柴油機工作原理

四沖程柴油機的工作原理柴油機的工作是由進氣、壓縮、燃燒膨脹和排氣這四個過程來完成的，這四個過程構成了一個工作循環(huán)。活塞走四個過程才能完成一個工作循環(huán)的柴油機稱為四沖程柴油機?，F(xiàn)對照上面的動畫了說明它的工作理原。

一.進氣沖程

第一沖程——進氣，它的任務是使氣缸內(nèi)充滿新鮮空氣。當進氣沖程開始時，活塞位于上止點，氣缸內(nèi)的燃燒室中還留有一些廢氣。

當曲軸旋轉肘，連桿使活塞由上止點向下止點移動，同時，利用與曲軸相聯(lián)的傳動機構使進氣閥翻開。

隨著活塞的向下運動，氣缸內(nèi)活塞上面的容積逐漸增大：造成氣缸內(nèi)的空氣壓力低于進氣管內(nèi)的壓力，因此外面空氣就不斷地充入氣缸。

進氣過程中氣缸內(nèi)氣體壓力隨著氣缸的容積變化的情況如動畫所示。圖中縱坐標表示氣體壓力P，橫坐標表示氣缸容積Vh(或活塞的沖S)，這個圖形稱為示功圖。圖中的壓力曲線表示柴油機工作時，氣缸內(nèi)氣體壓力的變化規(guī)律。從土中我們可以看出進氣開始，由于存在剩余廢氣，所以稍高于大氣壓力P0。在進氣過程中由于空氣通過進氣管和進氣閥時產(chǎn)生流動阻力，所以進氣沖程的氣體壓力低于大氣壓力，其值為0.085～0.095MPa，在整個進氣過程中，氣缸內(nèi)氣體壓力大致保持不變。

當活塞向下運動接近下止點時，沖進氣缸的氣流仍具有很高的速度，慣性很大，為了利用氣流的慣性來提高充氣量，進氣閥在活塞過了下止點以后才關閉。雖然此時活塞上行，但由于氣流的慣性，氣體仍能充人氣缸。

二.壓縮沖程

第二沖程——壓縮。壓縮時活塞從下止點間上止點運動，這個沖程的功用有二，一是提高空氣的溫度，為燃料自行發(fā)火作準備：二是為氣體膨脹作功創(chuàng)造條件。當活塞上行，進氣閥關閉以后，氣缸內(nèi)的空氣受到壓縮，隨著容積的不斷細小，空氣的壓力和溫度也就不斷升高，壓縮終點的壓力和濕度與空氣的壓縮程度有關，即與壓縮比有關，一般壓縮終點的壓力和溫度為：Pc＝4～8MPa,Tc＝750～950K。

柴油的自燃溫度約為543—563K，壓縮終點的溫度要比柴油自燃的溫度高很多，足以保證噴入氣缸的燃油自行發(fā)火燃燒。

噴入氣缸的柴油，并不是立即發(fā)火的，而且經(jīng)過物理化學變化之后才發(fā)火，這段時間大約有0.001～0.005秒，稱為發(fā)火延遲期。因此，要在曲柄轉至上止點前10～35°曲柄轉角時開始將霧化的燃料噴入氣缸，并使曲柄在上止點后5～10°時，在燃燒室內(nèi)到達最高燃燒壓力，迫使活塞向下運動。

三.燃燒膨脹沖程

第三沖程——燃燒膨脹。在這個沖程開始時，大局部噴入燃燒室內(nèi)的燃料都燃燒了。燃燒時放出大量的熱量，因此氣體的壓力和溫度便急劇升高，活塞在高溫高壓氣體作用下向下運動，并通過連稈使曲軸轉動，對外作功。所以這一沖程又叫作功或工作沖程。

隨著活塞的下行，氣缸的容積增大，氣體的壓力下降，工作沖程在活塞行至下止點，排氣閥翻開時結束。

在動畫中，工作沖程的壓力變化這條線上升局部表示燃料在氣缸內(nèi)燃燒時壓力的急劇升高，最高點表示最高燃燒壓力Pz，此點的壓力和溫度為：

Pz＝6～15MPa，Tz＝1800～2200K

最高燃燒壓力與壓縮終點壓力之比(Pz／Pc)，稱為燃燒時的壓力升高比，用λ表示。根據(jù)柴油機類型的不同，在最大功牢時λ值的范圍如下：λ＝Pz／Pc＝1.2～2.5。

四.排氣沖程

第四沖程——排氣。排氣沖程的功用是把膨脹后的廢氣排出去，以便充填新鮮空氣，為下一個循環(huán)的進氣作準備。當工作沖程活塞運動到下止點附近時，排氣閥開起，活塞在曲軸和連桿的帶動下，由下止點向上止點運動，并把廢氣排出氣缸外。由于排氣系統(tǒng)存在著阻力，所以在排氣沖程開始時，氣缸內(nèi)的氣體壓力加比大氣壓力高0.025—0.035MPa，其溫度Tb＝1000～1200K。為了減少排氣時活塞運動的阻力，排氣閥在下止點前就翻開了。排氣閥一翻開，具有一定壓力的氣體就立即沖出缸外，缸內(nèi)壓力迅速下降，這樣當活塞向上運動時，氣缸內(nèi)的廢氣依靠活塞上行排出去。為了利用排氣時的氣流慣性使廢氣排出得干凈，排氣閥在上止點以后才關閉。

在動畫中，排氣沖程曲線表示在排氣過程中，缸內(nèi)的氣體壓力幾乎是不變的，但比大氣壓力稍高一些。排氣沖程終點的壓力Pr約為0.105～0.115MPa,剩余廢氣的溫度Pr約為850～960K。

由于進、排氣閥都是早開晚關的；所以在排氣沖程之末和進氣沖程之初，活塞處于上止點附近時，有一段時間進、排氣閥同時開起，這段時間用曲軸轉角來表示，稱為氣閥重迭角。

排氣沖程結束之后，又開始了進氣沖程，于是整個工作循環(huán)就依照上述過程重復進行。由于這種柴油機的工作循環(huán)由四個活塞沖程即曲軸旋轉兩轉完成的，故稱四沖程柴油機。

在四沖程柴油機的四個沖程中，只有第三沖程即工作沖強才產(chǎn)生動力對外作功，而其余三個沖程都是消耗功的準備過程。為此在單缸柴油機上必須安裝飛輪，利用飛輪的轉動慣性，使曲軸在四個沖程中連續(xù)而均勻地運轉。雖然柴油機有許多種型式，其具體構造也不完全一樣，但都有：曲柄連桿機構、配氣機構、燃油供應系、潤滑系及冷卻系。曲柄連桿機構、配氣機構和燃油供應系，是柴油發(fā)動機的三大根本局部，它們互相配合，完成發(fā)動機的工作循環(huán)，實現(xiàn)能量轉換。使用過程中，三者技術狀態(tài)的好壞及相互之間配合的正確與否，對發(fā)動機的性能具有決定性的影響。潤滑系和泠卻系為柴油機的輔助系統(tǒng)，是柴油機長期正常工作不可缺少的重要局部。如果潤滑系或冷卻系工作不正常，那么柴油機就會發(fā)生故障，也不能正常工作。由此可見，柴油機在使用過程中，必須對以上各局部予以充分重視，不可無視任何一個局部，否那么，發(fā)動機的正常工作將無法保證，甚至會造成發(fā)動機的嚴重損壞。柴油機供應系的組成及功用1.柴油機供應系的功用·在適當?shù)臅r刻，將一定數(shù)量的潔凈燃油增壓后以適當?shù)囊?guī)律噴入燃燒室。各缸的噴油定時和噴油量相同且與柴油機運行工況相適應。噴油壓力、噴注霧化質(zhì)量及其在燃燒室內(nèi)的分布與燃燒室類型相適應

·在每一個工作循環(huán)內(nèi)，各氣缸均噴油一次，噴油次序與氣缸工作順序一致

·根據(jù)柴油機負荷的變化自動調(diào)節(jié)循環(huán)供油量，以保證柴油機穩(wěn)定運轉，尤其是穩(wěn)定怠速，限制超速

·儲存一定數(shù)量的燃油，保證汽車的最大續(xù)駛里程·柱塞式噴油泵柴油機供應系〔視頻〕(1)燃料供應裝置·主要部件：噴油泵、噴油器和調(diào)速器等·輔助裝置：燃油箱、輸油泵、油水別離器、燃油濾清器、噴油提前器和高、低壓油管等〔2〕空氣供應裝置·空氣濾清器、進氣管、進氣道、增壓器等〔3〕混合氣形成裝置·燃燒室〔4〕廢氣排出裝置·排氣道、排氣管、消聲器等·VE分配式噴油泵柴油機供應系3.燃油供應路線·低壓油路：從油箱到噴油泵入口這—段油路，其油壓由輸油泵建立，一般為150～300kPa，故稱低壓油路。主要完成柴油儲存、輸送和濾清等任務·高壓油路：從噴油泵到噴油器這一段油路，其油壓由噴油泵建立，一般在1OMPa以上，故稱高壓油路。柴油供應任務主要由它來完成·回油油路：由于輸油泵供油量是噴油泵出油量的3～4倍，濾清器和噴油泵上都裝有溢流閥，使多余燃油經(jīng)溢流閥和回油管流回輸油泵進口或直接流回油箱·二、柴油的使用特性·定義：在石油蒸餾過程中，溫度在200～350℃之間的餾分·分類：輕柴油(用于高速柴油機),重柴油(用于中低速柴油機)·等級：優(yōu)等品、一等品、合格品·牌號：10、0、-10、-20、-35、-50〔按凝點劃分〕·發(fā)火性：指柴油的自燃能力，用十六烷值評定。柴油的十六烷值大，發(fā)火性好，容易自燃。國家標準規(guī)定輕柴油的十六烷值不小于45·蒸發(fā)性：指柴油蒸發(fā)汽化的能力，用柴油餾出某一百分比的溫度范圍即餾程和閃點表示。比方，50％餾出溫度即柴油餾出50％的溫度，此溫度越低，柴油的蒸發(fā)性越好。國家標準規(guī)定此溫度不得高于300℃，但沒有規(guī)定最低溫度限，為了控制柴油的蒸發(fā)性不致過強，標準中規(guī)定了閃點的最低數(shù)值。柴油的閃點指在一定的試驗條件下，當柴油蒸氣與周圍空氣形成的混合氣接近火焰時，開始出現(xiàn)閃火的溫度。閃點低，蒸發(fā)性好·低溫流動性：用柴油的凝點和冷濾點評定低溫流動性。凝點是指柴油失去流動性開始凝固時的溫度，而冷濾點那么是指在特定的試驗條件下，在1min內(nèi)柴油開始不能流過過濾器20mL時的最高溫度。一般柴油的冷濾點比其凝點高4～6~C·粘度：是評定柴油稀稠度的一項指標，與柴油的流動性有關。粘度隨溫度而變化，當溫度升高時，粘度減小，流動性增強；反之，當溫度降低時，粘度增大，流動性減弱·安定性：用實際膠質(zhì)、10%蒸余物殘?zhí)?、氧化安定性三項指標評定·防腐性：用硫含量、硫醇硫含量、酸度、銅片腐蝕及水溶性酸或堿等指標評價·清潔性：用柴油中的灰分、水分和機械雜質(zhì)等指標評價·選擇方法：按當?shù)禺斣嘛L險率為10%的最低氣溫選用輕柴油牌號·三、柴油機混合氣的形成及燃燒·柴油機在進氣行程中進入氣缸的是純空氣，在壓縮行程接近終了時，由噴油器將已加壓的柴油以霧化的形式噴入燃燒室，經(jīng)過極短的物理和化學準備過程與進入氣缸的空氣混合形成可燃混合氣·選用十六烷值較高發(fā)火性較好的柴油，以使可燃混合氣迅速燃燒?！げ捎幂^高的壓縮比，以提高氣缸內(nèi)的溫度，使柴油盡快揮發(fā)?！ぬ岣邍娪蛪毫Γ话阍?0MPa以上，以利于柴油霧化。·采用各式促進氣體運動的燃燒室和進氣道，以保證柴油與空氣的均勻混合?！げ捎幂^大過量空氣系數(shù)(1.3～1.5)的可燃混合氣，以使柴油完全燃燒?！げ捎眠m當?shù)膰娪吞崆啊淙计凇睞B〕：是指由噴油始點到燃燒始點之間的曲軸轉角。在此期間，噴入氣缸的霧狀柴油從氣缸內(nèi)的高溫空氣吸收熱量，逐漸蒸發(fā)、擴散，與空氣混合，并進行燃燒前的化學準備。備燃期不宜過長，否那么會使發(fā)動機工作粗暴。·速燃期〔BC〕：是指從燃燒始點到氣缸內(nèi)的最大壓力點之間的曲軸轉角。從燃燒始點開始，火焰自火源迅速向各處傳播，使燃燒速度迅速增加，急劇放熱，導致燃燒室中溫度和壓力迅速上升，直至壓力最大點為止。在此期間，早已噴入或燃燒開始后陸續(xù)噴入的柴油在已燃氣體的高溫作用下，迅速蒸發(fā)、混合和燃燒。·緩燃期〔CD〕：是從最高壓力點起到最高溫度點的曲軸轉角。在此階段，開始燃燒很快，但由于氧氣減少，廢氣增多，燃燒條件不利，故燃燒越來越慢，但燃氣溫度卻能繼續(xù)升高到1973～2273K。緩燃期內(nèi)，通常噴油已結束。·后燃期〔DE〕：從最高溫度點起，燃燒在逐漸惡化的條件下于膨脹行程中緩慢進行直到停止。在此期間，壓力和溫度均降低。·四、柴油機燃燒室1.直噴式燃燒室〔又稱統(tǒng)一式燃燒室〕〔視頻〕·燃燒室容積集中于活塞頂上的燃燒室凹坑內(nèi)〔1〕ω型燃燒室·結構簡單，燃燒室位于活塞頂，噴油器采用孔式噴油器，混合氣的形成以空間霧化為主?！?〕球形燃燒室·燃燒室位于活塞頂部的深坑內(nèi)，采用單孔或雙孔噴油器，混合氣的形成以油膜蒸發(fā)為主。采用螺旋進氣道形成強烈的進氣渦流?！し譃閮蓚€局部，主燃燒室位于活塞頂，而副燃燒室位于缸蓋上，主副燃燒室通過通道相同，噴油嘴位于副燃燒室內(nèi)?！?〕渦流室燃燒室〔視頻〕·主副燃燒室之間通過狹窄的切向通道相通，空氣被擠入渦流室形成強烈有規(guī)那么渦流運動，大局部柴油在渦流室內(nèi)燃燒，形成二次渦流混合燃燒〔2〕預燃室燃燒室〔視頻〕·空氣被擠入預燃室產(chǎn)生無規(guī)那么紊流，小局部柴油在預燃室內(nèi)燃燒，產(chǎn)生二次紊流混合完全燃燒?！の?、噴油器的結構與工作原理1.功用、要求與類型〔1〕功用·根據(jù)柴油機混合氣形成特點，將燃油霧化成細微的油滴，并將其噴射到燃燒室特定的部位〔2〕要求·應滿足不同類型的燃燒室對噴霧特性的要求。·應有一定的貫穿距離和噴霧錐角；·有良好的霧化質(zhì)量；·在噴油結束時不發(fā)生滴漏現(xiàn)象?！?〕類型·孔式噴油器·軸針式噴油器〔1〕結構1〕適用：統(tǒng)一式燃燒室2〕結構〔視頻〕·由針閥和針閥體構成噴油嘴。噴油嘴有長型和短型兩種結構形式。前者將噴油嘴加長，針閥的導向局部遠離燃燒室，以減少針閥受熱及變形，從而防止針閥卡死在針閥體內(nèi)，所以長型噴油嘴多用于熱負荷較高的柴油機上·針閥的兩個錐面

承壓錐面：承受高壓油腔中油壓的作用，使針閥產(chǎn)生向上的軸向推力，克服調(diào)壓彈簧的預緊力及針閥與針閥體間的摩擦力，使噴油器實現(xiàn)噴油。

密封錐面：與針閥體內(nèi)的密封錐面配合，以實現(xiàn)噴油器內(nèi)腔的密封?！娍祝河幸粋€或多個噴孔，有一個噴孔的稱單孔噴油器，有兩個噴孔的稱雙孔噴油器，有三個以上噴孔的稱多孔噴油器。一般噴孔數(shù)目為1～7個，噴孔直徑為0．2～0．5mm。噴孔直徑不宜過小，否那么既不易加工，又在使用中容易被積炭堵塞?！ふ{(diào)壓裝置：調(diào)壓彈簧的預緊力通過頂桿作用在針閥上，將針閥壓緊在針閥體內(nèi)的密封錐面上，使噴油嘴關閉。調(diào)壓彈簧的預緊力由調(diào)壓螺釘調(diào)節(jié)?！?〕工作原理〔視頻〕·來自噴油泵的高壓柴油通過高壓油管送到噴油器，經(jīng)進油管接頭、噴油器濾芯以及噴油器體和針閥體內(nèi)的油道進入噴油嘴內(nèi)的壓力室。油壓作用在針閥的承壓錐面上，產(chǎn)生向上的推力。當此推力超過調(diào)壓彈簧的預緊力時，針閥升起并將噴孔翻開，高壓柴油經(jīng)噴孔噴入燃燒室。

·當噴油泵停止供油時，噴油嘴壓力室內(nèi)的油壓迅速下降，針閥在調(diào)壓彈簧的作用下瞬即落座，將噴孔關閉，終止噴油?！?〕結構與原理·適用：分隔式燃燒室·結構原理：軸針式噴油器與孔式噴油器的工作原理相同，結構相似，只是噴油嘴頭部的結構不同而已·特點：常有一個噴孔，直徑較大，軸針上下運動，噴孔不易積炭，且能自除積炭〔2〕軸針式噴油器的類型·普通型：軸針較短·節(jié)流型：與普通型相比，節(jié)流型噴油嘴的軸針較長，圓環(huán)形噴孔的長度或稱節(jié)流升程較大，噴油初期的噴油速率較小，從而可以減緩燃燒過程初期氣缸壓力的增長，對降低柴油機燃燒噪聲有利·分流型：分流型噴油嘴除主噴孔外，還在針閥體的密封錐面上加工有分流孔，孔徑一般為0.2mm，孔中心線與針閥體軸線成30°。當柴油機起動時