新聞主題	傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理簡(jiǎn)述

 

摘要：柴油機(jī)是以柴油作燃料的壓燃式柴油機(jī)。工作時(shí)，氣缸內(nèi)的空氣被壓縮而溫度升高，定時(shí)噴入氣缸的柴油自行著火燃燒，產(chǎn)生高溫、高壓的燃?xì)馀蛎浲苿?dòng)活塞做功，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、膨脹做功和排氣等過(guò)程組成。這些過(guò)程可以由四沖程或二沖程柴油機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

 

一、內(nèi)燃機(jī)熱力循環(huán)原理

 

       熱力學(xué)循環(huán)是熱力學(xué)的重要概念，它描述了能量在系統(tǒng)中的傳遞和轉(zhuǎn)化過(guò)程。內(nèi)部燃燒示例如圖1所示。

1、內(nèi)燃機(jī)理論循環(huán)的三種基本形式

（1）定容加熱循環(huán)0tto，見(jiàn)圖2a。

（2）定壓加熱循環(huán)Diesel，見(jiàn)圖2b。

（3）混合加熱循環(huán)Sabathe，見(jiàn)圖2c。

2、理論循環(huán)熱效率η_t的影響因素

（1）壓縮比：ε =V_a/V_c

（2）壓力升高比：λ=P_z/P_c

（3）初期膨脹比：ρ=V_z/V_c

（4）工質(zhì)絕熱指數(shù)：k

      熱效率隨壓縮比ε、壓力升高比λ、工質(zhì)絕熱指數(shù)k的增加而提高，隨初期膨脹比ρ的增加而降低。混合加熱循環(huán)繼續(xù)膨脹示意圖如圖3所示。

3、理論循環(huán)平均壓力P_t的影響因素

（1）P_a壓縮始點(diǎn)壓力；

（2）q_l單位工質(zhì)吸入熱量；

（3）T_a壓縮始點(diǎn)溫度；

（4）η_t=1-(λρ^k-1)/εk^-1[λ-1+kλ(ρ-1)]。

     平均壓力隨壓縮始點(diǎn)壓力、單位工質(zhì)吸入熱量、及熱效率的提高和壓縮始點(diǎn)溫度的降低而增加。

4、三種理論循環(huán)熱效率比較

（1）如圖4（a）所示。若最高爆發(fā)壓力和吸熱量相同，則定壓加熱循環(huán)熱效率最高，混合次之。

（2）如圖4（b）所示。若壓縮比和吸熱量相同，則定容加熱循環(huán)熱效率最高，混合次之。

      內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用基于熱力學(xué)原理，通過(guò)燃燒燃料產(chǎn)生高溫高壓氣體，從而將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。了解內(nèi)燃機(jī)的熱力學(xué)原理，有助于我們更好地理解其工作原理和性能特點(diǎn)。

 

圖1  柴油機(jī)內(nèi)部熱力循環(huán)工作原理圖	圖2  柴油機(jī)理論循環(huán)示意圖
圖3  柴油機(jī)混合加熱循環(huán)繼續(xù)膨脹	圖4  柴油機(jī)三種理論循環(huán)的熱效率

 

二、柴油機(jī)的基本工作原理

 

      用4個(gè)行程，曲軸回轉(zhuǎn)兩周完成一個(gè)工作循環(huán)。四沖程柴油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。工作時(shí)活塞作往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，曲軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?；钊淖冞\(yùn)動(dòng)方向的瞬時(shí)位置稱(chēng)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)的止點(diǎn)稱(chēng)上止點(diǎn)，最近的止點(diǎn)稱(chēng)下止點(diǎn)。四沖程柴油機(jī)的工作原理如圖6所示，圖中分別表示4個(gè)行程中活塞、連桿、曲軸及氣閥的相對(duì)位置。

1、進(jìn)氣行程

      活塞從上止點(diǎn)下行，進(jìn)氣閥打開(kāi)。因活塞下行的抽吸作用，氣缸內(nèi)充入新鮮空氣。為了能充入更多新鮮空氣，進(jìn)氣閥一般在上止點(diǎn)前提前開(kāi)啟，在下止點(diǎn)后延遲關(guān)閉，進(jìn)氣閥開(kāi)啟的延續(xù)角度約為220°～250°，如圖2a所示。

2、壓縮行程

      活塞從下止點(diǎn)上行，進(jìn)、排氣閥均關(guān)閉?；钊闲袎嚎s缸內(nèi)的空氣，使其壓力和溫度均不斷升高。壓縮終點(diǎn)的壓力約為3～6MPa；溫度約為500～700℃。在上止點(diǎn)（壓縮終點(diǎn)）附近，霧化的燃油經(jīng)噴油器噴入燃燒室，并在高溫高壓空氣的作用下，開(kāi)始自行著火燃燒，如圖2b所示。

3、做功行程

      活塞由上止點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)、排氣閥均關(guān)閉。在此行程的初期，大量的混合氣燃燒，缸內(nèi)的壓力和溫度都急劇升高，其最大值分別可達(dá)6～9MPa和1500～2000℃左右。高溫高壓氣體推動(dòng)活塞下行做功，在上止點(diǎn)后某一時(shí)刻，燃燒結(jié)束，膨脹做功仍在進(jìn)行。當(dāng)活塞到達(dá)下止點(diǎn)前某一時(shí)刻，排氣閥開(kāi)啟，做功過(guò)程結(jié)束。此時(shí)，氣缸內(nèi)的壓力約為0.2～0.5MPa，溫度約為600～700℃。活塞則繼續(xù)向下止點(diǎn)下行，如圖2c所示。

4、排氣行程

      曲軸帶動(dòng)活塞由下止點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)，排氣閥繼續(xù)開(kāi)啟狀態(tài)，氣缸內(nèi)的廢氣被上行的活塞強(qiáng)行推出缸外。為了實(shí)現(xiàn)充分排氣和減少排氣過(guò)程中所消耗的功，不但在下止點(diǎn)前提前開(kāi)啟排氣閥，而且要在排氣行程結(jié)束的上止點(diǎn)后才關(guān)閉。排氣閥開(kāi)啟的延續(xù)角度約為230°～260°如圖2d所示。

      四沖程柴油機(jī)完成一個(gè)工作循環(huán)要經(jīng)歷進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣等4個(gè)行程；一個(gè)工作循環(huán)曲軸回轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)，即曲軸轉(zhuǎn)角720°。其中只有一個(gè)行程做功，其余3個(gè)行程都要消耗功。因此，在單缸柴油機(jī)必須有一個(gè)足夠大的飛輪來(lái)供給這3個(gè)行程所需的能量；而對(duì)于多缸柴油機(jī)，則借助于其他氣缸膨脹做功過(guò)程來(lái)供給。

      柴油機(jī)必須借助外部能量的驅(qū)動(dòng)使其啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)停車(chē)狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)，直至噴入氣缸的燃油自發(fā)火燃燒，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)自行運(yùn)轉(zhuǎn)。

 

圖5  柴油機(jī)氣缸運(yùn)動(dòng)示意圖 1-排氣門(mén) 2-進(jìn)氣門(mén) 3-氣缸蓋 4-氣缸5-活塞 6-活塞銷(xiāo) 7-連桿

圖6  四沖程柴油機(jī)工作原理

 

三、二沖程柴油機(jī)的基本工作原理

 

      二沖程柴油機(jī)用兩個(gè)行程，曲軸回轉(zhuǎn)一周完成一個(gè)工作循環(huán)的柴油機(jī)。二沖程柴油機(jī)與四沖程柴油機(jī)的不同是在于氣缸上設(shè)有氣口，如圖7所示氣缸右側(cè)為排氣口，左側(cè)為進(jìn)氣口。進(jìn)氣口比排氣口略低，由活塞控制氣口的開(kāi)與關(guān)。此外，二沖程柴油機(jī)設(shè)有掃氣泵。壓縮的空氣被掃氣泵預(yù)先送入掃氣箱中，掃氣箱中的空氣壓力（掃氣壓力）要比大氣壓力稍高。

1、 換氣一壓縮行程

       活塞由下止點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)。在活塞接近進(jìn)氣口之前，氣缸中繼續(xù)充入新鮮空氣并通過(guò)排氣口將氣缸內(nèi)的廢氣趕出。當(dāng)進(jìn)氣口完全被活塞遮蔽時(shí)（點(diǎn)1），新鮮空氣不再進(jìn)入氣缸內(nèi)。當(dāng)排氣口被活塞遮蔽后（點(diǎn)2），活塞對(duì)氣缸內(nèi)的空氣進(jìn)行壓縮，產(chǎn)生高壓和高溫氣體。在活塞到達(dá)上止點(diǎn)前的某一時(shí)刻（點(diǎn)2＇），柴油被噴油器噴入氣缸，并與高溫高壓空氣混合后著火燃燒。

      在這一行程中，完成了換氣（曲線(xiàn)0-1-2）、壓縮（曲線(xiàn)2-3）和噴油著火燃燒各過(guò)程。

2、膨脹做功一換氣行程

      活塞由上止點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)。混合氣在此行程的初期仍在猛烈燃燒，到點(diǎn)4才基本結(jié)束?；钊蛉?xì)馀蛎浀耐苿?dòng)下行做功。排氣口在活塞下行打開(kāi)時(shí)（點(diǎn)5），由于此時(shí)缸內(nèi)燃?xì)獾膲毫蜏囟热暂^高，分別為0.25～0.6MPa和600～800℃，在氣缸內(nèi)外的壓差作用下氣缸內(nèi)燃?xì)鈴呐艢饪诟咚倥懦觯變?nèi)壓力隨之降低。當(dāng)缸內(nèi)下降的壓力接近掃氣壓力時(shí)，下行的活塞打開(kāi)進(jìn)氣口，新鮮空氣通過(guò)進(jìn)氣口進(jìn)入氣缸，并對(duì)氣缸內(nèi)進(jìn)行掃氣，將缸內(nèi)的廢氣排出排氣口。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為掃氣過(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。工作過(guò)程如圖8所示。

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

      由此可見(jiàn)，相比四沖程柴油機(jī)，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，有兩個(gè)行程被省略。因此，二沖程柴油機(jī)完成一個(gè)工作循環(huán)曲軸回轉(zhuǎn)一周。在活塞行程、氣缸直徑與轉(zhuǎn)速相同的條件下，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。

 

圖7  二沖程柴油機(jī)工作原理

圖8  柴油機(jī)做功示意圖

 

總結(jié)：

      總結(jié)起來(lái)，柴油機(jī)的工作原理包括進(jìn)氣過(guò)程、壓縮過(guò)程、做功過(guò)程和排氣過(guò)程。通過(guò)柴油機(jī)各個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同作用，柴油機(jī)能夠高效、可靠地產(chǎn)生動(dòng)力。柴油機(jī)在現(xiàn)代交通和工業(yè)領(lǐng)域中扮演著重要的角色，不斷的技術(shù)創(chuàng)新和改進(jìn)將進(jìn)一步提高其性能和可靠性。

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