把燃料燃燒時所放出的熱能轉換成機械能的機器稱為熱機。熱機可分為外燃機和內燃機兩類。燃料燃燒的熱能通過其他介質轉變?yōu)闄C械能的稱為外燃機，如蒸汽機和汽輪機等；燃料在發(fā)動機氣缸內部燃燒，工質被加熱并膨脹做功，直接將所含的熱能轉變?yōu)闄C械能的稱為內燃機，如柴油機、汽油機和燃氣輪機等。其中以柴油機和汽油機應用較為廣泛，通常所說的內燃機多指這兩種發(fā)動機。

柴油機是將柴油直接噴射入氣缸與空氣混合燃燒得到熱能，并將熱能轉變?yōu)闄C械能的熱力發(fā)動機。其主要優(yōu)點是：①熱效率較高，其有效熱效率可達46％，是所有熱機中熱效率較高的一種；②功率范圍廣，單機功率可從零點幾千瓦到上萬千瓦；③結構緊湊，質量較小，便于移動；④啟動迅速，操作方便，并能在啟動后很快達到全負荷運行。

單缸往復活塞式柴油機結構示意圖如圖1所示，其主要由排氣門1、進氣門2、氣缸蓋3、氣缸4、活塞5、活塞銷6、連桿7和曲軸8等組成。氣缸4內裝有活塞5，活塞通過活塞銷6、連桿7與曲軸8相連接?；钊跉飧變茸錾舷峦鶑瓦\動，通過連桿推動曲軸轉動。為了吸入新鮮空氣和排出廢氣，在氣缸蓋上設有進氣門2和排氣門1。

1、基本名詞術語（參見圖1）

1一排氣門；2一進氣門；3一氣缸蓋；4一氣缸；5-活塞；6一活塞銷：7-連桿；8-曲軸

圖1 單缸往復活塞式柴油機結構簡圖

①上止點：活塞離曲軸中心較大距離的位置。

②下止點：活塞離曲軸中心較小距離的位置。

③活塞行程（沖程）：上止點與下止點間的距離，用符號S表示，單位為mm。

④曲柄半徑：曲軸旋轉中心到曲柄銷中心的距離，用符號r表示，單位為mm。由圖2-1可見，活塞行程S等于曲柄半徑r的2倍，即

S＝2r

⑤氣缸工作容積：在一個氣缸中，活塞從上止點到下止點所掃過的氣缸容積。用符號V_h表示，單位為L，則

式中  D-氣缸直徑，mm；

S-活塞行程，mm。

⑥柴油機排量：柴油機所有氣缸工作容積的總和稱為柴油機排量，用V_H表示，如果柴油機有i個氣缸，則柴油機排量

柴油機排量表示柴油機的做功能力，在其他參數(shù)相同的前提下，柴油機排量越大，則其所發(fā)出的功率就越大。

⑦燃燒室容積：當活塞在上止點時，活塞上方的氣缸容積。用符號V_c表示。

⑧氣缸總容積：當活塞在下止點時，活塞上方的氣缸容積。用符號V_a表示。它等于燃燒室容積V_c與氣缸工作容積V_h之和。即

V_a＝V_c＋V_h

⑨壓縮比：氣缸總容積與燃燒室容積之比。用符號：表示。則

ε＝V_a/V_c＝(V_c＋V_h)/V_c＝1＋V_h/V_c

壓縮比ε表示氣缸中的氣體被壓縮后體積縮小的程度，也表明氣體被壓縮的程度，通常柴油機的壓縮比ε＝12～22。壓縮比越大，活塞運動時，氣體被壓縮得越厲害，氣體的溫度和壓力就越高，柴油機的效率也越高。

⑩工作循環(huán)：柴油機中熱能與機械能的轉化，是通過活塞在氣缸內工作，連續(xù)進行進氣、壓縮、做功、排氣四個過程來完成的。每進行這樣一個過程稱為一個工作循環(huán)。如柴油機活塞走完四個沖程（曲軸旋轉兩周）完成一個工作循環(huán)，稱該機為四沖程柴油機；如活塞走完兩個沖程（曲軸旋轉一周）完成一個工作循環(huán)，稱該機為二沖程柴油機。

2、四沖程柴油機工作原理

①進氣過程［如圖2（a）所示］活塞從上止點向下止點移動，這時在配氣機構的作用下進氣門打開，排氣門關閉。由于活塞下移，氣缸內容積增大，壓力降低，新鮮空氣經空氣濾清器、進氣管不斷吸入氣缸。由于進氣系統(tǒng)存在阻力，從而進氣終了氣缸內的氣體壓力低于大氣壓力p₀（約78～91kPa），溫度為320～340K。

②壓縮過程［如圖2（b）所示］活塞由下止點向上止點運動，這時進、排氣門關閉。氣缸內容積不斷減少，氣體被壓縮，其溫度和壓力不斷提高。壓縮終了時氣體壓力可達3～5MPa，溫度高達750～1000K，為噴入氣缸內的柴油蒸發(fā)、混合和燃燒創(chuàng)造條件。

③做功過程［如圖2（c）所示］在壓縮過程即將終了時，噴油器將柴油以細小的油霧噴入氣缸，在高溫、高壓和高速氣流作用下很快蒸發(fā)，與空氣混合，形成混合氣。并在高溫下自動著火燃燒，放出大量的熱量，使氣缸中氣體溫度和壓力急劇上升。燃燒氣體的較大壓力可達6～9MPa，較高溫度可達1800～2000K。高壓氣體膨脹推動活塞由上止點向下止點移動，從而使曲軸旋轉對外做功。由于噴油和燃燒要持續(xù)一段時間，所以雖然活塞開始下移，但此時還有噴入的燃料繼續(xù)燃燒放熱，氣缸內的壓力并沒有明顯下降，隨著活塞下移，氣缸內的溫度和壓力才逐漸下降。做功過程結束時，壓力約為0.2～0.5MPa。

1一噴油器；2-高壓油管；3一噴油泵；4-燃燒室

圖2 單缸四沖程柴油機的工作過程示意圖

④排氣過程［如圖2（d）所示］做功過程結束后，排氣門打開，進氣門關閉?；钊谇S的帶動下由下止點向上止點運動，燃燒過的廢氣便依靠壓力差和活塞上行的排擠，迅速從排氣門排出。由于排氣系統(tǒng)有阻力，因此，排氣終了時，氣缸內廢氣壓力略高于大氣壓力。氣缸內殘余廢氣的壓力約為0.105～0.12MPa，溫度約為700～900K。

活塞經過上述四個連續(xù)過程后，便完成了一個工作循環(huán)。當排氣過程結束后，柴油機曲軸依靠飛輪轉動的慣性作用仍繼續(xù)旋轉，上述四個過程又重復進行。如此周而復始地進行一個又一個的工作循環(huán)，使柴油機連續(xù)不斷地運轉起來，并帶動工作機械做功。

3、二沖程柴油機工作原理 

如圖3所示為帶有掃氣泵的氣門氣孔式二沖程柴油機工作過程示意圖。這種類型的二沖程柴油機無進氣門。氣缸（氣缸套）壁上有一組進氣孔3，由活塞的上下運動控制進氣孔的開、閉，氣缸蓋上設有排氣門5。空氣由掃氣泵1提高壓力以后，經氣缸外部的空氣室2和氣缸壁上的進氣孔3進入氣缸，完成進氣和掃氣過程。燃燒后的廢氣由氣缸蓋上的排氣門排出。其工作過程如下：

①第一行程 第一行程也稱換氣-壓縮過程。曲軸帶動活塞由下止點向上運動，這時進氣孔和排氣門均打開［如圖3（a）所示］，新鮮空氣由掃氣泵以高于大氣壓力送入氣缸中，并把氣缸中的殘余廢氣從排氣門掃除。這種進、排氣同時進行的過程稱為“掃氣過程”?；钊^續(xù)向上運動，當活塞越過進氣孔后，進氣孔被活塞關閉的同時配氣機構也使排氣門關閉。于是氣缸內的新鮮空氣被壓縮［如圖2-3（b）所示］，一直進行到上止點。

②第二行程 第二行程也稱膨脹-換氣過程?；钊咏现裹c時，噴油器開始噴油［如圖3（c）所示］，被噴油器噴成的霧狀柴油與高溫壓縮空氣相遇，便迅速燃燒。由于燃氣壓力的作用，推動活塞向下止點運動，經連桿帶動曲軸旋轉而輸出動力。當活塞下行至某一時刻時排氣門打開［如圖3（d）所示］，做功后的廢氣由排氣門排出?；钊^續(xù)向下運動，隨后進氣孔打開，新鮮空氣被掃氣泵再次壓入氣缸，開始“掃氣過程”?；钊恢边\動到下止點，完成第二個工作行程。

1一掃氣泵；2一空氣室；3一進氣孔；4一噴油器；5-排氣門

圖3 二沖程柴油機工作過程示意圖

（4）二沖程與四沖程柴油機的比較 與四沖程柴油機比較，二沖程柴油機有以下主要特點：

①曲軸每轉一周就有一個做功過程，因此，當二沖程柴油機工作容積和轉速與四柴油機相同時，在理論上其功率應為四沖程柴油機功率的2倍。但由于結構上的關系，二沖程柴油機廢氣排除不徹底，并且換氣過程減小了有效工作行程，因而在同樣的工作容積和曲軸轉速下，二沖程柴油機的功率約為四沖程柴油機的1.5～1.7倍。

②二沖程柴油機因其曲軸每轉一周就有一個做功行程，在相同轉速下工作循環(huán)次數(shù)多，故輸出轉矩均勻，運轉平穩(wěn)。

③大多數(shù)二沖程柴油機部分或全部采用氣孔換氣，配氣機構簡單。所以，二沖程柴油機結構簡單，重量輕，使用維修方便。

④換氣時間短，并需要借助新鮮空氣來清掃廢氣，換氣效果相對較差。