摘要：柴油机进排气系统是现代柴油机的“呼吸系统”，性能直接关系到发动机的动力性、经济性和环保性，它主要由进气系统、排气系统和关键连接部件组成。其工作流程是柴油机完成“吸气-压缩-做功-排气”四个冲程（即一个工作循环）的关键，这个周而复始的流程，实现了柴油机将柴油的化学能高效地转化为机械能的过程。

 

一、主要组成部分

 

1、进气系统

  进气系统的任务是提供充足、洁净、低温且高密度的空气给气缸。

（1）空气滤清器：过滤空气中的灰尘、杂质和其他颗粒物，防止它们进入发动机，造成气缸、活塞环和喷油器的异常磨损。是发动机的第一道保护屏障。

（2）涡轮增压器：这是柴油机的核心部件，用于提升功率和效率。它利用排气歧管排出的高温高压废气的能量，驱动涡轮机旋转，再通过同轴带动压气机叶轮高速旋转，从而压缩新鲜空气，提高进入气缸的空气密度。

（3）中冷器：空气被涡轮增压器压缩后，温度会显著升高，导致体积膨胀、密度下降。中冷器就像一个“散热器”，安装在增压器之后，用于冷却被压缩的热空气。冷却后的空气密度进一步增大，使得气缸内可以吸入更多氧气，从而允许喷射更多燃油，提升发动机功率并降低氮氧化物（NOx）的排放。

（4）进气歧管：将经过中冷器冷却后的新鲜空气，均匀地分配到发动机的各个气缸。

（5）进气门：在进气冲程时由凸轮轴驱动打开，允许高压空气进入气缸；在压缩和做功冲程时关闭，保证气缸的密封性。

2、排气系统

  排气系统的任务是高效、清洁地排出废气，并回收部分能量和净化污染物。

（1）排气门：在排气冲程时由凸轮轴驱动打开，允许燃烧后的废气排出气缸；在其他冲程时关闭，保证气缸密封。

（2）排气歧管：汇集所有气缸排出的高温高压废气，并将其集中导入到涡轮增压器的涡轮机端。

（3）涡轮增压器：如上所述，其涡轮机端是排气系统的起始驱动部件，利用废气能量为整个增压系统提供动力。

（4）后处理系统：这是满足现代严格排放法规的关键系统，用于净化废气中的主要有害物质。主要包括以下装置：

① 柴油氧化催化器（DOC）：通过催化氧化反应，将废气中的一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）转化为无害的二氧化碳（CO₂）和水（H₂O）。

② 柴油颗粒捕集器（DPF）：像一个“筛子”，用于捕捉和收集废气中的颗粒物（PM/黑烟）。当收集到一定量时，系统会通过高温将其烧掉，实现“再生”，保持畅通。

③ 选择性催化还原（SCR）：通过向排气管中喷射尿素水溶液（车用AdBlue），在催化剂作用下，将废气中主要的污染物氮氧化物（NOx）还原成无害的氮气（N₂）和水（H₂O）。

（5）消声器：降低高压废气排出时产生的巨大噪音，满足环保法规对噪音的要求。

3、关键连接与控制系统

  这些部件确保进排气系统能够智能、协调地工作。

（1）EGR阀（废气再循环阀）：将一部分排气歧管出来的废气重新引回进气系统，与新鲜空气混合后再次进入气缸。这可以降低燃烧室的最高温度，从而有效抑制氮氧化物（NOx）的生成。它是协调进排气的重要部件。

（2）传感器与电控单元（ECU）：现代电控柴油机的“大脑”和“神经”。通过各种传感器（如进气压力/温度传感器、排气压差传感器、NOx传感器等）收集数据，由ECU进行实时计算，然后精确控制喷油器、EGR阀、涡轮增压器废气旁通阀等执行器，使整个进排气系统始终工作在最佳状态。

 

图1  柴油机进排气原理图

 

二、详细工作流程

 

  柴油机的工作是连续不断的循环，我们以一个气缸为例，分解其（1）过程：

1、进气冲程

（1）过程：活塞从上止点向下止点运动，气缸内产生真空。

（2）气门状态：进气门打开，排气门关闭。

（3）空气路径：新鲜空气→空气滤清器→被涡轮增压器的压气机压缩→中冷器冷却→进气歧管→通过打开的进气门进入气缸。

（4）目的：尽可能多地向气缸内充入纯净、高密度的新鲜空气，为后续燃烧做准备。

2、压缩冲程

（1）过程：活塞从下止点向上止点运动。

（2）气门状态：进、排气门均关闭，形成密闭空间。

（3）过程描述：活塞将第一步吸入的空气剧烈压缩，使其体积缩小到原来的1/16至1/22（压缩比很高）。空气因压缩而温度急剧上升，达到500°C以上，远高于柴油的自燃点（约220°C）。

（4）目的：为柴油的自行着火创造高温高压条件。

3、膨胀冲程

（1）过程：在压缩冲程末段，活塞接近上止点时，喷油器以极高的压力将柴油雾化喷入高温高压的气缸中。

（2）燃烧：雾化的柴油与高温空气混合，自行着火燃烧（压燃式）。燃烧产生巨大的压力，推动活塞向下止点运动，通过连杆驱动曲轴旋转，输出动力。

（3）气门状态：进、排气门始终关闭，确保燃烧压力全部用于做功。

4、排气冲程

（1）过程：活塞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）废气路径：燃烧后的高温废气→被活塞推出并通过打开的排气门→进入排气歧管→高速冲击涡轮增压器的涡轮，使其旋转→进入后处理系统（DOC→DPF→SCR）进行净化→最终经消声器排入大气。

（4）目的：排出已做功的废气，并为下一个进气冲程清空气缸。

（5）关键点：排气冲程中排出的高速、高压废气驱动涡轮，涡轮又通过同轴驱动另一端的压气机，为进气冲程压缩新鲜空气。这就是“涡轮增压”的核心，它巧妙地回收了部分废气能量，提升了发动机的效率和功率。

 

图2  柴油机进排气系统工作流程示意图

 

总结：

柴油机的进排气系统是一个精密、高效的能量转换和环保处理系统。其工作流程可以概括为进气（空气→滤清→增压→冷却→进入气缸）和排气（废气排出气缸→驱动涡轮→经过后处理净化→排入大气）。这个系统通过涡轮增压实现了能量的回收利用，通过复杂的后处理系统实现了清洁排放，是现代柴油机技术含量的集中体现。

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