柴油机全解析：原理、特性与分类

柴油机全解析：原理、特性与分类

一、柴油机的定义与命名由来

柴油机又被称为狄塞尔引擎，这一名称是为了纪念其发明者 R. 狄塞尔。它属于压缩点火式发动机，其工作原理是通过燃烧柴油来获取能量释放，从而驱动机械运转。

二、柴油机工作原理

（一）进气、压缩冲程

活塞从下止点向上运动，废气涡轮增压机将带有一定压力的新鲜空气送入气缸。随着活塞的上升，当运行到一定时刻，活塞挡住扫气口，气缸转变为封闭状态。此后，活塞继续上行，气缸内的空气被不断压缩，压力逐渐增加，为后续的燃烧过程创造条件。

（二）膨胀、排气冲程

1、当活塞运行到上止点前的特定时刻，燃油经喷油器以良好的雾化状态喷入燃烧室。由于此时气缸内的空气已被压缩至高温高压状态，喷入的柴油与空气混合后能够自行发火燃烧。

2、当活塞越过上止点后，气缸内的气体压力、温度急剧上升。在高温高压的燃气作用下，活塞从上止点向下止点运动，通过连杆将动力传递给曲轴，曲轴则以回转的形式输出功率。随着活塞的下行，气缸容积逐渐增大，燃气的压力和温度也逐渐下降。直至排气阀打开，开始排气冲程，将燃烧后的废气排出气缸。

（三）启动

当按下启动按钮时，启动空气通过空气分配器进入柴油机各缸，推动活塞下行。借助飞轮的惯性，活塞完成进气压缩冲程，随后发火燃烧产生动力。在低速运行（DEAD SLOW - HALF）时，由于输出的能量有限，透平增压装置往往转速不够，无法保持扫气压力，此时通常需要开启辅助风机来保证进气量。当速度达到全速（FULL）时，可停止辅助风机，柴油机即可进入连续无人操作的工作状态。

（四）完车

在停车前，如果是需要轻柴油启动的柴油机，需要先进行换油操作，以防止重油冷却后阻塞油路。停车后，应将示功考克打开，盘车一段时间，再停止主滑油泵。接着，将冷却淡水转换到暖缸的位置，最后停止主海水泵，完成停车后的一系列操作流程，以保护柴油机的各个部件，延长其使用寿命。

三、柴油机的优缺点

（一）优点

1、油耗低：柴油机在燃油经济性方面表现出色，相比汽油机，其能够在相同的工况下消耗更少的燃料，从而降低运行成本。

2、可靠性高：具有较高的可靠性，能够在较为恶劣的工作环境下稳定运行，减少故障发生的频率，适合用于对可靠性要求较高的工业、农业、船舶等领域。

3、寿命长：由于其结构和工作原理的特点，柴油机的使用寿命相对较长，能够承受较大的负荷和长时间的连续工作。

4、高扭大：能够输出较大的扭矩，在需要较大牵引力或驱动力的场合，如重型卡车、工程机械等，具有明显的优势。

5、环保性较好：柴油机排出的有害气体比汽油机少得多，尤其是一氧化碳（CO）的排放量较低，对环境的污染相对较小。

（二）缺点

1、转速较低：一般转速为 1800 - 3000R/MIN，相较于汽油机，其转速范围较窄，在一些对转速要求较高的应用场景中可能不太适用。

2、质量大：柴油机的整体结构较为笨重，质量较大，这在一定程度上限制了其在对重量敏感的车辆或设备中的应用。

3、制造和维修费用高：其制造工艺复杂，零部件精度要求高，导致制造和维修成本相对较高。

4、噪声大：在工作过程中会产生较大的噪声，需要采取额外的降噪措施，尤其是在对噪声要求严格的环境中，如城市公交、乘用车等领域，这是一个需要解决的问题。

5、启动困难：特别是在低温环境下，柴油机的启动难度较大，需要配备专门的预热装置或辅助启动设备。此外，由于柴油机车辆经常在公路上长时间运行，发动机温度和压力较高，汽缸内容易产生较多的烟灰和积炭，发动机油也容易氧化产生胶质，因此对柴油机油的高温清净性要求较高。

四、柴油机分类

（一）按用途分类

1、发电用：专门用于发电的柴油机，为各种电力需求提供动力支持，如发电厂、备用发电机组等。

2、船用：适用于船舶动力系统，满足船舶在水上航行的动力要求，需要具备良好的可靠性和耐腐蚀性。

3、车用：应用于各类车辆，包括重型卡车、工程机械车辆等，根据车辆的不同需求，在扭矩、功率、可靠性等方面有不同的设计特点。

4、农业灌溉用：为农业灌溉设备提供动力，通常需要考虑在农村环境下的使用便利性和维护简单性。

5、工程机械用：用于挖掘机、装载机、起重机等工程机械，要求具有高扭矩、高可靠性和适应恶劣工况的能力。

6、​其他工业配套用：在各种工业生产过程中，如矿山、工厂等，作为动力源或配套设备的动力，满足不同工业生产环节的特殊需求。

（二）按机体结构形式分类

1、单缸柴油机：结构简单，成本较低，适用于一些小型设备或对功率要求不高的场合，如小型农业机械、发电机组等。

2、多缸柴油机：功率较大，运行更平稳。其中多缸柴油机按汽缸排列方式的不同又分为直列型和 V 形排列式。直列型结构较为紧凑，V 形排列式则在空间利用和平衡性方面具有优势，常用于大型车辆和工业设备。

（三）按冷却方式分类

1、风冷式：通过空气流动直接带走发动机的热量，结构简单，不需要复杂的冷却水路系统，但散热效率相对较低，适用于小型、低功率的柴油机或在缺水环境下使用。

2、水冷式：利用水作为冷却介质，通过循环系统将发动机的热量带走，散热效果好，能够保证发动机在高温环境下稳定运行，广泛应用于各种大中型柴油机。

（四）按工作循环过程分类

1、二冲程：工作循环在两个冲程内完成，结构相对简单，功率密度较高，但燃油经济性和排放性能相对较差，常用于一些小型、低功率的设备或对体积要求严格的场合。

2、四冲程：工作循环在四个冲程内完成，包括进气、压缩、膨胀、排气冲程，燃油经济性和排放性能较好，是目前应用最为广泛的柴油机工作循环方式。

（五）按额定转速分类

1、高速（额定转速在 1000r/min 以上）：转速较高，适用于对功率和转速要求较高的场合，如轻型车辆、小型发电机组等。

2、中速（额定转速在 600 - 1000r/min 范围内）：在功率和转速方面处于中等水平，兼顾了一定的动力性和经济性，常用于中型船舶、工业设备等。

3、低速（额定转速在 600r/min 以下）：转速较低，扭矩较大，可靠性高，主要应用于大型船舶、大型发电机组等对扭矩和可靠性要求极高的领域。目前柴油发电机组配套使用的柴油机的额定转速一般是 1500r/min 或 3000r/min。

（六）按进气方式分类

1、自燃吸气型：依靠活塞下行产生的真空吸力吸入空气，结构简单，成本较低，但进气量相对有限，功率提升潜力较小。

2、增压型：通过增压装置（如废气涡轮增压机）提高进气压力，增加进气量，从而提高发动机的功率和扭矩输出，广泛应用于对动力性能要求较高的柴油机。

五、汽油机和柴油机的区别

（一）构造

汽油发动机气缸顶部有火花塞，火花塞在压缩冲程结束时产生电火花，点燃混合气体，使发动机工作。而柴油发动机的气缸顶部有喷油嘴，通过喷油嘴将柴油喷入高温高压的气缸内，使柴油自行发火燃烧。这是两者在构造上的主要不同点，也决定了它们不同的点燃方式。

（二）点燃方式

汽油机以汽油为燃料，采用火花塞点燃的方式。在进气冲程中，汽油与空气混合形成可燃混合气，在压缩冲程结束时，火花塞放电产生电火花，点燃可燃混合气，推动活塞做功。柴油机则是以柴油为燃料，利用压缩冲程将空气压缩到高温高压状态，使喷入的柴油自行燃烧，不需要火花塞点火。

（三）性能不同

柴油发动机与汽油发动机相比热效率高出 30%，这意味着在相同的燃料消耗下，柴油机能够输出更多的有用功，从节约能源、降低燃料成本角度上讲，柴油发动机轿车的推广使用具有重大意义。此外，柴油机的扭矩输出特性较为平缓，在低转速时就能输出较大扭矩，适合重载和牵引作业；汽油机的扭矩输出则在高转速时较为突出，更适合高速行驶和快速加速的工况。

（四）应用车型不同

汽油发动机因其体积小、重量轻、起动性好等特点广泛应用在载客汽车、轿车等车身较小的车型上，这些车型对发动机的空间布局、重量和启动性能要求较高。而相对体积较大、扭矩大、可靠性高的柴油发动机主要应用于大、中型载重货车，以及一些对扭矩和可靠性要求较高的工程机械和特种车辆，能够更好地满足这些车辆在重载运输和恶劣工况下的工作需求。