新聞主題	傳統柴油發動機的工作原理簡述

 

摘要：柴油機是以柴油作燃料的壓燃式柴油機。工作時，氣缸內的空氣被壓縮而溫度升高，定時噴入氣缸的柴油自行著火燃燒，產生高溫、高壓的燃氣膨脹推動活塞做功，將熱能轉變為機械功。柴油機的工作循環由進氣、壓縮、噴油著火燃燒、膨脹做功和排氣等過程組成。這些過程可以由四沖程或二沖程柴油機來實現。

 

一、內燃機熱力循環原理

 

       熱力學循環是熱力學的重要概念，它描述了能量在系統中的傳遞和轉化過程。內部燃燒示例如圖1所示。

1、內燃機理論循環的三種基本形式

（1）定容加熱循環0tto，見圖2a。

（2）定壓加熱循環Diesel，見圖2b。

（3）混合加熱循環Sabathe，見圖2c。

2、理論循環熱效率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）工質絕熱指數：k

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

3、理論循環平均壓力P_t的影響因素

（1）P_a壓縮始點壓力；

（2）q_l單位工質吸入熱量；

（3）T_a壓縮始點溫度；

（4）η_t=1-(λρ^k-1)/εk^-1[λ-1+kλ(ρ-1)]。

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

4、三種理論循環熱效率比較

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

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

      內燃機的應用基于熱力學原理，通過燃燒燃料產生高溫高壓氣體，從而將燃料的化學能轉化為機械能。了解內燃機的熱力學原理，有助于我們更好地理解其工作原理和性能特點。

 

圖1  柴油機內部熱力循環工作原理圖	圖2  柴油機理論循環示意圖
圖3  柴油機混合加熱循環繼續膨脹	圖4  柴油機三種理論循環的熱效率

 

二、柴油機的基本工作原理

 

      用4個行程，曲軸回轉兩周完成一個工作循環。四沖程柴油機的基本結構如圖5所示。工作時活塞作往復直線運動，曲軸做旋轉運動。活塞改變運動方向的瞬時位置稱止點（死點），止點處的活塞瞬時運動速度為零。離曲軸中心最遠的止點稱上止點，最近的止點稱下止點。四沖程柴油機的工作原理如圖6所示，圖中分別表示4個行程中活塞、連桿、曲軸及氣閥的相對位置。

1、進氣行程

      活塞從上止點下行，進氣閥打開。因活塞下行的抽吸作用，氣缸內充入新鮮空氣。為了能充入更多新鮮空氣，進氣閥一般在上止點前提前開啟，在下止點后延遲關閉，進氣閥開啟的延續角度約為220°～250°，如圖2a所示。

2、壓縮行程

      活塞從下止點上行，進、排氣閥均關閉。活塞上行壓縮缸內的空氣，使其壓力和溫度均不斷升高。壓縮終點的壓力約為3～6MPa；溫度約為500～700℃。在上止點（壓縮終點）附近，霧化的燃油經噴油器噴入燃燒室，并在高溫高壓空氣的作用下，開始自行著火燃燒，如圖2b所示。

3、做功行程

      活塞由上止點向下運動，進、排氣閥均關閉。在此行程的初期，大量的混合氣燃燒，缸內的壓力和溫度都急劇升高，其最大值分別可達6～9MPa和1500～2000℃左右。高溫高壓氣體推動活塞下行做功，在上止點后某一時刻，燃燒結束，膨脹做功仍在進行。當活塞到達下止點前某一時刻，排氣閥開啟，做功過程結束。此時，氣缸內的壓力約為0.2～0.5MPa，溫度約為600～700℃。活塞則繼續向下止點下行，如圖2c所示。

4、排氣行程

      曲軸帶動活塞由下止點向上運動，排氣閥繼續開啟狀態，氣缸內的廢氣被上行的活塞強行推出缸外。為了實現充分排氣和減少排氣過程中所消耗的功，不但在下止點前提前開啟排氣閥，而且要在排氣行程結束的上止點后才關閉。排氣閥開啟的延續角度約為230°～260°如圖2d所示。

      四沖程柴油機完成一個工作循環要經歷進氣、壓縮、做功、排氣等4個行程；一個工作循環曲軸回轉兩轉，即曲軸轉角720°。其中只有一個行程做功，其余3個行程都要消耗功。因此，在單缸柴油機必須有一個足夠大的飛輪來供給這3個行程所需的能量；而對于多缸柴油機，則借助于其他氣缸膨脹做功過程來供給。

      柴油機必須借助外部能量的驅動使其啟動運轉，實現停車狀態進入工作狀態，直至噴入氣缸的燃油自發火燃燒，實現柴油機自行運轉。

 

圖5  柴油機氣缸運動示意圖 1-排氣門 2-進氣門 3-氣缸蓋 4-氣缸5-活塞 6-活塞銷 7-連桿

圖6  四沖程柴油機工作原理

 

三、二沖程柴油機的基本工作原理

 

      二沖程柴油機用兩個行程，曲軸回轉一周完成一個工作循環的柴油機。二沖程柴油機與四沖程柴油機的不同是在于氣缸上設有氣口，如圖7所示氣缸右側為排氣口，左側為進氣口。進氣口比排氣口略低，由活塞控制氣口的開與關。此外，二沖程柴油機設有掃氣泵。壓縮的空氣被掃氣泵預先送入掃氣箱中，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

       活塞由下止點向上運動。在活塞接近進氣口之前，氣缸中繼續充入新鮮空氣并通過排氣口將氣缸內的廢氣趕出。當進氣口完全被活塞遮蔽時（點1），新鮮空氣不再進入氣缸內。當排氣口被活塞遮蔽后（點2），活塞對氣缸內的空氣進行壓縮，產生高壓和高溫氣體。在活塞到達上止點前的某一時刻（點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0-1-2）、壓縮（曲線2-3）和噴油著火燃燒各過程。

2、膨脹做功一換氣行程

      活塞由上止點向下運動。混合氣在此行程的初期仍在猛烈燃燒，到點4才基本結束。活塞因燃氣膨脹的推動下行做功。排氣口在活塞下行打開時（點5），由于此時缸內燃氣的壓力和溫度仍較高，分別為0.25～0.6MPa和600～800℃，在氣缸內外的壓差作用下氣缸內燃氣從排氣口高速排出，缸內壓力隨之降低。當缸內下降的壓力接近掃氣壓力時，下行的活塞打開進氣口，新鮮空氣通過進氣口進入氣缸，并對氣缸內進行掃氣，將缸內的廢氣排出排氣口。這個過程稱為掃氣過程，一直要延續到下一個循環活塞再次上行將進氣口關閉時為止。工作過程如圖8所示。

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

      由此可見，相比四沖程柴油機，二沖程柴油機是將進氣和排氣過程合并到壓縮與膨脹行程中進行，有兩個行程被省略。因此，二沖程柴油機完成一個工作循環曲軸回轉一周。在活塞行程、氣缸直徑與轉速相同的條件下，二沖程柴油機的功率似乎應為四沖程柴油機的2倍；但實際上，由于二沖程柴油機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的1.6～1.8倍。

 

圖7  二沖程柴油機工作原理

圖8  柴油機做功示意圖

 

總結：

      總結起來，柴油機的工作原理包括進氣過程、壓縮過程、做功過程和排氣過程。通過柴油機各個系統的協同作用，柴油機能夠高效、可靠地產生動力。柴油機在現代交通和工業領域中扮演著重要的角色，不斷的技術創新和改進將進一步提高其性能和可靠性。

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