新聞主題	四沖程柴油機工作特點(diǎn)與結構簡(jiǎn)圖

 

摘要：柴油發(fā)動(dòng)機在工作原理上與汽油發(fā)動(dòng)機十分相似。大多數柴油發(fā)動(dòng)機是四沖程的，但也有二沖程的柴油發(fā)動(dòng)機結構的。因為柴油發(fā)動(dòng)機的特點(diǎn)，它經(jīng)常被用于那些需要較大載荷和轉矩的發(fā)電機組上。四沖程柴油機是壓燃式柴油發(fā)動(dòng)機，而不是點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機。柴油發(fā)動(dòng)機上有許多零部件與典型的汽油發(fā)動(dòng)機相同。柴油發(fā)動(dòng)機有活塞、氣門(mén)、曲軸、燃油系統、冷卻系統、起動(dòng)和充電系統，以及污染控制系統。因為柴油發(fā)動(dòng)機用于較大負荷，這些系統比汽油發(fā)動(dòng)機上的更加結實(shí)，更加強勁。柴油發(fā)動(dòng)機與汽油發(fā)動(dòng)機之間的一個(gè)較大區別是柴油發(fā)動(dòng)機的壓縮比較高外，柴油噴射系統使用的是高壓噴射，而汽油發(fā)動(dòng)機使用的是低壓燃油噴射系統。

 

一、柴油機工作過(guò)程

 

      柴油機是一種壓縮發(fā)火的往復式內燃機。它的基本工作原理是使燃油直接在發(fā)動(dòng)機的氣江中燃燒，將燃油的化學(xué)能轉變成熱能，從而主成高溫高壓的燃氣，因燃氣膨脹，推動(dòng)活塞云動(dòng)，通過(guò)曲柄連桿對外做功，將熱能轉變?yōu)闄C械能。柴油機必須經(jīng)過(guò)進(jìn)氣、壓縮、燃燒（膨脹）和排氣四個(gè)過(guò)程才能完成了一個(gè)工作循環(huán)。然舌不斷重復進(jìn)行這些過(guò)程，使柴油機持續工作。

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(mén)打開(kāi)，排氣門(mén)關(guān)閉。由于汽缸內容積增大，使汽缸內的壓力低于大氣壓，在汽缸內外壓力差的作用下，外界新鮮空氣通過(guò)進(jìn)氣門(mén)吸入汽缸。由于進(jìn)氣系統有阻力，空氣進(jìn)入汽缸后的壓力低于大氣壓力。進(jìn)氣終了時(shí)汽缸內的壓力約為0.8～0.9大氣壓。汽缸內空氣的溫度則高于大氣溫度，一般溫度在40℃～70℃。

      進(jìn)氣過(guò)程對柴油機工作影響很大，進(jìn)氣沖程結束時(shí)，汽缸內充氣量越多，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。

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(mén)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，使空氣的溫度和壓力升高。壓縮終了時(shí)，汽缸內空氣溫度約在500℃～700℃范圍內，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(mén)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(guò)柴油自燃點(diǎn)溫度，便自行著(zhù)火燃燒，產(chǎn)生大量熱能，使汽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。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1700℃～2000℃。隨著(zhù)膨脹作用的進(jìn)行，熱能變成了機械能，汽缸內氣體的壓力、溫度急劇下降，到膨脹終了時(shí)，汽缸內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(mén)關(guān)閉，排氣門(mén)打開(kāi)。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(mén)排出缸外。排氣終了時(shí)，汽缸內的壓力約為1.03～1.08大氣壓，溫度約為350℃～600℃。

      當排氣終了時(shí)，活塞又回到上止點(diǎn)，至此，單缸四沖程柴油機完成了一個(gè)工作循環(huán)。曲軸在這一工作循環(huán)中轉動(dòng)兩圈，即720（曲軸轉角），活塞則經(jīng)過(guò)四個(gè)沖程：進(jìn)、壓、工、排。應當指出，以上講的是理論上柴油機的工作過(guò)程，但實(shí)際上柴油機工作過(guò)程很復雜，進(jìn)、排氣門(mén)并不在上、下止點(diǎn)時(shí)打開(kāi)或關(guān)閉，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，這里不再講述。

      從上述四個(gè)工作過(guò)程中可以看出，只有第程全是輔助過(guò)程，是需要消耗能量的，這個(gè)問(wèn)題在單缸柴油機上是利用飛輪儲存的能量來(lái)解決，在多缸柴油機上則主要靠其他缸的做功沖程來(lái)供給。工作循環(huán)開(kāi)始時(shí)（即柴油機起動(dòng)時(shí)），需要用外力先使曲軸轉動(dòng)，完成輔助過(guò)程，使柴油機起動(dòng)，柴油機才能正常運轉，即四個(gè)工作過(guò)程依次不斷地重復出現。圖2為四沖程柴油機內部運行簡(jiǎn)易演示圖。

 

圖1  四沖程柴油機工作過(guò)程

圖2  四沖程柴油機內部運行簡(jiǎn)易演示圖

 

二、結構組成

 

      四沖程柴油發(fā)動(dòng)機三維側視圖如圖3所示，結構組成如圖4所示。

1、固定部件

      主要由氣缸蓋、氣缸套、機體、機座、主軸承等構成柴油機本體和運動(dòng)件的支承，并和有關(guān)運動(dòng)部件配合構成柴油機的工作空間。

2、運動(dòng)部件

      主要由活塞、活塞銷(xiāo)、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械能的轉換。

3、配氣系統  

      它包括進(jìn)氣系統和排氣系統。

（1）進(jìn)氣系統主要由空氣濾清器、進(jìn)氣管件、氣缸蓋內的進(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)機構等所組成，用來(lái)在規定的時(shí)間內向氣缸內充入足夠的新鮮空氣。

（2）排氣系統主要由排氣閥、氣閥彈簧、搖臂、頂桿、凸輪軸和傳動(dòng)機構以及排氣管、排氣消音器等組成。用來(lái)在規定時(shí)間內將氣缸內作功后的廢氣排入大氣。

4、燃油系統

      包括供應和噴射兩個(gè)系統。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燃燒作功所需的燃油。

5、潤滑系統

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

6、冷卻系統

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

7、起動(dòng)系統

      柴油機本身無(wú)自行起動(dòng)能力。起動(dòng)系統的任務(wù)就是使柴油機從停車(chē)狀態(tài)發(fā)動(dòng)起來(lái)。

8、調速裝置

      調速裝置的作用是使柴油機能按外界阻力矩的變化而自動(dòng)改變噴油泵的噴油量，從而使柴油機在選定轉速下穩定運轉。此外，船舶柴油機還設有換向裝置，并將起動(dòng)、調速、換向和停車(chē)集中控制組成操縱系統。多數柴油機還設有增壓系統，用于進(jìn)一步提高柴油機作功能力。

 

圖3  柴油發(fā)動(dòng)機側視圖

圖4  康明斯QSB5.9型柴油發(fā)動(dòng)機結構圖

 

三、柴油機和汽油機的比較

 

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

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

（2）因為汽油發(fā)動(dòng)機的壓縮比較低，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)機的燃燒是由火花塞引發(fā)的，而柴油發(fā)動(dòng)機是壓燃的。

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

（6）汽油發(fā)動(dòng)機的排氣溫度遠遠高于柴油發(fā)動(dòng)機，因為在排氣沖程仍然有部分汽油在燃燒。汽油發(fā)動(dòng)機的廢氣中一氧化碳的含量也很高。

（7）柴油發(fā)動(dòng)機的一個(gè)主要缺點(diǎn)是氮氧化物（NO_x）的排放量大。因為內部溫度較高，與汽油發(fā)動(dòng)機相比，柴油發(fā)動(dòng)機會(huì )產(chǎn)生更多的氮氧化物。氮氧化物被認為是溫室效應氣體（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），氮氧化物也是導致光化學(xué)煙霧的主要氣體之一，盡管發(fā)動(dòng)機制造商在不斷改進(jìn)，降低排放。

（8）柴油發(fā)動(dòng)機的效率比汽油發(fā)動(dòng)機大約高10％。原因是柴油發(fā)動(dòng)機的壓縮比更高，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)機和柴油發(fā)動(dòng)機的比較

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