柴油引擎1893

柴油发动机的设计主要可分为两冲程及四冲程循环。柴油发动机运作时，气缸于进气冲程吸入过滤空气或经排气再循环系统（EGR）混合的气体，并在压缩冲程终点前透过高压喷油系统将柴油直接喷入燃烧室。由于柴油发动机主要透过改变单次循环的喷油量而非利用节气门限制进气量来调节输出扭矩，其过量空气系数通常较高，运作时普遍处于稀薄燃烧状态。得益于极高的压缩比与稀薄燃烧带来的低散热损失，柴油发动机拥有现今所有往复式内燃机中最高的热效率。典型的车用柴油发动机的热效率约为30%至35%，用于远洋船舶等对机体重量限制较低的大型低速两冲程柴油发动机，其有效热效率更可达到55%以上。

历史上，柴油发动机最初用于取代效率较低的固定式蒸汽机，并自1910年代起率先应用于潜艇与船舶，随后逐步扩展至铁路机车、巴士、重型机械、农业机械及发电领域。自1970年代能源危机爆发后，基于对汽车燃油经济性的追求，柴油发动机曾一度广泛普及于欧洲等地的小型乘用车市场。然而，由于压燃式燃烧在高温富氧条件下易产生氮氧化物及悬浮粒子，其排放控制技术难度远高于汽油发动机，导致其在部分地区的乘用车市占率有所回落，应用重新集中于商用车辆与工业领域。自20世纪末起，受惠于高压共轨喷射与轻量化材料的突破，柴油发动机在轻型飞机及无人航空载具等领域的应用亦展现出增长趋势。

历史

理论构建

1878年，当时就读于慕尼黑工业大学的鲁道夫·狄塞尔聆听了卡尔·冯·林德教授的热力学讲座。林德在课堂上指出，传统蒸汽机仅能将燃料产生热量的6%至10%转化为有效功，而理论上的卡诺循环则能实现最高极限的热效率。这番言论成为狄塞尔启发创意的关键转折点，促使他立志研发一种能够实现卡诺循环的高效率热机。早期狄塞尔曾于巴黎的实验室尝试研制氨蒸气机，但未能达到实用阶段。随后他意识到，若直接使燃料于空气中燃烧，便能以空气取代氨气作为工作介质。狄塞尔为此概念申请了专利，并于著作《理性热机的理论与结构》（Theorie und Konstruktion eines rationellen Wärmemotors）中公开其理论构想。

1893年2月23日，他成功取得首项德国专利（RP 67207）“内燃机的工作原理与设计特点”（Arbeitsverfahren und Ausführungsart für Verbrennungsmaschinen）。

应用

固定动力

由于早期的柴油发动机结构庞大且转速较低，并需要额外的空气压缩机辅助燃油喷射，最初主要作为固定式发电机或工业动力源使用，旨在取代低效率的蒸汽机。美国酒业大亨阿道弗斯·布希（百威啤酒创办人之一）买下了狄塞尔在北美的专利权后，于1898年在圣路易斯建造了美国第一台柴油发动机，这台发动机被安装在安海斯-布希啤酒厂中，用来驱动发电机，为整个工厂提供电力与照明。

1904年，历史上第一座大型柴油发动机发电厂在乌克兰基辅启用，安装四台由奥格斯堡工厂制造、每台400马力的柴油发动机，专门为基辅电车供电。1905年2月，赫尔曼·蒂茨百货公司（Tietz）在慕尼黑火车总站广场开幕，在其地下室设有四台由奥格斯堡工厂提供的柴油发动机进行发电，总功率为800马力。这两个都是20世纪初柴油发动机在欧洲大城市应用的典型例子，由于柴油发动机不像蒸汽锅炉产生烟雾或煤灰，而且占用空间较少，柴油发动机是当时少数可在无特别许可或市政府许可下安装的动力装置。

分类

德国柴油发动机工程专家钧特·毛（Günter Mau）依据发动机的额定曲轴转速，将柴油发动机概略划分为三个类别。额定转速为每分钟1,000转或以上者称为高速柴油发动机；额定转速介乎每分钟约300至1,000转之间者称为中速柴油发动机；额定转速约为每分钟300转或以下者则称为低速柴油发动机。值得注意的是，发动机转速划分并没有统一业界标准，各国技术标准、制造商及研究机构所采用的转速界线可能有所不同。

高速柴油发动机

高速柴油发动机通常具有较高的单位重量功率、相对紧凑的结构及良好的负荷响应特性，因此广泛应用于重型货车、巴士、汽车、农用拖拉机、游艇，以及移动式空气压缩机、水泵和中小型柴油发电机组等设备。在船舶领域，高速柴油发动机主要用于部分船载辅助及应急发电机组。

以往的高速柴油发动机曾广泛采用带有辅助燃烧室的间接喷射燃烧系统。为了改善热效率与排放控制，现今的高速柴油发动机普遍采用直接喷射技术，其中高压共轨燃油直喷系统（CRDI）已成为现代车用高速柴油发动机的主流配置。

换气过程

四冲程循环

四冲程柴油发动机须经过进气、压缩、膨胀及排气四个冲程，曲轴每转两圈完成一次工作循环。现代四冲程往复活塞式内燃机的换气过程，几乎全部透过进气阀及排气阀控制。与汽油发动机相比，柴油发动机的气缸压力通常较高，对燃烧室密封性能的要求亦更为严格，因此现代四冲程柴油发动机普遍采用提升阀控制气体交换。

提升阀通常采用带有锥形密封面的阀头，与气缸盖上的阀座紧密接触。当气阀关闭时，气缸内的气体压力通常会进一步将阀头压向阀座，增强密封效果，使燃烧室能够承受压缩及燃烧过程中的高压。气阀的开启则主要由凸轮轴驱动，透过配气机构克服气阀弹簧的作用力，使气阀按照预定的配气正时开启；当凸轮作用减弱后，气阀便在弹簧作用下重新关闭。

按照凸轮轴的安装位置，配气机构主要分为底置凸轮轴（OHV）及顶置凸轮轴（OHC）两种形式。大型柴油发动机及部分商用车柴油发动机，尤其是采用独立气缸盖的机型，较常使用底置凸轮轴与推杆式配气机构，其坚固的结构较为适合重型发动机的设计及维修需求。

燃烧系统

燃烧过程

压燃式发动机的燃烧过程在物理与化学机理上与点燃式发动机存在本质差异。当活塞接近压缩行程终点时，燃料喷射系统将高压液态柴油透过喷油嘴微孔高速喷入气缸，迅速雾化为微小液滴并深入气缸内的高温高压空气中。液态燃料液滴吸收热量蒸发为气态，并与周围空气混合；当此高温油气混合气经过数个曲轴转角（Crank-angle degrees，CAD）的滞燃期（Ignition delay）后，即发生自燃并开启燃烧过程。随着初期已混合油气的快速燃烧，气缸内压力与温度急剧上升，进一步压缩未燃气体，从而缩短后续油气的蒸发与着火延迟时间。喷油过程持续进行，直至预定喷油量完全进入气缸，而雾化、蒸发、油气混合与燃烧等步骤亦同步并行；此外，气缸内剩余空气与已燃或未完全燃烧气体的混合会贯穿整个燃烧与膨胀行程。因此，在柴油机燃烧的大部分时间内，燃料的燃烧速率主要受燃料与空气的混合速率影响。

燃油喷射系统

基本原理

燃料喷射系统的作用在于依据当前发动机转速与负载，精确计量各气缸每循环所需的供油量，并在合适的曲轴转角以精确的流率及对应燃烧室形状的喷雾形态将燃料喷入气缸。柴油发动机的燃料喷射过程主要依赖喷油嘴孔道两侧巨大的压差来完成，当燃料喷入气缸时，缸内压力通常介于50至100巴之间，而依据发动机尺寸与燃烧系统类型，喷射压力往往高达1,000至2,000巴以上。巨大的压差能确保高速喷出的液态燃料具备足够动能，使燃料雾化为微小液滴以促进快速蒸发，其次是让燃料在极短的燃烧行程时间内横贯整个燃烧室，从而充分利用气缸内的空气。

喷油嘴的结构直接决定燃料的破裂雾化、液滴生成以及对气缸内空气的覆盖率。传统两气门发动机因受限于进排气门布局，喷油嘴只能偏心安装于气缸及活塞顶凹腔上方；虽然透过非对称喷孔与不同孔径设计可改善空气覆盖，但受制于制造加工成本，通常采用调整各喷孔倾角的方式，以确保燃料击中凹腔壁面的同一高度，但这也会导致喷嘴内部的流场特性恶化，使各喷束间的雾化程度出现差异。

冷却系统

基本原理

柴油机的有效热效率取决于发动机尺寸、工作原理及燃烧系统等因素，一般可将燃料所含能量的约30%至50%转化为有效机械功，其余能量主要透过废气及冷却系统以热量形式散失，只有少部分经发动机表面以对流及辐射方式传递至环境。冷却系统除了带走气缸及气缸盖的热量，亦可能包括机油冷却器及增压空气中间冷却器的散热负荷。此外，这些余热也可用于供暖或其他热能回收用途，例如汽车常利用暖风加热器芯，将发动机冷却液的热量加热空气，再由鼓风机将热风吹入车厢。

柴油机冷却系统的主要作用，是将活塞、气缸盖、气缸套及其他高温零件维持在适当的工作温度，以确保材料强度、控制热膨胀、维持机油性能，并防止过度磨损及高温腐蚀。适当冷却亦有助于改善气缸充气效率、控制燃油消耗及废气排放，并保障发动机运行安全。1980年代，康明斯和美国陆军曾有研究尝试利用陶瓷隔热材料开发近乎绝热的陶瓷柴油发动机，以减少冷却损失，但实验显示，过高的燃烧室壁面温度可能导致充气效率下降、零件热负荷增加及氮氧化物排放恶化，燃油经济性亦未如预期般改善。

燃料

燃料类型

19世纪末，鲁道夫·狄塞尔研制压燃式内燃机时，发现汽油的高抗自燃特性不利于其设计所要求的压缩点火燃烧。经过对不同燃料的试验，石油中间馏分油（middle distillates）逐渐成为较适合柴油发动机使用的燃料。这类石油产品的蒸馏温度范围一般高于汽油，早期主要用作灯油及城市煤气的增热原料，因此亦被称为“瓦斯油”（gas oil），该名称至今仍用于部分石油产品分类。在炼油工业发展初期，属于中间馏分的柴油曾被视为汽油生产过程中的副产品。随着柴油发动机在交通运输、工业及船舶领域广泛应用，柴油逐渐成为具有独立市场需求的重要石油产品。

压燃式发动机原则上可使用多种燃料，但燃料必须具备适当的自燃特性及化学特性，包括黏度、密度、挥发性、润滑性、氧化安定性、洁净度、低温流动性、热值及着火性能等，并需与发动机的燃油喷射、燃烧及供油系统相配合。发动机制造商可透过调整燃油喷射系统、燃烧室设计及燃料处理装置，使柴油发动机适应不同燃料。

环境影响

污染物排放

在理想的完全燃烧条件下，碳氢化合物燃料与氧气反应，释放热能并生成二氧化碳（CO₂）及水（H₂O），两者的生成比例取决于燃料的氢碳原子比。不论是柴油抑或汽油，在理想的理论空燃比燃烧反应下，燃料与氧气反应会完全转化为二氧化碳与水，其理论化学当量燃烧反应为： CₓH_(y)+(x+y/4)O₂→ xCO₂+y/2H₂O

燃烧产生的水一般不会直接造成空气污染，而二氧化碳虽然在一般环境浓度下无明显毒性，却是重要的温室气体。因此，在其他条件相同的情况下，降低发动机的比燃油消耗率（specific fuel consumption），通常有助减少每单位输出功所产生的二氧化碳排放。

然而，发动机实际燃烧过程均无法达致理想状态，从而产生其他有害环境的副产物，包括一氧化碳（CO）、未燃烧碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOₓ）、悬浮粒子（PM）及硫氧化物（SOₓ）。其中，一氧化碳、未燃烧碳氢化合物及碳烟主要与燃油不完全燃烧有关；氮氧化物则主要在高温燃烧条件下，由空气中的氮和氧发生反应而形成。