在熱力過程中，只有在工質膨脹過程才具有做功能力。需要使工質恢復到初始狀態并反復進行膨脹，發電機才能連續不斷地產生機械功。因此，柴油發電機必須經過進氣、壓縮、膨脹、排氣四個熱力過程以后，才能恢復到起始狀態，使柴油發電機連續不斷地產生機械功。四個熱力過程就稱為一個工作循環。
如果柴油發電機活塞走完四個沖程才完成一個工作循環，則稱為四沖程柴油發電機。如果活塞走完兩個沖程就完成一個工作循環，則稱為二沖程柴油發電機。柴油發電機組常用四沖程柴油發電機。
四沖程柴油發電機的工作過程
（1）進氣沖程。進氣沖程的目的是吸人新鮮空氣，為燃料燃燒作好準備，要實現進氣，缸內與缸外要形成壓差。因此，此沖程排氣門關閉，進氣門打開，活塞由上止點向下止點移動，活塞上方的氣缸內的容積逐漸擴大，壓力降低，缸內氣體壓力低于大氣壓力約為68一93kPa。在大氣壓力的作用下，新鮮空氣經進氣門被吸人氣缸，活塞到達下止點時，進氣門關閉，進氣沖程結束。
（2）壓縮沖程。壓縮沖程的目的是提高氣缸內空氣的壓力和溫度，為燃料燃燒創造條件。由于進、排氣門都已關閉，氣缸內的空氣被壓縮，壓力和溫度亦隨之升高，其升高的程度，取決于被壓縮的程度，不同的柴油發電機略有不同。當活塞接近上止點時，缸內空氣壓
（3）膨脹（做功）沖程。當活塞上行將終了時，噴油器開始將柴油噴入氣缸，與空氣混合成可燃混合氣，并立即自燃，此時，氣缸內的壓力迅速上升到約6000一9000kPa，溫度高達1800-2200℃。在高溫、高壓氣體的推力作用下，活塞向下止點運動并帶動曲軸旋轉而做功。隨著氣體膨脹活塞下行其壓力逐漸降低，直到排氣門被打開為止。
（4）排氣沖程。排氣沖程的目的是清除缸內的廢氣。做功沖程結束后，缸內的燃氣已成為廢氣，溫度下降到800～900℃，壓力下降到294-392kPa。此時，排氣門打開，進氣門仍關閉，活塞從下止點向上止點移動，在缸內殘存壓力和活塞推力的作用下，廢氣被排出缸外。當活塞又到上止點時，排氣過程結束。
排氣過程結束后，排氣門關閉，進氣門又打開，重復進行下一個循環。這樣，柴油發電機周而復始地對外做功。
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