新聞主題	四沖程柴油機(jī)工作特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

 

摘要：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在工作原理上與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)十分相似。大多數(shù)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是四沖程的，但也有二沖程的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的。因?yàn)椴裼桶l(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，它經(jīng)常被用于那些需要較大載荷和轉(zhuǎn)矩的發(fā)電機(jī)組上。四沖程柴油機(jī)是壓燃式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，而不是點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上有許多零部件與典型的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相同。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)有活塞、氣門、曲軸、燃油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、起動(dòng)和充電系統(tǒng)，以及污染控制系統(tǒng)。因?yàn)椴裼桶l(fā)動(dòng)機(jī)用于較大負(fù)荷，這些系統(tǒng)比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上的更加結(jié)實(shí)，更加強(qiáng)勁。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)之間的一個(gè)較大區(qū)別是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比較高外，柴油噴射系統(tǒng)使用的是高壓噴射，而汽油發(fā)動(dòng)機(jī)使用的是低壓燃油噴射系統(tǒng)。

 

一、柴油機(jī)工作過程

 

      柴油機(jī)是一種壓縮發(fā)火的往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)。它的基本工作原理是使燃油直接在發(fā)動(dòng)機(jī)的氣江中燃燒，將燃油的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成熱能，從而主成高溫高壓的燃?xì)猓蛉細(xì)馀蛎?，推?dòng)活塞云動(dòng)，通過曲柄連桿對(duì)外做功，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。柴油機(jī)必須經(jīng)過進(jìn)氣、壓縮、燃燒（膨脹）和排氣四個(gè)過程才能完成了一個(gè)工作循環(huán)。然舌不斷重復(fù)進(jìn)行這些過程，使柴油機(jī)持續(xù)工作。

1．進(jìn)氣沖程

      進(jìn)氣沖程如圖1（a）所示?；钊谇S帶動(dòng)下，從上止點(diǎn)移動(dòng)到下止點(diǎn)，這時(shí)進(jìn)氣門打開，排氣門關(guān)閉。由于汽缸內(nèi)容積增大，使汽缸內(nèi)的壓力低于大氣壓，在汽缸內(nèi)外壓力差的作用下，外界新鮮空氣通過進(jìn)氣門吸入汽缸。由于進(jìn)氣系統(tǒng)有阻力，空氣進(jìn)入汽缸后的壓力低于大氣壓力。進(jìn)氣終了時(shí)汽缸內(nèi)的壓力約為0.8～0.9大氣壓。汽缸內(nèi)空氣的溫度則高于大氣溫度，一般溫度在40℃～70℃。

      進(jìn)氣過程對(duì)柴油機(jī)工作影響很大，進(jìn)氣沖程結(jié)束時(shí)，汽缸內(nèi)充氣量越多，可以噴入的燃油量也越多，燃燒過程放出的能量就越多，柴油機(jī)發(fā)出的功率就越大。

2．壓縮沖程

      壓縮沖程如圖1（b）所示?；钊麖南轮裹c(diǎn)移動(dòng)到上止點(diǎn)，進(jìn)、排氣門都處于關(guān)閉狀態(tài)，活塞便逐漸將第一沖程吸入的空氣壓縮在燃燒室內(nèi)，使空氣的溫度和壓力升高。壓縮終了時(shí)，汽缸內(nèi)空氣溫度約在500℃～700℃范圍內(nèi)，壓力為27～49個(gè)大氣壓。

3．做功沖程

      做功沖程如圖1（c）所示?；钊麖纳现裹c(diǎn)移動(dòng)到下止點(diǎn)，進(jìn)、排氣門仍然關(guān)閉。在壓縮沖程接近終了時(shí)，噴油器將高壓燃油噴入汽缸與高溫高壓空氣混合，由于超過柴油自燃點(diǎn)溫度，便自行著火燃燒，產(chǎn)生大量熱能，使汽缸內(nèi)溫度和壓力急劇升高。高溫高壓氣體推動(dòng)活塞下移，經(jīng)連桿帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，對(duì)外做功。這一沖程最高燃燒壓力約為60～90個(gè)大氣壓，溫度最高可達(dá)1700℃～2000℃。隨著膨脹作用的進(jìn)行，熱能變成了機(jī)械能，汽缸內(nèi)氣體的壓力、溫度急劇下降，到膨脹終了時(shí)，汽缸內(nèi)的壓力已下降到四個(gè)大氣壓，溫度降到600℃～900℃。

4．排氣沖程

      排氣沖程如圖1（d）所示?；钊麖南轮裹c(diǎn)移動(dòng)到上止點(diǎn)，此時(shí)進(jìn)氣門關(guān)閉，排氣門打開。膨脹終了的氣體已失去做功的能力，變成了廢氣。為了使新鮮空氣重新進(jìn)入汽缸就必須排除廢氣。廢氣經(jīng)活塞上行的排擠壓，經(jīng)排氣門排出缸外。排氣終了時(shí)，汽缸內(nèi)的壓力約為1.03～1.08大氣壓，溫度約為350℃～600℃。

      當(dāng)排氣終了時(shí)，活塞又回到上止點(diǎn)，至此，單缸四沖程柴油機(jī)完成了一個(gè)工作循環(huán)。曲軸在這一工作循環(huán)中轉(zhuǎn)動(dòng)兩圈，即720（曲軸轉(zhuǎn)角），活塞則經(jīng)過四個(gè)沖程：進(jìn)、壓、工、排。應(yīng)當(dāng)指出，以上講的是理論上柴油機(jī)的工作過程，但實(shí)際上柴油機(jī)工作過程很復(fù)雜，進(jìn)、排氣門并不在上、下止點(diǎn)時(shí)打開或關(guān)閉，而是進(jìn)氣門在上止點(diǎn)前打開，下止點(diǎn)后關(guān)閉；排氣門在下止點(diǎn)前打開，上止點(diǎn)后關(guān)閉，這里不再講述。

      從上述四個(gè)工作過程中可以看出，只有第程全是輔助過程，是需要消耗能量的，這個(gè)問題在單缸柴油機(jī)上是利用飛輪儲(chǔ)存的能量來解決，在多缸柴油機(jī)上則主要靠其他缸的做功沖程來供給。工作循環(huán)開始時(shí)（即柴油機(jī)起動(dòng)時(shí)），需要用外力先使曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，完成輔助過程，使柴油機(jī)起動(dòng)，柴油機(jī)才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，即四個(gè)工作過程依次不斷地重復(fù)出現(xiàn)。圖2為四沖程柴油機(jī)內(nèi)部運(yùn)行簡(jiǎn)易演示圖。

 

圖1  四沖程柴油機(jī)工作過程

圖2  四沖程柴油機(jī)內(nèi)部運(yùn)行簡(jiǎn)易演示圖

 

二、結(jié)構(gòu)組成

 

      四沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)三維側(cè)視圖如圖3所示，結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。

1、固定部件

      主要由氣缸蓋、氣缸套、機(jī)體、機(jī)座、主軸承等構(gòu)成柴油機(jī)本體和運(yùn)動(dòng)件的支承，并和有關(guān)運(yùn)動(dòng)部件配合構(gòu)成柴油機(jī)的工作空間。

2、運(yùn)動(dòng)部件

      主要由活塞、活塞銷、連桿，連桿螺栓、曲軸等組成。它們與固定部件配合完成空氣壓縮及熱能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。

3、配氣系統(tǒng)  

      它包括進(jìn)氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)。

（1）進(jìn)氣系統(tǒng)主要由空氣濾清器、進(jìn)氣管件、氣缸蓋內(nèi)的進(jìn)氣道、進(jìn)氣閥、氣閥彈簧、搖臂、頂桿、凸輪軸和凸輪軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等所組成，用來在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)向氣缸內(nèi)充入足夠的新鮮空氣。

（2）排氣系統(tǒng)主要由排氣閥、氣閥彈簧、搖臂、頂桿、凸輪軸和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及排氣管、排氣消音器等組成。用來在規(guī)定時(shí)間內(nèi)將氣缸內(nèi)作功后的廢氣排入大氣。

4、燃油系統(tǒng)

      包括供應(yīng)和噴射兩個(gè)系統(tǒng)。前者由日用油柜、燃油濾清器，輸油泵等組成，后者由噴油泵、高壓油管和噴油器組成。其功用是供給柴油機(jī)燃燒作功所需的燃油。

5、潤(rùn)滑系統(tǒng)

      主要作用是潤(rùn)滑摩擦表面，以減少機(jī)件的磨損，延長(zhǎng)使用壽命，降低摩擦功率損失，提高機(jī)械效率。

6、冷卻系統(tǒng)

      主要作用是維持柴油機(jī)受熱零部件在合適的溫度狀態(tài)下工作。

7、起動(dòng)系統(tǒng)

      柴油機(jī)本身無自行起動(dòng)能力。起動(dòng)系統(tǒng)的任務(wù)就是使柴油機(jī)從停車狀態(tài)發(fā)動(dòng)起來。

8、調(diào)速裝置

      調(diào)速裝置的作用是使柴油機(jī)能按外界阻力矩的變化而自動(dòng)改變噴油泵的噴油量，從而使柴油機(jī)在選定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，船舶柴油機(jī)還設(shè)有換向裝置，并將起動(dòng)、調(diào)速、換向和停車集中控制組成操縱系統(tǒng)。多數(shù)柴油機(jī)還設(shè)有增壓系統(tǒng)，用于進(jìn)一步提高柴油機(jī)作功能力。

 

圖3  柴油發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)視圖

圖4  康明斯QSB5.9型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

 

三、柴油機(jī)和汽油機(jī)的比較

 

      表1中給出了四沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)之間的一般比較：

（1）汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣是空氣和燃油混合氣，而柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣沖程只吸入空氣。

（2）因?yàn)槠桶l(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比較低，所以壓縮壓力較小，壓縮溫度也較低。

（3）汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中空氣和燃油的混合點(diǎn)在化油器處或由噴油器完成，而柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的混合點(diǎn)在上止點(diǎn)（TDC）附近或稍前一點(diǎn)。

（4）汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒是由火花塞引發(fā)的，而柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是壓燃的。

（5）汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在做功沖程產(chǎn)生大約460 psi的壓力，而柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在做功沖程產(chǎn)生的壓力接近1200 psi。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的能量比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)更大。

（6）汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，因?yàn)樵谂艢鉀_程仍然有部分汽油在燃燒。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣中一氧化碳的含量也很高。

（7）柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)主要缺點(diǎn)是氮氧化物（NO_x）的排放量大。因?yàn)閮?nèi)部溫度較高，與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生更多的氮氧化物。氮氧化物被認(rèn)為是溫室效應(yīng)氣體（引起大氣溫度稍稍升高，使我們的環(huán)境變得像溫室一樣的氣體），氮氧化物也是導(dǎo)致光化學(xué)煙霧的主要?dú)怏w之一，盡管發(fā)動(dòng)機(jī)制造商在不斷改進(jìn)，降低排放。

（8）柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的效率比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)大約高10％。原因是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比更高，并且1gal的柴油中含有的能量比1gal的汽油更高。

表1    汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的比較

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