摘要：柴油机工作原理是通过压缩空气产生高温，引燃喷入的柴油，利用燃烧膨胀做功，是一种高效、高扭矩的压燃式发动机。而外特性曲线是发动机在全负荷下的性能“身份证”，展示了其扭矩、功率和油耗随转速变化的规律，是发电机组匹配和设计的重要依据。简单来说，工作原理决定了其外特性曲线的独特形态，两者是“因果”关系。

 

一、柴油机工作原理

 

  柴油机是一种压燃式内燃机，其核心原理是利用空气被压缩后产生的高温来点燃燃油。

1、压燃

  与汽油机（通过火花塞点火）不同，柴油机没有火花塞。它通过将空气压缩到远高于柴油自燃温度（约220°C）的高温，然后喷入柴油，柴油与高温空气接触后自行燃烧。

2、工作循环（四冲程柴油机）

  四冲程柴油机完成一个工作循环需要活塞往复四个冲程，即曲轴旋转两圈（720°）。这四个冲程分别是：

（1）进气冲程

① 活塞运动：从上止点向下止点运动。

② 气门状态：进气门打开，排气门关闭。

③ 过程：活塞下行，在气缸内产生真空，将纯净的空气吸入气缸。

④ 终点状态：气缸内充满新鲜空气。

（2）压缩冲程

① 活塞运动：从下止点向上止点运动。

② 气门状态：进、排气门均关闭。

③ 过程：活塞上行，压缩气缸内的空气。柴油机的压缩比非常高（通常为14:1到22:1），这使得空气被压缩后，压力达到3-5MPa，温度急剧升高至500°C以上，远超柴油的自燃点。

（3）做功冲程（燃烧与膨胀）

① 活塞运动：从上止点附近开始，向下止点运动。

② 气门状态：进、排气门均关闭。

③ 过程：如图1所示，在压缩冲程即将结束时，喷油器以极高的压力将雾化的柴油精确喷入高温高压的气缸。柴油油滴与高温空气混合后迅速自燃，燃烧过程开始。而剧烈的燃烧产生极高的压力（5-10MPa），推动活塞向下运动，通过连杆将力传递给曲轴，转化为旋转的机械能。这是柴油机输出动力的唯一冲程。

（4）排气冲程

① 活塞运动：从下止点向上止点运动。

② 气门状态：排气门打开，进气门关闭。

③ 过程：活塞上行，将燃烧后产生的废气从排气门推出气缸外。

④ 终点状态：为下一个循环的进气冲程做好准备。

  混合气形成方式是在压缩行程终点才将燃油喷入气缸，形成“边混合、边燃烧”的扩散燃烧模式。这使得柴油机可以在高空燃比（过量空气系数>1）下工作，燃油经济性好。

 

图1  发动机做功原理图

 

二、工作原理如何塑造外特性曲线

 

  柴油机的压燃、质调节、高压缩比等工作原理，直接塑造了其外特性曲线上扭矩、功率和燃油消耗率的走势。而外特性曲线是衡量发动机性能的重要图谱，它表示在燃油供给系统处于最大供油量位置时，发动机的有效功率（Pe）、扭矩（Tq）和燃油消耗率（be）随转速（n）变化的关系，如图2所示。简单来说，它就是发动机“全力工作时”的性能表现。

1、扭矩曲线

（1）工作原理根源：

① 质调节：柴油机的功率输出是通过控制每循环喷油量的多少来实现的（即改变混合气的“质”），而进气量基本不变。在外特性上，喷油泵齿条位于最大位置，每循环的最大供油量是基本固定的。

② 压燃与充气效率：扭矩的大小取决于燃烧产生的压力，而压力来源于燃油燃烧放出的热量（即供油量）和空气的利用效率（充气效率）。

（2）对扭矩曲线的影响：

① 中低速区（扭矩峰值区）：在中等转速下，发动机的充气效率最高。有足够的空气与固定的最大油量混合，燃烧非常充分、高效。因此，在这个转速区间能产生最大的扭矩。

② 高速区（扭矩下降区）：当转速进一步升高，进气时间缩短，气流阻力增大，导致充气效率下降。虽然每秒钟的循环次数多了，但每个循环进入的空气反而减少，导致固定的油量无法完全燃烧，燃烧效率下降。因此，扭矩开始下降。

  由于“固定供油量”和“充气效率随转速变化”的共同作用，柴油机的扭矩曲线不像汽油机那样有一个尖锐的峰值，而是在一个较宽的转速范围内都保持很高的数值，表现为平坦而宽阔的扭矩平台。这正是柴油机牵引力强、适合重载的根本原因。

2、功率曲线

（1）工作原理根源：功率=扭矩×转速。既然柴油机的扭矩在达到峰值后随转速升高而下降，这就限制了功率的增长。

（2）对功率曲线的影响：

① 在低速到中速区间，扭矩基本稳定，转速上升，所以功率快速线性增长。

② 进入高速区间后，扭矩开始明显下降，抵消了部分因转速上升带来的功率增益。因此，柴油机的功率曲线在高速区增长非常平缓，并更早地达到峰值功率。

③ 柴油机一般不会设计得像汽油机那样有很高的转速，因为过高的转速会严重恶化充气效率和燃烧质量。

3、燃油消耗率曲线

（1）工作原理根源：

① 高压缩比：柴油机的高压缩比（14:1至22:1）带来了更高的热效率（根据奥托循环理论，压缩比越高，热效率越高）。这是柴油机省油的先天优势。

② 过量空气燃烧：柴油机在全负荷时，其空燃比仍然远大于理论空燃比（即空气总是过量的）。这确保了燃油能够充分燃烧，减少了燃烧损失。

（2）对燃油消耗率曲线的影响：

① 最低油耗点：通常出现在接近最大扭矩转速的中等负荷区间。此时，充气效率高，燃烧完全，机械损失相对较小，综合效率最高。

② “碗形”曲线：低速时，燃烧室内气流运动弱，油气混合不佳，燃烧不完善，效率低，油耗高；高速时，机械损失（如摩擦损失、泵气损失）急剧增加，虽然燃烧时间短可能不充分，导致有效效率下降，油耗增高。因此，油耗曲线呈现典型的中间低、两头高的“碗形”。

 

图2  柴油发动机外特性曲线

 

总结：

柴油机的外特性曲线是其工作原理在全负荷、不同转速下的性能外在表现。正是由于其独特的压燃方式、质调节的控制方法和高压缩比的结构设计，才共同造就了其外特性曲线上“扭矩平台宽”、“功率曲线缓”和“油耗碗形深”的典型特征。这些特征使得柴油机在需要大扭矩、高经济性的场合中具有不可替代的优势，理解这种内在关系，对于柴油发电机组的动力匹配、机房设计和日常操作都具有重要的指导意义。

-------------------------------
维修与技术支持：
康明斯（Cummins）作为全球知名品牌，其柴油发电机组故障诊断技术结合了机械、电子和智能系统的综合分析方法，能够快速定位问题并减少停机时间。