柴油機是柴油發電機組必不可少的部分，其以柴油做燃料的壓燃式內燃機。工作時，氣缸內的空氣被壓縮而溫度升高，定時噴入氣缸的柴油自行著火燃燒，產生高溫、高壓的燃氣膨脹推動活塞做功，將熱能轉變為機械功。柴油機的工作循環由進氣、壓縮、噴油著火燃燒、膨脹做功和排氣等過程組成。這些過程可以由四沖程或二沖程柴油機來實現。
1）四沖程柴油機（非增壓）的基本工作原理
四沖程柴油機：用4個行程，曲軸回轉兩周完成一個工作循環。四沖程柴油機的基本結構如圖2-2所示。工作時活塞作往復直線運動，曲軸做旋轉運動。活塞改變運動方向的瞬時位置稱止點(死點），止點處的活塞瞬時運動速度為零。離曲軸中心最遠的止點稱上止點，最近的止點稱下止點。
四沖程柴油機的工作原理如圖2-3所示。圖中別表示4個行程中活塞、連桿、曲軸及氣閥的相對位置。
①進氣行程 活塞從上止點下行，進氣閥打開。因活塞下行的抽吸作用，氣缸內充入新鮮空氣。為了能充人更多新鮮空氣，進氣閥一般在上止點前提前開啟，在下止點后延遲關閉，進氣閥開啟的延續角度約為220°～250°，如圖2-3a所示。
②壓縮行程 活塞從下止點上行，進、排氣閥均關閉。活塞上行壓縮缸內的空氣，使其壓力和溫度均不斷升高。壓縮終點的壓力約為3～6MPa；溫度約為500～700℃。在上止點（壓縮終點）附近，霧化的燃油經噴油器噴人燃燒室，并在高溫高壓空氣的作用下，開始自行著火燃燒，如圖2-3b所示。
③做功行程 活塞由上止點向下運動，進、排氣閥均關閉。在此行程的初期，大量的混合氣燃燒，缸內的壓力和溫度都急劇升高，其最大值分別可達6～9MPa和1500～2000℃左右。高溫高壓氣體推動活塞下行做功，在上止點后某一時刻，燃燒結束，膨脹做功仍在進行。當活塞到達下止點前某一時刻，排氣閥開啟，做功過程結束。此時，氣缸內的壓力約為0.2～0.5MPa，溫度約為600～700℃。活塞則繼續向下止點下行，如圖2-3c所示。
④排氣行程 曲軸帶動活塞由下止點向上運動，排氣閥繼續開啟狀態，氣缸內的廢氣被上行的活塞強行推出缸外。為了實現充分排氣和減少排氣過程中所消耗的功，不但在下止點前提前開啟排氣閥，而且要在排氣行程結束的上止點后才關閉。排氣閥開啟的延續角度約為230°～260°如圖2-3d所示。
四沖程柴油機完成一個工作循環要經歷進氣、壓縮、做功、排氣等4個行程；一個工作循環曲軸回轉兩轉，即曲軸轉角720°。其中只有一個行程做功，其余3個行程都要消耗功。因此，在單缸柴油機必須有一個足夠大的飛輪來供給這3個行程所需的能量；而對于多缸柴油機，則借助于其他氣缸膨脹做功過程來供給。
柴油機必須借助外部能量的驅動使其啟動運轉，實現停車狀態進入工作狀態，直至噴入氣缸的燃油自發火燃燒，實現柴油機自行運轉。
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