新聞主題	柴油發(fā)動(dòng)機工作原理及配氣相位的調整

 

導讀：發(fā)電用柴油機是以柴油作燃料的壓燃式內燃機。發(fā)動(dòng)機原理是工作時(shí)，空氣在氣缸內被壓縮而產(chǎn)生高溫，使噴入的柴油自行著(zhù)火燃燒，產(chǎn)生高溫、高壓的燃氣，燃氣膨脹推動(dòng)活塞作功，將熱能轉變?yōu)闄C械功。四沖程柴油機的工作循環(huán)由進(jìn)氣行程、壓縮行程、膨脹作功行程和排氣行程四個(gè)過(guò)程組成。其優(yōu)點(diǎn)是四沖程發(fā)動(dòng)機有單獨的進(jìn)、排氣沖程；有獨立的冷卻系統，換氣充分，使用性能好，排氣和噪音都比二沖程小。 

 

一、柴油機的原理和工作過(guò)程

 

      柴油機用密閉的空間壓縮空氣產(chǎn)生高熱，噴入霧化的柴油后燃燒膨脹，推動(dòng)活塞沿氣缸作向下運動(dòng)，經(jīng)活塞銷(xiāo)、連桿、曲軸等組成的曲柄連桿機構，將活塞的直線(xiàn)運動(dòng)變?yōu)榍男D運動(dòng)，飛輪的慣性帶動(dòng)活塞排氣、吸氣、壓縮循環(huán)運動(dòng)，從而輸出機械功。而對于增壓型柴油發(fā)動(dòng)機的原理是提高柴油機的進(jìn)氣壓力，可使進(jìn)氣的密度增加，從而達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)。

      用四個(gè)行程（曲軸回轉兩轉）完成一個(gè)工作循環(huán)的柴油機稱(chēng)四沖程柴油機。圖1是四沖程柴油機的工作原理簡(jiǎn)圖，圖2是柴油機工作原理動(dòng)態(tài)圖。從圖3~圖6是表示相對應的氣缸內氣體壓力隨氣缸容積的變化情況，也稱(chēng)p-V示功圖。

 

圖1  柴油發(fā)動(dòng)機工作原理

柴油發(fā)動(dòng)機原理動(dòng)態(tài)圖

 

1、進(jìn)氣行程

      活塞從上止點(diǎn)下行，進(jìn)氣閥打開(kāi)。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），在下止點(diǎn)后延遲關(guān)閉，氣閥開(kāi)啟的延續角約為220?～250?CA。示功圖如圖3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。上行的活塞對缸內的空氣進(jìn)行壓縮，使其溫度和壓力均不斷升高。壓縮終點(diǎn)的壓力p約為3～6MPa；溫度t約為500～700℃。燃油自燃溫度遠低于此值，自燃溫度隨壓縮壓力而變。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，并在高溫高壓空氣的作用下，開(kāi)始自行發(fā)火燃燒。示功圖如圖4所示。

3、膨脹行程

      在此行程的初期，燃燒仍在猛烈地進(jìn)行，使缸內的壓力和溫度都急劇升高，其最大值分別可達6MPa和1500～2000℃左右。在高溫高壓燃氣的作用下，活塞向下運動(dòng)作功，在上止點(diǎn)后某一時(shí)刻，燃燒基本結束，但高溫高壓燃氣繼續膨脹作功推動(dòng)活塞下行。當活塞到達下止點(diǎn)前某一時(shí)刻，排氣閥開(kāi)啟，排氣過(guò)程開(kāi)始。此時(shí)，氣缸內的壓力p約為0.3～0.6MPa，溫度t約為600～700℃?；钊麆t繼續下行到下止點(diǎn)。示功圖如圖5所示。

4、排氣行程

      活塞由下止點(diǎn)向上運動(dòng)，排氣閥繼續開(kāi)啟著(zhù)，上行的活塞將氣缸內的廢氣強行推擠出去。為了實(shí)現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，而且要在排氣行程結束的上止點(diǎn)后才關(guān)閉。排氣閥開(kāi)啟的延續角度約為230?～260?CA。示功圖如圖6所示。

      綜上所述，在四沖程柴油機中，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)工作循環(huán)；與此相應的是曲軸回轉兩轉，即720?曲軸轉角。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，在單缸柴油機中，必須有一個(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，柴油機由停車(chē)狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)，必須藉助外源能量（如蓄電池）的驅動(dòng)使其起動(dòng)運轉，直至噴入氣缸的燃油自發(fā)火燃燒，柴油機才能自行運轉。

 

圖3  柴油機壓縮行程示功圖	圖4  柴油機進(jìn)氣行程示功圖
圖5  柴油機作功行程示功圖	圖6  柴油機排氣行程示功圖

 

二、配氣相位

 

      四沖程柴油機的進(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(chēng)為氣閥正時(shí)（定時(shí)），通常氣閥正時(shí)用距相應止點(diǎn)的曲軸轉角（?CA）表示。用曲軸轉角表示氣閥正時(shí)的圓圖稱(chēng)氣閥正時(shí)（定時(shí)）圓圖。

1、排氣閥提前開(kāi)

      排氣閥開(kāi)啟初期其通道截面積很小，流動(dòng)阻力很大。如果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。殘余廢氣量增加。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，可使廢氣排得更干凈。

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?，氣閥提前開(kāi)啟與延后關(guān)閉是為了將廢氣排除干凈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，各機型（對應常用轉速）有一最佳正時(shí)。按此正時(shí)工作，柴油機充入新氣最多，性能最好。機型不同，正時(shí)也不同。正時(shí)圓圖在柴油機使用說(shuō)明書(shū)中均有給出，不允許任意改變。經(jīng)常要以它為依據檢查調整氣閥正時(shí)。燃油噴射也有正時(shí)要求，也可畫(huà)在這個(gè)圖上。

       在上止點(diǎn)前后進(jìn)氣閥與排氣閥同時(shí)開(kāi)啟著(zhù)，同一氣缸的進(jìn)、排氣閥同時(shí)開(kāi)啟的曲軸轉角稱(chēng)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)利用廢氣流動(dòng)慣性的抽吸作用，除可避免廢氣倒沖入進(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的廢氣掃出氣缸，實(shí)現所謂燃燒室掃氣。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，四沖程柴油機均有一定的氣閥重疊角，而且增壓柴油機的氣閥重疊角均大于非增壓機。如表1所示。

表1    四沖程柴油機氣閥重疊角

 

三、配氣相位測量與調整

 

1、配氣相位的測量

      進(jìn)、排氣門(mén)疊開(kāi)時(shí)升程的測量方法如圖7所示。

（1）先將發(fā)動(dòng)機的各氣門(mén)間隙按要求調整好。

（2）轉動(dòng)發(fā)動(dòng)機的曲軸，使第一缸活塞上行到達排氣行程上止點(diǎn)附近。

（3）在該缸排氣門(mén)彈簧座上安裝百分表(注意百分表指針應與氣門(mén)平行),并將表置于“0”位。

（4）慢慢地順時(shí)針轉動(dòng)曲軸，至排氣門(mén)完全關(guān)閉。檢查百分表指針，順時(shí)針讀數即為該排氣門(mén)在排氣上止點(diǎn)時(shí)尚未關(guān)閉的降程。

（5）逆時(shí)針轉動(dòng)曲軸至該缸進(jìn)氣門(mén)全閉位置，在其彈簧座上安裝百分表，并將表置于“0”位。

（6）慢慢地順時(shí)針轉動(dòng)曲軸至排氣上止點(diǎn)，檢查百分表指針，逆時(shí)針讀數即為進(jìn)氣門(mén)在排氣上止點(diǎn)的降程。

（7）將該缸進(jìn)、排氣門(mén)的升、降程與標準值比較，如果進(jìn)氣門(mén)升程太大，排氣門(mén)降程太小，則配氣相位提前；反之，如進(jìn)氣門(mén)升程太小，排氣門(mén)降程太大，則配氣相位遲后。

2、配氣相位調整方法

（1）偏移凸輪軸鍵法

      如圖8所示。通過(guò)改變正時(shí)齒輪與凸輪軸的連接鍵的斷面，可調整氣門(mén)的配氣相位。

（2）凸輪軸正時(shí)齒輪軸向移動(dòng)法

      此方法一般是通過(guò)改變推力凸緣厚度或正時(shí)齒輪輪轂厚度的方法，使正時(shí)齒輪獲得軸向位移量而進(jìn)行調整的。

 

圖7  柴油機配氣相位測量方法

圖8  柴油機配氣相位的調整步驟

 

總結：

      柴油發(fā)動(dòng)機通過(guò)壓縮自燃原理，將柴油的化學(xué)能轉化為機械能。其工作原理包括進(jìn)氣階段、壓縮階段、燃燒階段和排氣階段。柴油發(fā)動(dòng)機由汽缸、曲軸、燃油系統、空氣系統、冷卻系統和排氣系統等多個(gè)組成部分構成。了解柴油發(fā)動(dòng)機工作原理和配氣相位，有助于更好地理解柴油發(fā)電機組性能和運行機制。

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