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柴油发动机工作时，活塞在汽缸内往复运动，进行着进气、压缩、作功和排气4个工作行程，如图3-4所示。图中如果活塞往复两次，即曲轴转两圈完成这个过程，这种柴油发动机称为四冲程柴油机；若活塞往复1次，即曲轴转1圈，完成这4个过程，这种柴油机称二冲程柴油机。农用车所用的柴油机都是四冲程柴油机。
图3-4 柴油机工作原理示意图
（a）进气行程 （b）压缩行程 （c）作功行程 （d）排气行程 1.喷油器 2.高压油管 3.喷油泵 4.燃烧室
（1）进气行程
由于曲轴的旋转，通过连杆使活塞在汽缸内从上止点向下止点运动，这时排气门关闭，进气门打开。进气过程开始时，活塞位于上止点，汽缸内残存有上一循环未排净的废气，因此，汽缸内的压力稍高于大气压力。随着活塞下移，汽缸内容积增大，压力减小，当压力低于大气压时，在汽缸内产生真空吸力，新鲜空气通过进气门被吸入汽缸内，直至活塞向下运动到下止点。整个进气过程曲轴转半圈。对进气过程的要求是进气要充分，进气量越多越好。
（2）压缩行程
曲轴继续旋转，活塞从下止点向上止点运动，这时进气门和排气门都关闭，汽缸内形成封闭容积，随着活塞的上移，压力和温度不断升高。压缩过程要求气门关闭要严，汽缸和活塞环之间的密封性要好，不漏气。
（3）作功行程
当压缩行程接近终了时，柴油经过高压喷油泵和喷油嘴，呈雾状与空气很快混合，形成可燃混合气，喷入有高压、高温气体的汽缸内，立即燃烧放出大量的热，使汽缸内的压力和温度急剧上升。此时，进、排气门关闭，高温高压的气体急剧膨胀，推动活塞从上止点向下止点移动，通过连杆使曲轴作旋转运动，对外作功。
（4）排气行程
在飞轮惯性力作用下，旋转的曲轴带动连杆活塞从下止点向上止点运动，这时进气门关闭，排气门打开。由于废气压力高于外界大气压，同时在活塞的推动下，将工作废气从排气门排出。
排气行程结束，即活塞到达上止点后，曲轴继续旋转，活塞又开始从上止点向下止点运动，开始下一个进气行程。柴油机每进行一次进气—压缩—作功—排气的过程，叫做一个工作循环。在这个循环中，曲轴转了2圈，经历了4个行程，所以称这种柴油机为四冲程柴油机。在柴油机的一个工作循环中，只有1个（作功）行程是由活塞带动曲轴旋转来作功的，其他3个行程都是为作功做准备的，需要由曲轴带动活塞运动。
单缸柴油机的曲轴转两圈只有半圈作功，所以会产生较大的振动，曲轴旋转也不平衡。
多缸柴油机是指两个缸以上的柴油机。多缸柴油机的功率大，实际上是用一根曲轴将若干个单缸柴油机组合起来，并将各缸的工作行程按一定的顺序排列，这样在每一工作循环的两圈中，就有相互交替的多次作功，各缸的离心力和惯性力可以互相抵消或减弱，使得柴油机振动减小，运转平稳。
四轮农用车最常用的四缸四冲程柴油机就是由4个缸组成，除曲轴和飞轮为4个缸共有外，其余构造与单缸四冲程柴油机基本相同。各缸的活塞连杆组都与曲轴相连，每一个缸都按照进气、压缩、作功、排气完成工作循环。曲轴每转两圈（720°），各缸都完成一个工作循环，为保证转速均匀，各缸的作功行程都均匀地分布在720°的曲轴转角内，即每隔720°/4=180°就有一个缸作功。四缸四冲程柴油机各缸的作功次序常采用1—3—4—2或1—2—4—3，其工作过程见表3-4。
表3-4 四缸四冲程柴油发动机工作次序
除常用的单缸和四缸柴油机外，农用车上也有用二缸四冲程柴油机和三缸四冲程柴油机的，二缸四冲程柴油机的工作次序为1—2—0—0或1—0—0—2；三缸四冲程柴油机的工作顺序一般为1—3—2或1—2—3，每个缸作功的相互间隔角度为240°。
四冲程柴油机，主轴转两圈，活塞上下各两次，完成进气、压缩、燃烧(膨胀)、排气四个行程，即一个工作循环。其中只有燃烧膨胀行程才是做功的。在这个行程中，燃料燃烧膨胀，推动活塞下行，通过曲柄连杆机构，将活塞的往复运动转变为主轴的旋转运动，将燃料燃烧的热能转化为机械能，通过主轴传递出去。
四行程柴油机工作原理如下图：
主轴之所以能够连续运转，是由于飞轮储存了做功行程产生的能量，帮助完成其余三个行程，多余的能量才能带动机械工作。
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