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使用說(shuō)明書(shū) |
四沖程柴油發(fā)動(dòng)機的工作原理 |
摘要：柴油機是內燃機的一種，將柴油噴射到汽缸內與空氣混合，燃燒得到熱能轉變?yōu)闄C械能的熱力發(fā)動(dòng)機，即依靠燃料燃燒時(shí)的燃氣膨脹推動(dòng)活塞作直線(xiàn)運動(dòng)，通過(guò)曲柄連桿機構使曲軸旋轉，從而輸出機械功。康明斯發(fā)電機公司以四沖程柴油機為例，對柴油機工作原理進(jìn)行介紹，重點(diǎn)講述了四沖程柴油機進(jìn)氣、壓縮、作功和排氣的四個(gè)沖程定義，同時(shí)簡(jiǎn)單闡明四沖程正時(shí)相位圖的作用。
一、柴油機概述與正時(shí)相位圖
以燃燒油料（汽油或柴油）的內燃機為動(dòng)力，驅動(dòng)發(fā)電機發(fā)電的技術(shù)，已有近百年的歷史。隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，雖然以核能、燃煤、水力為能源的大型電站及其電力網(wǎng)的建設與普及日益完善。然而仍有一些電力網(wǎng)還未能到達或電力供給不太可靠的地區，需要用油機發(fā)電機組為生活和設備提供電能。這就使它們以其自成一體，移動(dòng)、使用方便，發(fā)出與市電性質(zhì)一樣的電能，直接帶動(dòng)負荷、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)成為電力網(wǎng)的得力配角。
柴油機和發(fā)電機技術(shù)經(jīng)過(guò)不斷地采用新技術(shù)，使其自身更加趨于完善和成熟。發(fā)電機組的輸出功率從0.5kVA到2500kVA，形成了系列化的產(chǎn)品，可滿(mǎn)足各方面的需要。通常以燃燒汽油的內燃機為動(dòng)力的發(fā)電機組稱(chēng)為“汽油發(fā)電機組”。由于汽油內燃機的特點(diǎn)，使其適合組成的功率從0.5kVA到20kVA，輸出電壓以單相220V為主的發(fā)電機組。而以燃燒柴油的內燃機為動(dòng)力構成的“柴油發(fā)電機組”，以其特點(diǎn)可以組成功率30kVA至2500kVA.輸出電壓為三相380V的中、大型機組，作為后備電源，大都采用的是它們。
柴油機是用柴油作燃料的內燃機，內部工作過(guò)程如圖1所示。柴油機屬于壓縮點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機，它又常以主要發(fā)明者狄塞爾的名字被稱(chēng)為狄塞爾引擎。柴油機在工作時(shí)，吸入柴油機氣缸內的空氣，因活塞的運動(dòng)而受到較高程度的壓縮，達到500～700℃的高溫。然后將燃油以霧狀噴入高溫空氣中，與高溫空氣混合形成可燃混合氣，自動(dòng)著(zhù)火燃燒。燃燒中釋放的能量作用在活塞頂面上，推動(dòng)活塞并通過(guò)連桿和曲軸轉換為旋轉的機械功
而正時(shí)相位圖是用來(lái)識別柴油機所有四個(gè)沖程是何時(shí)發(fā)生的方法。在相位圖上畫(huà)出了四沖程發(fā)動(dòng)機的各個(gè)過(guò)程，如圖2所示。在相位圖頂部，活塞正好處在上止點(diǎn)（TDC）位置。TDC之前發(fā)生的過(guò)程稱(chēng)為BTDC（上止點(diǎn)前），上止點(diǎn)后發(fā)生的稱(chēng)為ATDC（上止點(diǎn)后）。相位圖的底部是活塞處于下止點(diǎn)（BDC）位置。
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圖1 四沖程發(fā)動(dòng)機內部工作原理 |
圖2 柴油發(fā)動(dòng)機配氣正時(shí)相位圖 |
二、四沖程柴油工作原理
柴油機的基本工作原理是采用壓縮發(fā)火，使燃料在氣缸內部燃燒，以高溫、高壓的燃氣工質(zhì)在氣缸中膨脹推動(dòng)活塞作往復運動(dòng)，再通過(guò)活塞-連桿-曲柄將往復運動(dòng)變成曲軸的回轉運動(dòng)，從而帶動(dòng)工作機械。根據發(fā)動(dòng)機的工作特征，把四行程發(fā)動(dòng)機的工作循環(huán)分為進(jìn)氣、壓縮、燃燒、膨脹、排氣等過(guò)程，如圖3所示。示功圖表示各個(gè)過(guò)程和氣缸內氣體壓力隨容積而變化的情況，如圖4所示。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，曲軸與凸輪軸轉速之比為2/1。
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圖3 四沖程柴油發(fā)動(dòng)機工作原理圖 |
圖4 柴油發(fā)動(dòng)機示功圖 |
1、進(jìn)氣沖程
它的任務(wù)是使氣缸內充滿(mǎn)新鮮空氣。當進(jìn)氣沖程開(kāi)始時(shí)，活塞位于上止點(diǎn)，氣缸內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(diǎn)向下止點(diǎn)移動(dòng)，同時(shí)，利用與曲軸相聯(lián)的傳動(dòng)機構使進(jìn)氣閥打開(kāi)。
隨著(zhù)活塞的向下運動(dòng)，氣缸內活塞上面的容積逐漸增大，造成氣缸內的空氣壓力低于進(jìn)氣管內的壓力，因此外面空氣就不斷地充入氣缸。進(jìn)氣結束時(shí)氣缸內的壓力約為0.8～0.9MPa，溫度在40～70℃。此過(guò)程結束時(shí)，氣缸內充其量越多，可以噴入的燃油量也越多，燃燒過(guò)程放出的能量就越多，柴油機發(fā)出的功率就越大。
如示功圖5所示（以自然吸氣發(fā)動(dòng)機為例），進(jìn)氣行程用曲線(xiàn)ra表示。曲線(xiàn)ra位于大氣壓力線(xiàn)以下，它與大氣壓力線(xiàn)縱坐標之差即表示氣缸內的真空度。自然吸氣發(fā)動(dòng)機動(dòng)力輸出平順，不會(huì )因發(fā)動(dòng)機轉速的變化而出現驟然加速。而且發(fā)動(dòng)機使用壽命長(cháng)，維修簡(jiǎn)單。
2、壓縮沖程
活塞從下止點(diǎn)移動(dòng)到上止點(diǎn)，進(jìn)、排氣門(mén)都處于關(guān)閉狀態(tài)，活塞將第一沖程吸入的空氣壓縮在燃燒室內，使空氣的溫度和壓力升高。此過(guò)程結束時(shí)，氣缸內空氣溫度約在500～700℃，壓力為27～49個(gè)大氣壓。
如示功圖6所示，壓縮行程用曲線(xiàn)ac表示。壓縮終了時(shí)可燃混合氣的壓力和溫度取決于壓縮比，壓縮比越大，燃燒速度越快，因而發(fā)動(dòng)機發(fā)出的功率便越大，經(jīng)濟性越好。但壓縮比過(guò)大時(shí)，不僅不能進(jìn)一步 改善燃燒狀況，反而會(huì )出現爆燃和表面點(diǎn)火等不正常燃燒現象。
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圖5 進(jìn)氣行程示功圖 |
圖6 壓縮行程示功圖 |
3、做功沖程
活塞從上止點(diǎn)移動(dòng)到下止點(diǎn)，進(jìn)、排氣門(mén)都處于關(guān)閉，壓縮過(guò)程結束時(shí)，噴油器將高壓燃油噴人氣缸，與高溫高壓空氣混合，由于溫度高于柴油自燃點(diǎn)，產(chǎn)生大量熱能，使氣缸內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，對外做功，此過(guò)程最高燃燒壓力約為60～90個(gè)大氣壓、溫度最高達到1700～2000℃。隨著(zhù)膨脹作用的進(jìn)行，熱能轉變?yōu)闄C械能，氣缸內氣體的壓力、溫度急劇下降，到膨脹結束時(shí)，氣缸內的壓力下降至4個(gè)大氣壓，溫度降到600～900℃。
如示功圖7所示，曲線(xiàn)Zb表示活塞向下移動(dòng)時(shí)氣缸內容積增加，氣體壓力和溫度都在降低。在做功行程終了的b點(diǎn)，壓力降到0.3 ~0.5MPa，溫度則降為1300 ~ 1600K。
4、排氣沖程
排氣沖程活塞從下止點(diǎn)移動(dòng)到上止點(diǎn)，此時(shí)進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉，排氣門(mén)打開(kāi)。膨脹結束后，氣缸內氣體已失去做功的能力，稱(chēng)為廢氣。為了使新鮮空氣重新進(jìn)入氣缸，需將廢氣排出。廢氣在活塞上行的排擠下，經(jīng)過(guò)排氣門(mén)到出缸外。排期結束時(shí)，氣缸內的壓力約為1.03～1.08個(gè)大氣壓，溫度約為350～600℃。至此，活塞又回到上止點(diǎn)，單缸四沖程柴油機完成一個(gè)工作循環(huán)，曲軸轉動(dòng)兩圈。此外，實(shí)際情況下，柴油機的進(jìn)、排氣門(mén)動(dòng)作的時(shí)間并非活塞移動(dòng)到上、下止點(diǎn)，而是進(jìn)氣門(mén)在上止點(diǎn)前打開(kāi)，下止點(diǎn)后關(guān)閉；排氣門(mén)在下止點(diǎn)前打開(kāi)，上止點(diǎn)后關(guān)閉。
如示功圖8所示，用曲線(xiàn)br表示。由于排氣系統存在排氣阻力，所以在排氣終了時(shí)，氣缸內壓力稍高于大氣壓力，為0.105 ~0.120MPa，廢氣溫度為900 ~ 1100K。因燃燒室占有一定容積，故排氣終了時(shí)，不可能將廢氣排盡，留下的這一部分廢氣稱(chēng)為殘余廢氣。
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圖7 做功行程示功圖 |
圖8 排氣行程示功圖 |
三、結構組成
盡管柴油機的種類(lèi)很多，其結構也不盡相同，但是它們有連桿、配氣、燃油供給、潤滑和冷卻。柴油機的三個(gè)主要部件是連桿機構、配氣機構和供油機構，它們相互協(xié)作，共同完成工作，并將其轉化為能源。在實(shí)際應用中，三種技術(shù)狀態(tài)的優(yōu)劣以及它們的配合是否合理直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機的運行。另外潤滑系和冷系是發(fā)動(dòng)機的輔助裝置，對發(fā)動(dòng)機的長(cháng)時(shí)間運行起著(zhù)至關(guān)重要的作用。若潤滑系統或冷卻系統不能工作，則會(huì )導致發(fā)動(dòng)機失效。因此，在柴油機的運行中，應對上述各個(gè)環(huán)節給予足夠的關(guān)注，而不能忽略其中的一個(gè)環(huán)節，否則不僅不能保證其正常工作，還可能導致發(fā)動(dòng)機的重大損傷。
要想使柴油機每個(gè)沖程工作都很好，整機都處于低損耗、高效率、高可靠的工作狀態(tài)，必須建立必要的供油、供氣、散熱、排氣、潤滑等保障系統。以下為柴油機的基本結構：
1、燃油供給系統
由油管將燃油箱、輸油泵、燃油濾清器（粗濾和細濾）、噴油泵、噴油器、溢流閥等部件組成一個(gè)閉合循環(huán)供油系統。
在這里，柴油先被輸油泵從油箱抽出，經(jīng)過(guò)粗濾去除油中的雜質(zhì)后到達精濾器，再次濾除油中的細小雜質(zhì)、氣泡。然后進(jìn)入由噴油泵、燃油軌或燃油集合管、噴油器及電子調速器構成的燃油噴射系統。燃油被加壓、計量、定時(shí)和控制，再經(jīng)噴油嘴以霧化的柴油氣噴人氣缸。剩余的燃油則經(jīng)溢流閥流回油箱。
燃油噴射系統最重要的作用是保證噴油器正時(shí)、定量地將柴油霧化氣噴射到氣缸中。柴油機能否精確地調速，燃油能否充分燃燒，整機效率如何全靠它的調控。所以燃油噴射系統是柴油機的控制中心或心臟。以電子調速器為核心的燃油噴射系統即電噴技術(shù)，其特點(diǎn)是將精濾以后的燃油經(jīng)噴油泵加壓后送入燃油集合管或燃油軌，而所有氣缸的噴油嘴均由它們統一供油，噴油器的噴嘴是由電子調速器控制的電磁閥。柴油機工作時(shí)，燃油油溫、油壓、轉速等實(shí)時(shí)參數，被電子傳感器采集并輸入電子調速器進(jìn)行分析處理。然后它以最佳的程序控制噴油泵轉速以調節集合管或油軌內燃油的壓力、供給量，同時(shí)以最佳的時(shí)間開(kāi)啟噴油器電磁閥，并控制其霧化噴油量。從而使燃油在氣缸內得以充分地燃燒，發(fā)出最大功率，并減少了排放氣體中有害物質(zhì)的含量。
2、配氣機構
柴油機的配氣機構有進(jìn)氣和排氣兩個(gè)部分，其結構3D模型如圖9所示。油機正常工作必須有充足的新鮮空氣（含氧量多)供給氣缸使燃油充分燃燒。燃燒后氣缸內的廢氣必須及時(shí)排出機外，這也稱(chēng)為柴油機的呼吸。
柴油機輸出功率的大小，取決于進(jìn)入氣缸的燃油霧氣和空氣的數量及熱能的有效利用率。因此增加進(jìn)入氣缸的空氣密度，就會(huì )提高柴油機的輸出功率。然而，空氣的密度與壓力成正比，與溫度成反比。所以就采用增加進(jìn)氣壓力，降低進(jìn)氣溫度的辦法提高進(jìn)氣密度?？諝饨?jīng)過(guò)濾清器去除其中的灰塵，然后經(jīng)過(guò)利用排出廢氣推動(dòng)的渦輪增壓器被增壓，再通過(guò)冷卻器降溫，有一定壓力和降溫的新鮮空氣經(jīng)過(guò)氣缸上蓋的進(jìn)氣門(mén)就可以多地壓入氣缸。從而增加了進(jìn)入氣缸內的空氣度（提高含氧量）。這樣可使柴油機的輸出功率提30%～100%以上。
柴油機的排氣機構是由氣缸上蓋的排氣門(mén)開(kāi)始的。燃燒后的廢氣從氣缸穿過(guò)排氣門(mén)沖出，其溫度為500～600℃，利用它的巨大能量推動(dòng)渦輪增壓器，既可對進(jìn)氣加壓又可降低廢氣的溫度和壓力，可謂一舉兩得。剩余的廢氣經(jīng)過(guò)消聲器排出。
3、冷卻機構
氣缸工作過(guò)程中，其外壁溫度很高，活塞、氣缸蓋、氣門(mén)等部件長(cháng)期處于高溫下連續工作，因此必須采取降溫措施。使其保持在65～85℃適宜溫度環(huán)境中。散熱降溫的方式通常有風(fēng)冷和循環(huán)水冷。
風(fēng)冷方式簡(jiǎn)單，就是用風(fēng)扇吹氣缸及周?chē)考_到散熱降溫的效果。適用于小型柴油機。
水冷方式較復雜，當柴油機工作時(shí)，循環(huán)水泵將散熱水箱及管路內的冷卻水流動(dòng)起來(lái)，流動(dòng)的水經(jīng)過(guò)機油冷卻器、氣缸外壁、上蓋等部位的管路將熱量帶走。熱水流動(dòng)到散熱水箱時(shí)經(jīng)過(guò)許多散熱細管，這些細管后面是吹風(fēng)扇，細管內的熱水被吹風(fēng)降溫，然后又循環(huán)去降低氣缸的溫度。
4、潤滑系統
柴油機工作過(guò)程中，各運動(dòng)零件之間表面相互磨擦，產(chǎn)生大量的損耗，降低整機的效率和使用期限。因此必須加以潤滑，使其相對運動(dòng)零件表面覆蓋一層潤滑油（俗稱(chēng)機油）以減小磨擦損耗。
機油儲存在柴油機底部的油底殼內，既可散熱，又可沉淀濾除一些鐵粉。機油泵可將機油抽出并且加壓，機油一部分經(jīng)過(guò)離心式精濾器過(guò)濾后流回油底殼，另一路被刮片式粗濾器過(guò)濾后進(jìn)入機油冷卻器降溫，然后經(jīng)管路去潤滑曲軸、連桿、活塞、氣門(mén)機構等，剩余的機油再經(jīng)管路流回油底殼。
5、啟動(dòng)裝置
柴油機由靜止變?yōu)檫\轉必須依靠外力幫助，所以啟動(dòng)方式有人力啟動(dòng)、電動(dòng)機啟動(dòng)、輔助小汽油機啟動(dòng)、壓縮空氣啟動(dòng)等多種方式。人力啟動(dòng)常用于農業(yè)機械，例如手扶拖拉機。輔助小汽油機啟動(dòng)常用于大型拖拉機、坦克等。壓縮空氣啟動(dòng)方式常用于大型柴油機，用壓縮空氣驅動(dòng)氣動(dòng)馬達帶動(dòng)曲軸轉動(dòng)。
電機啟動(dòng)方式是常用的，柴油機帶有蓄電池組（一般常用24V）供給啟動(dòng)電動(dòng)機工作。啟動(dòng)電動(dòng)機的軸端裝有離合機構，它通過(guò)齒輪與柴油機的曲軸飛輪的外齒圈相嚙合。開(kāi)機時(shí)，啟動(dòng)電動(dòng)機接通蓄電池而轉動(dòng)。從而帶動(dòng)柴油機曲軸旋轉，當柴油機著(zhù)火工作起來(lái)以后，啟動(dòng)電動(dòng)機的離合機構自動(dòng)與飛輪脫開(kāi)，啟動(dòng)電動(dòng)機也停止工作。柴油機工作起來(lái)以后還附帶著(zhù)小發(fā)電機給蓄電池充電。
6、曲柄連桿機構
曲柄連桿機構的組成是由機體組、活塞連桿組、曲軸飛輪組構成，其3D模型如圖10所示。曲柄連桿機構的主要作用：
（1）將氣體的壓力變?yōu)榍S的轉矩；
（2）將活塞的往復運動(dòng)變?yōu)榍S的旋轉運動(dòng)；3
（3）把燃燒作用在活塞頂上的力轉變?yōu)榍S的轉矩，向工作機械輸出機械能。
曲柄連桿機構是內燃機實(shí)現工作循環(huán)，完成能量轉換的傳動(dòng)機構，用來(lái)傳遞力和改變運動(dòng)方式，其是通過(guò)曲柄和滑塊的連接、轉動(dòng)帶動(dòng)滑塊左右移動(dòng)。曲柄連桿機構具有耐高溫、耐高壓、耐高速、耐化學(xué)腐蝕的功能。
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圖9 柴油機配氣結構3D模型圖 |
圖10 柴油機曲柄連桿機構3D模型圖 |
總結：
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。
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