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四冲程柴油机的工作循环如图1所示，曲轴旋转两周（720°），即活塞往复运动4个冲程中，完成了进气、压缩、工作、排气这4个过程。
1.进气冲程
活塞由上止点移向下止点，这时进气门打开，排气门关闭，活塞向下移动，汽缸内的压力低于大气压，汽缸外的空气就经过进气门被吸入汽缸内，活塞到达下止点时，活塞上方充满了空气。
2.压缩冲程
活塞由下止点移向上止点，进气门和排气门均关闭，汽缸里空气被压缩。压缩冲程完成后，缸内空气压强可达到30～50kg/cm2，温度达到600～700℃。
3.工作冲程
压缩冲程结束后，活塞到达上止点，进、排气门仍然关闭，汽缸顶部的喷油嘴开始向汽缸内喷射柴油，并被高温气体点燃，汽缸内的温度和压力迅速上升，高温高压的气体在汽缸内膨胀，推动活塞移向下止点，通过连杆转动曲轴，产生动能。
4.排气冲程
工作冲程完毕，活塞由下止点移向上止点，进气门关闭，排气门打开，把工作后产生的废气从气缸中排出。
经过以上4个冲程，完成了柴油机的一个工作循环。
上述为单缸四冲程柴油机的一个循环过程，曲轴旋转两周，活塞上下运行两次，在X三冲程做功，而其他3个冲程由曲轴带动活塞移动。因此柴油机需要在曲轴上安装一个沉重的飞轮，利用飞轮的惯性来带动活塞完成其他3个冲程，曲轴转速不均匀。因此，功率较大的柴油机都采用多个汽缸的结构，以达到平稳的运行效果。
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