燃烧室容积，用V_c表示。

（5）气缸工作容积 活塞自上止点移动到下止点所让出的空间称为气缸工作容积，又称活塞排量，用V_h表示。实际上，气缸工作容积就是上止点到下止点之间的气缸容积。

图1-2 内燃机的基本名词术语图示

1—气缸 2—活塞 3—连杆 4—曲轴 5—主轴颈 6—曲轴连杆轴颈

若已知气缸的直径为D，活塞行程为S，则

柴油机的排量即为所有气缸工作容积的和。

（6）气缸总容积 活塞位于下止点时，其顶部上方的气缸容积称为气缸总容积，用V_a表示。

气缸总容积等于燃烧室容积与气缸工作容积之和。即V_a＝V_c+V_h

（7）压缩比 气缸总容积与燃烧室容积的比值称为压缩比。换句话说，压缩比就是活塞从下止点到达上止点时，气缸总容积与气缸内气体被压缩后体积的比值，用ε表示。即

压缩比是柴油机的重要指标，压缩比越大，柴油机气缸内工作条件越好。柴油机压缩比大于汽油机，因而具有更好的动力性和经济性。(www.daowen.com)

3.四冲程柴油机的基本工作原理

柴油机将柴油燃烧产生的热能转变为做功的机械能时，其每个工作循环都要经过进气、压缩、做功和排气四个过程。凡是活塞在气缸里上下运动四次、曲轴旋转两周（720°）完成一个工作循环的柴油机，称为四冲程柴油机。四冲程柴油机的工作原理可描述如下：

（1）进气过程 进气过程是气缸内吸入新鲜空气的过程，如图1-3a所示。这个过程开始时，活塞位于上止点，当曲轴通过连杆使活塞从上止点向下止点运动时，气缸容积增大，气缸内压力降低，这时进气门开放，排气门关闭，在气缸内外气压差的作用下，外界空气被吸入气缸。活塞到达下止点时，进气门关闭，进气过程结束。此时，气缸内的压力约为75～95kPa（0.75～0.95kgf/cm²），温度约为50～70℃。

（2）压缩过程 压缩过程是提高缸内空气的温度和压力，为燃料的燃烧创造良好条件的过程，如图1-3b所示。当曲轴继续旋转，带动活塞由下止点向上止点运动时，进、排气门均关闭，进入气缸内的空气被压缩，气体的温度和压力升高。当压缩过程终了时，气缸内的压力可达3.5～4.5MPa（35～45kgf/cm²），温度可达500～700℃。这个温度比柴油的自燃温度（柴油在空气中不用火焰去点燃而能自行燃烧的最高环境温度，一般为300℃左右）高200～400℃，从而保证喷入的柴油能自行着火燃烧。

压缩过程终了时气缸内的压力和温度，主要与压缩比有关。压缩比越大，压缩终了时气体的压力和温度便越高，这就有利于燃料的燃烧和燃气的膨胀，从而提高柴油机的功率和经济性。但柴油机的压缩比过大，燃烧时产生的最高压力将增加过多，以致机件受力过大，磨损加剧而使柴油机的寿命缩短。因此，现代柴油机的压缩比一般为16～20。

图1-3 四冲程柴油机工作原理

a）进气过程 b）压缩过程 c）做功过程 d）排气过程

1—喷油器 2—高压油管 3—喷油泵 4—燃烧室

（3）做功过程 做功过程是指燃料燃烧和燃气膨胀做功的过程，如图1-3c所示。在这个过程中，进、排气门仍关闭。当活塞运动接近上止点时，安装在气缸盖上的喷油器将柴油以雾状喷入气缸，雾状柴油与高温空气接触，随后自行着火燃烧，故柴油机又称为压燃式内燃机。由于燃烧释放出大量的热，使气缸内的压力和温度迅速升高，燃烧时最高温度可达1700～2000℃，最高压力可达5～10MPa（50～100kgf/cm²）。高温、高压的燃气急剧膨胀，推动活塞从上止点向下止点运动，带动曲轴、飞轮旋转，对外做功。由于喷油和燃烧要持续一段时间，所以虽然活塞开始向下运动，但气缸内的压力并不立即下降。随着活塞的继续下行，气缸内的压力和温度很快降低。活塞运动到达下止点，做功过程结束时，气缸内的温度下降到800～900℃，压力下降到300～400kPa（3～4kgf/cm²）。

（4）排气过程 排气过程是从气缸中排出废气的过程，如图1-3d所示。这个过程开始时，排气门开放，活塞借曲轴旋转的惯性力又从下止点向上止点运动，于是废气在气缸内残存的压力和活塞向上运动的推力作用下，被排出气缸。活塞到达上止点时，排气过程结束。由于燃烧室容积的存在，因此在排气过程中不可能将废气排除干净，气缸内仍留有少量的废气；又因废气在排出过程中，排气门、排气管、消声器等将产生一定的阻力，使废气难以顺畅排出，因而排气过程终了时，气缸内的压力仍有0.11～0.12MPa（1.1～1.2kgf/cm²），温度为400～700℃。

排气过程结束后，紧接着开始下一个工作循环，重复进行以上4个过程。如此周而复始，使柴油机不断地产生动力，将热能转化成机械能，对外做功。

4.多缸机的工作顺序

从上面单缸四冲程柴油机工作原理可知，在4个冲程中，只有1个活塞冲程做功，其余3个冲程则是为做功冲程作准备。单缸柴油机曲轴每旋转两周，只有半周产生动力，其余一周半依靠惯性力来维持转动。因而，做功冲程的转速要比其他3个冲程的转速大，所以曲轴的转速是不均匀的，柴油机运转也是不平稳的。为了使运转平稳均匀，柴油机可采用有2个或2个以上的气缸，各气缸的活塞与连杆都连接在同一根曲轴上，根据气缸数目和排列方式的不同，按照一定的工作顺序，使各缸的做功冲程相互间隔一定的曲轴转角，交错地进行工作。

常见的多缸机有2、4、6、8、12缸等。依据气缸排列方式的不同，又可分为直列式和V式等。

在多缸四冲程柴油机中，曲轴每转两圈，即在曲轴旋转720°的时间内，每个气缸各自完成1个工作循环，且各缸工作冲程的间隔时间应当相等，即在2个依次着火的气缸之间，曲轴转过的角度应该一样。这个间隔时间靠曲轴上各个曲柄相互错开一个角度来保证。这个角度称为曲柄夹角，以符号φ表示。则

式中，i表示柴油机的气缸数，如6缸直列式柴油机，其曲柄夹角为120°。

为了使用和管理的方便，多缸柴油机常将气缸编号。对于直列式，气缸编号从自由端开始为第一缸，向功率输出端依次编号。对于V形柴油机，气缸的编排顺序一般是先从右列（面对自由端看）自由端开始为第一缸，并向功率输出端依次编号，然后再从左列自由端接着排下去。

在多缸柴油机中，各个气缸并不是依气缸排列顺序着火，而是有一定的先后顺序，称之为着火顺序。如4缸直列式柴油机，其着火顺序为1—3—4—2；6缸直列式柴油机为1—5—3—6—2—4。对于V形柴油机，一般采用“插入着火式”，即每一单列气缸的着火顺序及着火间隔完全相同，而总的着火顺序则在二列间相互嵌插。着火顺序可避免相邻两缸接连着火，从而提高柴油机运转的平稳性，使曲轴受力均匀，动力平衡性能好。

康明斯6BT型柴油机为6缸直列式柴油机，其工作顺序为1—5—3—6—2—4。6BT柴油机各缸工作状况与曲轴转角的关系见表1-1。

表1-1 6BT柴油机各缸工作状况与曲轴转角关系表