柴油機(jī)的基本工作原理

本文格式為Word版，下載可任意編輯——柴油機(jī)的基本工作原理重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院

柴油機(jī)的基本工作原理論文

柴油機(jī)是以柴油作燃料的壓燃式內(nèi)燃機(jī)。工作時(shí)，空氣在氣缸內(nèi)被壓縮而產(chǎn)生高溫，使噴入的柴油自行著火燃燒，產(chǎn)生高溫、高壓的燃?xì)?，燃?xì)馀蛎浲苿?dòng)活塞作功，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功。柴油機(jī)的工作循環(huán)由進(jìn)氣、壓縮、噴油著火燃燒、膨脹作功和排氣等過(guò)程組成。這些過(guò)程可以由四沖程柴油機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可由二沖程柴油機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

一、四沖程柴油機(jī)（非增壓）的工作原理

圖1-2-1所示是四沖程柴油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)圖。工作時(shí)活塞作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，曲軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?；钊淖冞\(yùn)動(dòng)方向瞬時(shí)的位置稱止點(diǎn)（死點(diǎn)），止點(diǎn)處的活塞瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)速度為零。離曲軸中心最遠(yuǎn)時(shí)的止點(diǎn)稱上止點(diǎn)（T.D.C.），最近時(shí)的止點(diǎn)稱下止點(diǎn)（B.D.C.）。

曲柄銷中心與主軸頸中心之間的距離稱曲柄半徑R。連桿大、小端中心間的距離稱連桿長(zhǎng)度L。

上、下止點(diǎn)間的距離稱活塞行程（沖程）S。活塞行程等于曲柄半徑的兩倍，即S=2R。

活塞在上、下止點(diǎn)間移動(dòng)所掃過(guò)的容積稱氣缸工作容積VS。

Vs??D2?S（1-2-1）

4式中，D為氣缸直徑（缸徑）。

活塞位于上止點(diǎn)時(shí)活塞頂與氣缸蓋之間的氣缸容積，稱燃燒室容積（壓縮室容積、余隙容積）Vc。氣缸總?cè)莘eVa與燃燒室容積之比稱壓縮比?。??Va?Vs?Vc?1?Vs（1-2-2）

VcVcVc

圖1-2-1四沖程柴油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

顯然壓縮比是一個(gè)幾何概念，它與柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。

用四個(gè)行程（曲軸回轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)）完成一個(gè)工作循環(huán)的柴油機(jī)稱四沖程柴油機(jī)。

圖1-2-2是四沖程柴油機(jī)的工作原理簡(jiǎn)圖。圖的上部表示四個(gè)行程中活塞、連桿、曲軸及氣閥的相對(duì)位置。圖的下部表示相對(duì)應(yīng)的氣缸內(nèi)氣體壓力隨氣缸容積的變化狀況，稱p-V示功圖。

1．進(jìn)氣行程

活塞從上止點(diǎn)下行，進(jìn)氣閥開(kāi)啟。由于活塞下行的抽吸作用，新鮮空氣充入氣缸。為了能充入更多的空氣，進(jìn)氣閥一般在上止點(diǎn)前提前開(kāi)啟（曲柄位于點(diǎn)1），在下止點(diǎn)后延遲關(guān)閉（曲柄位于點(diǎn)表1-2-1自燃溫度隨壓縮壓力的變化2），氣閥開(kāi)啟的延續(xù)角（圖中陰影線部分）約為220?～壓縮壓力自燃溫度t(℃)250?CA。p(MPa)

c0.12.84.2270~2902041952船舶柴油機(jī)

2．壓縮行程

活塞從下止點(diǎn)上行，進(jìn)、排氣閥均關(guān)閉。上行的活塞對(duì)缸內(nèi)的空氣進(jìn)行壓縮，使其溫度和壓力均不斷升高（曲線2-3）。壓縮終點(diǎn)的壓力pc約為3～6MPa；溫度tc約為500～700℃。燃油自燃溫度遠(yuǎn)低于此值，自燃溫度隨壓縮壓力而變，輕柴油自燃溫度如表1-2-1所示。

在上止點(diǎn)（壓縮終點(diǎn)）附近，燃油經(jīng)噴油器以霧化的狀態(tài)噴入燃燒室，并在高溫高壓空

圖1-2-2四沖程柴油機(jī)工作原理圖氣的作用下，開(kāi)始自行發(fā)火燃燒。3．膨脹行程

在此行程的初期，燃燒仍在猛烈地進(jìn)行，使缸內(nèi)的壓力和溫度都急劇升高，其最大值分別可達(dá)6MPa和1500～2000℃左右。在高溫高壓燃?xì)獾淖饔孟?，活塞向下運(yùn)動(dòng)作功，在上止點(diǎn)后某一時(shí)刻（圖中點(diǎn)4），燃燒基本終止，但高溫高壓燃?xì)饫^續(xù)膨脹作功推動(dòng)活塞下行。當(dāng)活塞到達(dá)下止點(diǎn)前某一時(shí)刻（圖中點(diǎn)5），排氣閥開(kāi)啟，排氣過(guò)程開(kāi)始。此時(shí)，氣缸內(nèi)的壓力pb約為0.3～0.6MPa，溫度tb約為600～700℃?；钊麆t繼續(xù)下行到下止點(diǎn)。4．排氣行程

活塞由下止點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)，排氣閥繼續(xù)開(kāi)啟著，上行的活塞將氣缸內(nèi)的廢氣強(qiáng)行推擠出去。為了實(shí)現(xiàn)充分排氣和減少排氣過(guò)程中所消耗的功，排氣閥不但在下止點(diǎn)前提前開(kāi)啟，而且要在排氣行程終止的上止點(diǎn)后才關(guān)閉（圖中點(diǎn)6）。排氣閥開(kāi)啟的延續(xù)角度（5-6）約為230?～260?CA。

綜上所述，在四沖程柴油機(jī)中，要經(jīng)歷進(jìn)氣、壓縮、膨脹、排氣等四個(gè)行程才完成一個(gè)

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工作循環(huán)；與此相應(yīng)的是曲軸回轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)，即720?曲軸轉(zhuǎn)角。而且，在四個(gè)行程中，只有膨脹行程才作功，其余三個(gè)行程都要消耗功。因此，在單缸柴油機(jī)中，必需有一個(gè)足夠大的飛輪來(lái)供給這三個(gè)行程所需的能量；而在多缸柴油機(jī)中，則藉助于其他氣缸膨脹作功過(guò)程來(lái)供給。

此外，柴油機(jī)由停車狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)，必需藉助外源能量的驅(qū)動(dòng)使其起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，直至噴入氣缸的燃油自發(fā)火燃燒，柴油機(jī)才能自行運(yùn)轉(zhuǎn)。

四沖程柴油機(jī)的進(jìn)、排氣閥的啟閉都不正好在上、下止點(diǎn)，而是在上、下止點(diǎn)前后某一時(shí)刻。它們的開(kāi)啟持續(xù)角均大于180?CA。進(jìn)、排氣閥在上、下止點(diǎn)前后啟閉的時(shí)刻稱為氣閥正時(shí)（定時(shí)），尋常氣閥正時(shí)用距相應(yīng)止點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角（?CA）表示。用曲軸轉(zhuǎn)角表示氣閥正時(shí)的圓圖稱氣閥正時(shí)（定時(shí)）圓圖，如圖1-2-3所示。

在圖1-2-3中，進(jìn)氣閥在上止點(diǎn)前點(diǎn)1開(kāi)啟，在下止點(diǎn)后點(diǎn)2關(guān)閉。其與相應(yīng)止點(diǎn)的夾角φ1、φ2分別稱進(jìn)氣提前角、進(jìn)氣滯后角。排氣閥在下止點(diǎn)前點(diǎn)5開(kāi)啟，在上止點(diǎn)后點(diǎn)6關(guān)閉，其與相應(yīng)止點(diǎn)的夾角φ3、φ4分別稱為排氣提前角、排氣滯后角。

（1）排氣閥提前開(kāi)：排氣閥開(kāi)啟初期其通道截面積很小，滾動(dòng)阻力很大。假使排氣閥太接近下止點(diǎn)時(shí)才開(kāi)啟，提前開(kāi)啟的角度太小，廢氣排出不暢，會(huì)造成活塞上行推出廢氣消耗的功增大。剩余廢氣量增加。但排氣閥提前開(kāi)啟角也不能太大，否則會(huì)使氣體膨脹功損失過(guò)大。（2）排氣閥滯后關(guān)：排氣閥的滯后關(guān)一方面使活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)，排氣閥仍有足夠通道截面，有利于廢氣的排出；另一方面，由于利用了排氣流的慣性，可使廢圖1-2-3四沖程柴油機(jī)氣閥正時(shí)圓氣排得更清白。

（3）進(jìn)氣閥提前開(kāi)：進(jìn)氣閥提前開(kāi)除了使進(jìn)氣沖程開(kāi)始時(shí)有較大的通道截面，以減少進(jìn)氣阻力，增加進(jìn)氣量，還可形成進(jìn)排氣閥疊開(kāi)，對(duì)燃燒室進(jìn)行掃氣，減少剩余廢氣量，增加進(jìn)氣量。

（4）進(jìn)氣閥滯后關(guān)：進(jìn)氣閥延遲在下止點(diǎn)后關(guān)閉，一方面使活塞在下止點(diǎn)附近時(shí)進(jìn)氣閥仍有足夠開(kāi)度。另一方面還可充分利用進(jìn)氣流的慣性而吸入更多空氣?？傊瑲忾y提前開(kāi)啟與延后關(guān)閉是為了將廢氣排除清白并增加空氣的吸入量，以利于燃油的燃燒，另外排氣提前還可減少排氣耗功。因此，各機(jī)型（對(duì)應(yīng)常用轉(zhuǎn)速）有一最正確正時(shí)。按此正時(shí)工作，柴油機(jī)充入新氣最多，性能最好。機(jī)型不同，正時(shí)也不同。正時(shí)圓圖在柴油機(jī)使用說(shuō)明書(shū)中均有給出，不允許任意改變。經(jīng)常要以它為依據(jù)檢查調(diào)整氣閥正時(shí)。燃油噴射也有正時(shí)要求，也可畫在這個(gè)圖上。

由圖1-2-3還可看出，在上止點(diǎn)前后進(jìn)氣閥與排氣閥同時(shí)開(kāi)啟著，同一氣缸的進(jìn)、排氣閥同時(shí)開(kāi)啟的曲軸轉(zhuǎn)角稱為氣閥重疊角。在氣閥疊開(kāi)期間，進(jìn)氣管、氣缸、排氣管連通，這樣有助于廢氣的排出和新氣的流入。此時(shí)利用廢氣滾動(dòng)慣性的抽吸作用，除可避免廢氣倒沖

表1-2-2四沖程柴油機(jī)氣閥重疊角

名稱

非增壓增壓4船舶柴油機(jī)

開(kāi)啟關(guān)閉開(kāi)啟關(guān)閉進(jìn)氣閥上止點(diǎn)前15?～30?下止點(diǎn)后10?～30?上止點(diǎn)前40?～80?下止點(diǎn)后20?～40?排氣閥下止點(diǎn)前35?～45?上止點(diǎn)后10?～20?下止點(diǎn)前40?～55?上止點(diǎn)后40?～50?重疊角25?～50?80?～130?入進(jìn)氣管外，尚可將新鮮空氣吸進(jìn)氣缸，并利用此壓力差用新氣將燃燒室內(nèi)的廢氣掃出氣缸，實(shí)現(xiàn)所謂燃燒室掃氣。此時(shí)不但可提高換氣質(zhì)量，還可利用進(jìn)氣冷卻燃燒室零件的高溫表面。因而，四沖程柴油機(jī)均有一定的氣閥重疊角，而且增壓柴油機(jī)的氣閥重疊角均大于非增壓機(jī)。如表1-2-2所示。

二、二沖程柴油機(jī)的基本工作原理

用兩個(gè)行程（曲軸回轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)）完成一個(gè)工作循環(huán)的柴油機(jī)稱二沖程柴油機(jī)。

二沖程柴油機(jī)與四沖程柴油機(jī)不同，其氣缸上設(shè)有氣口，圖1-2-4中氣缸右側(cè)為排氣口，左側(cè)為進(jìn)氣口。排氣口比進(jìn)氣口略高，進(jìn)排氣口的開(kāi)關(guān)均由活塞控制。此外，二沖程柴油機(jī)設(shè)有掃氣泵。掃氣泵預(yù)先將空氣壓縮并送入掃氣箱中，掃氣箱中的空氣壓力（掃氣壓力）要比大氣壓力稍高。

圖1-2-4二沖程柴油機(jī)工作原理圖

1．換氣—壓縮行程

活塞由下止點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)。在活塞遮住進(jìn)氣口之前，新鮮空氣通過(guò)進(jìn)氣口不斷充入氣缸并將氣缸內(nèi)的廢氣經(jīng)排氣口驅(qū)除出去。當(dāng)活塞上行到將進(jìn)氣口全部遮閉時(shí)（點(diǎn)l），新鮮空氣中止進(jìn)入氣缸。當(dāng)排氣口被活塞遮閉后（點(diǎn)2），氣缸內(nèi)的空氣就被上行的活塞壓縮，壓力和溫

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度亦隨之升高。在活塞到達(dá)上止點(diǎn)前的某一時(shí)刻（點(diǎn)2’），柴油經(jīng)噴油器噴入氣缸，并與高溫高壓空氣混合后著火燃燒。

在這一行程中，進(jìn)行了換氣（曲線0-1-2）、壓縮（曲線2-3）和噴油著火燃燒諸過(guò)程。2．膨脹—換氣行程

活塞由上止點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)。在此行程的初期，燃燒仍在猛烈地進(jìn)行，到點(diǎn)4才基本終止。高溫高壓的燃?xì)馀蛎浲苿?dòng)活塞下行作功。當(dāng)活塞下行將排氣口開(kāi)啟時(shí)（點(diǎn)5），由于此時(shí)缸內(nèi)的燃?xì)獾膲毫蜏囟热暂^高，分別為0.25～0.6MPa和600～800℃，因而氣缸內(nèi)燃?xì)饨逯跉飧變?nèi)外的壓差經(jīng)排氣口高速排出，缸內(nèi)的壓力也隨之下降。當(dāng)缸內(nèi)壓力下降到接近掃氣壓力時(shí)，下行的活塞將進(jìn)氣口開(kāi)啟（點(diǎn)6），新鮮空氣便通過(guò)進(jìn)氣口充入氣缸，并對(duì)氣缸內(nèi)進(jìn)行掃氣，將氣缸內(nèi)的廢氣經(jīng)排氣口驅(qū)除出去。這個(gè)過(guò)程一直要延續(xù)到下一個(gè)循環(huán)活塞再次上行將進(jìn)氣口關(guān)閉時(shí)為止，稱為掃氣過(guò)程。

在這一行程中，進(jìn)行了燃燒與膨脹（曲線3-4-5）、排氣（曲線5-6）和部分掃氣（曲線6-0）過(guò)程。

由此可見(jiàn)，與四沖程柴油機(jī)相比，二沖程柴油機(jī)是將進(jìn)氣和排氣過(guò)程合并到壓縮與膨脹行程中進(jìn)行，從而省略兩個(gè)行程。因此，二沖程柴油機(jī)在曲軸回轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)中就可以完成一個(gè)工作循環(huán)。在氣缸直徑、活塞行程與轉(zhuǎn)速一致的條件下，二沖程柴油機(jī)的功率似乎應(yīng)為四沖程柴油機(jī)的2倍；但實(shí)際上，由于二沖程柴油機(jī)的氣口使其有效行程減少等原因，其功率約為四沖程柴油機(jī)的1.6～1.8倍。

三、增壓柴油機(jī)的基本工作原理

提高柴油機(jī)的進(jìn)氣壓力，可使進(jìn)氣的密度增加，從而達(dá)到在同樣的氣缸容積中充進(jìn)更多的空氣量，以便噴入燃燒更多的燃油，作出更多的功來(lái)。這種用提高進(jìn)氣壓力來(lái)提高柴油機(jī)功率的方法稱為“增壓〞。預(yù)先對(duì)新鮮空氣進(jìn)行壓縮的壓氣機(jī)，有直接由柴油機(jī)的曲軸通過(guò)齒輪等機(jī)械驅(qū)動(dòng)的方式，這種增壓方式稱機(jī)械增壓；也有用柴油機(jī)氣缸排出的廢氣的能量

在渦輪機(jī)中膨脹作功，由渦輪機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)的方式，

圖1-2-5廢氣渦輪增壓四沖程柴油機(jī)

稱廢氣渦輪增壓。

工作簡(jiǎn)圖

圖1-2-5是廢氣渦輪增壓四沖程柴油機(jī)