新聞主題	柴油機(jī)原理包括進(jìn)氣、壓縮、做功和排氣四大過(guò)程

 

摘要：以四沖程柴油機(jī)為例，對(duì)柴油機(jī)的工作原理進(jìn)行介紹。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作行程分別稱為進(jìn)氣過(guò)程、壓縮過(guò)程、燃燒和膨脹過(guò)程、排氣過(guò)程。本文從柴油發(fā)動(dòng)機(jī)原理、使用和結(jié)構(gòu)因素，全面分析工作過(guò)程中實(shí)際循環(huán)和理想循環(huán)存在的差別，并通過(guò)分析找到縮小這些差別的有效途徑。本文重點(diǎn)是壓縮和膨脹過(guò)程分析，難點(diǎn)是使用和結(jié)構(gòu)因素是如何影響多變指數(shù)變化的變化對(duì)終態(tài)參數(shù)的影響。

 

一、柴油機(jī)工作原理和多變指數(shù)

 

      柴油機(jī)工作原理活塞連續(xù)運(yùn)行四個(gè)沖程（即曲軸旋轉(zhuǎn)兩周）的過(guò)程中，完成一個(gè)工作循環(huán)（進(jìn)氣―壓縮―燃燒和膨脹―排氣）的柴油機(jī)。工作過(guò)程如圖1所示。

1、進(jìn)氣過(guò)程（第一行程r-a）

      活塞在曲軸的帶動(dòng)下，從上止點(diǎn)移動(dòng)到下止點(diǎn)，此時(shí)進(jìn)氣門(mén)打開(kāi)，排氣門(mén)關(guān)閉。由于氣缸內(nèi)容積增大，氣缸內(nèi)壓力低于大氣壓。因此，新鮮空氣通過(guò)吸氣門(mén)進(jìn)入氣缸。由于進(jìn)氣系統(tǒng)有阻力，空氣進(jìn)入氣缸后的壓力低于大氣壓。進(jìn)氣結(jié)束時(shí)氣缸內(nèi)的壓力約為0.8~0.9個(gè)大氣壓，溫度在40、70℃。此過(guò)程結(jié)束時(shí)，氣缸內(nèi)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(jī)發(fā)出的功率就越大。

（1）第一階段示功圖如圖2所示。r點(diǎn)高于P_o→殘余廢氣壓力P_r之故。

（2）活塞在廢氣壓力（P_r）膨脹推動(dòng)下作正功，此時(shí)并未進(jìn)入缸內(nèi)；只有當(dāng)壓力降到小于P₀時(shí)，新鮮空氣才真正被吸入缸中。

（3）由于有進(jìn)氣阻力，所以進(jìn)氣終了壓力P_a<P_o，此時(shí)活塞克服進(jìn)氣阻力（△P_a=P₀-P_a）作負(fù)功。

（4）因缸內(nèi)有熱量存在，所以空氣進(jìn)入缸內(nèi)后被加熱。

2、壓縮過(guò)程（第二行程a-c)

      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(nèi)，使空氣的溫度和壓力升高。此過(guò)程結(jié)束時(shí)，氣缸內(nèi)空氣溫度約在500~700℃，壓力為27~49個(gè)大氣壓。第二階段示功圖如圖3所示。

（1）非絕熱過(guò)程

      前段為吸熱（n₁'＞k），后段為放熱（n₁’<k），只有在某一點(diǎn)（m點(diǎn)）才是n₁’=k。它為多變指數(shù)（n₁'＜k）在隨時(shí)發(fā)生變化的多變過(guò)程。

（2）工質(zhì)在數(shù)量和性質(zhì)上有變化。

（3）多變過(guò)程終態(tài)參數(shù)。

P_c=P_α×εⁿ¹

T_c=T_α×ε^n1-1

① 增加壓縮過(guò)程的目的：增大吸熱與放熱時(shí)的溫差，獲得最大的膨脹比，從而提高熱效率。

② 為燃燒創(chuàng)造條件，特別是柴油機(jī)燃燒——壓燃式。

③ 提高P_c和T_c的重要途徑是增大壓縮比。

④ n₁也希望提高，它主要受到熱交換及工質(zhì)泄漏的影響：傳熱量大，T_c↓，意味n₁↓;同樣，泄漏量大，P_c↓，也意味n₁↓。

⑤ 減少傳熱量，提高n₁的措施有：提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（傳熱和泄漏的時(shí)間減少）;負(fù)荷增加（水溫高）、采用空冷；增大氣缸直徑（相對(duì)傳熱量和泄漏量將減少）。

⑥ 在進(jìn)行熱力計(jì)算時(shí)，其“多變指數(shù)”取平均多變指數(shù)進(jìn)行計(jì)算（“平均多變指數(shù)”取得是否合理，其計(jì)算結(jié)果要與熱力過(guò)程中的初、終態(tài)實(shí)際基本狀態(tài)參數(shù)一致來(lái)決定）。

3、燃燒過(guò)程（第三行程c-z)

      燃燒過(guò)程目的是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽构べ|(zhì)溫度和壓力提高。

      由于前期噴出的燃油的燃燒，在接近容積不變的情況下發(fā)生，所以壓力上升很快（即：為定容加熱過(guò)程），如圖4所示。此后，功率增長(zhǎng)變緩。由于噴油是持續(xù)的個(gè)過(guò)程，氣體溫度將進(jìn)一步提高，雖然活塞已開(kāi)始下行，容積開(kāi)始擴(kuò)大，但因溫度增高的緣故，氣體壓力接近不變（即：存在定壓加熱的過(guò)程）。

4、膨脹過(guò)程（第三行程z-b)

      膨脹過(guò)程目的是利用高溫、高壓的工質(zhì)推動(dòng)活塞下行對(duì)外作功，實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換。

（1）非絕熱過(guò)程

      如圖5所示。前段繼續(xù)吸熱（補(bǔ)燃部分，n₂’＜k），后段為放熱（向水套放熱，n₂’＞k），只有在某一點(diǎn)才是n₂’=k。它也為多變指數(shù)（n₂’）在隨時(shí)發(fā)生變化的多變過(guò)程。

（2）工質(zhì)數(shù)量和性質(zhì)變化

      如：2H?+O?=2H?O，另外，還有漏氣損失。

（3）終態(tài)參數(shù)：

P_b=P_z/δⁿ²

T_b=T_z/δ^n2-1

（4）在進(jìn)行熱力計(jì)算時(shí)，其“平均多變指數(shù)”取得合理與否，由計(jì)算結(jié)果與實(shí)際熱力過(guò)程中的初、終態(tài)基本狀態(tài)參數(shù)是否一致來(lái)決定。

① n?的影響：

      工質(zhì)吸熱時(shí)，n₂影響因素有：轉(zhuǎn)速增加、混合氣質(zhì)量不好，均會(huì)使補(bǔ)燃增加，工質(zhì)在膨脹期吸熱量的增加，導(dǎo)致P_b、T_b增大，不好；工質(zhì)放熱時(shí)，n₂影響因素有：漏氣增加、氣缸直徑減小（相對(duì)散熱面積增加）、表面上雖然能使P_b、T_b降低，但熱能卻被水套中的水或空氣帶走，也不好。

② 要使P_b、T_b減小，提高ε、δ是最好途徑。

5、排氣過(guò)程（第四行程b-r)

      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(jié)束后，氣缸內(nèi)氣體已失去做功的能力，稱為廢氣。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(jié)束時(shí)，氣缸內(nèi)的壓力約為1.03~1.08個(gè)大氣壓，溫度約為350~600℃。排氣過(guò)程目的是將廢氣排出，以便更換新鮮工質(zhì)。第四階段示功圖如圖6所示。

① 排氣有阻力（P_r>P₀），要消耗機(jī)械功（活塞上受到的阻力=P_r-P₀）。

② P_r大，表征殘余廢氣多。

③ 容易通過(guò)測(cè)量T_r大小來(lái)判定燃燒好壞。

④ 排氣溫度和壓力比較：

      至此，活塞又回到上止點(diǎn)，四沖程柴油機(jī)完成一個(gè)工作循環(huán)，曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩圈。此外，實(shí)際情況下，柴油機(jī)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。

 

圖1  柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理圖	圖2  柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣行程示功圖
圖3  柴油發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮行程示功圖	圖4  柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒行程示功圖
圖5  柴油發(fā)動(dòng)機(jī)非絕熱示功圖	圖6  柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣行程示功圖

 

 二、柴油機(jī)基本結(jié)構(gòu)

 

      發(fā)動(dòng)機(jī)是由曲柄連桿機(jī)構(gòu)和配氣機(jī)構(gòu)兩大機(jī)構(gòu)，以及冷卻、潤(rùn)滑、點(diǎn)火、燃料供給、啟動(dòng)系統(tǒng)等五大系統(tǒng)組成。主要部件有氣缸體、氣缸蓋、活塞、活塞銷、連桿、曲軸、飛輪等，如圖7所示。往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的工作腔稱作汽缸，汽缸內(nèi)表面為圓柱形。

1、氣缸

      柴油機(jī)通常有多個(gè)氣缸，每個(gè)氣缸內(nèi)都有活塞運(yùn)動(dòng)。氣缸通常由鑄鐵或鋁合金制成，具有耐高溫、耐高壓的特點(diǎn)。

2、曲軸連桿機(jī)構(gòu)

      在汽缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞通過(guò)活塞銷與連桿的一端鉸接，連桿的另一端則與曲軸相連，曲軸由氣缸體上的軸承支承，可在軸承內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，構(gòu)成曲柄連桿機(jī)構(gòu)?；钊谄變?nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，連桿推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)。反之，曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，連桿軸頸在曲軸箱內(nèi)作圓周運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)連桿帶動(dòng)活塞在氣缸內(nèi)上下移動(dòng)。曲軸每轉(zhuǎn)一周，活塞上、下各運(yùn)行一次，汽缸的容積在不斷的由小變大，再由大變小，如此循環(huán)不已。模型結(jié)構(gòu)如圖8所示。

3、潤(rùn)滑系統(tǒng)

      柴油機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)主要包括油底殼、曲軸箱、曲軸、連桿、活塞、氣缸等部分。潤(rùn)滑系統(tǒng)通過(guò)提供潤(rùn)滑油，減少零部件之間的摩擦，降低磨損。同時(shí)，還能冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)，清除異物和有害殘留物。

4、燃油系統(tǒng)

      柴油機(jī)的燃油系統(tǒng)主要由燃油箱、濾清器、燃油泵、噴油器等組成。燃油泵將柴油從燃油箱中抽取，通過(guò)濾清器進(jìn)行過(guò)濾，然后將燃油噴射到氣缸中。噴油器將燃油霧化和噴射時(shí)間控制在適當(dāng)范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)高效燃燒。

5、冷卻系統(tǒng)

      柴油機(jī)的冷卻系統(tǒng)主要由水泵、水箱、散熱器等組成。冷卻系統(tǒng)通過(guò)將冷卻液循環(huán)引流，吸熱并冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)。這有助于保持發(fā)動(dòng)機(jī)在正常工作溫度范圍內(nèi)，防止過(guò)熱和燒壞。

6、起動(dòng)系統(tǒng)

      柴油機(jī)的起動(dòng)系統(tǒng)通常由啟動(dòng)電機(jī)、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)和起動(dòng)電路組成。當(dāng)系統(tǒng)通過(guò)啟動(dòng)電路時(shí)，啟動(dòng)電機(jī)將轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)。

 

圖7  柴油發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖8  柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)組成模型圖

 

三、柴油機(jī)的主要特點(diǎn)

 

      柴油機(jī)的工作原理可以總結(jié)為壓縮、噴油、燃燒和排氣四個(gè)基本過(guò)程。與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)的燃燒過(guò)程更加復(fù)雜，主要有以下特點(diǎn)：

1、高壓縮比

       柴油機(jī)的壓縮比通常比汽油機(jī)高得多，這是為了提高燃燒效率。高壓縮比使得柴油在壓縮沖程中達(dá)到高溫高壓狀態(tài)，有利于燃燒過(guò)程的進(jìn)行。

2、自燃點(diǎn)

      柴油的自燃點(diǎn)比汽油高，因此在高溫高壓環(huán)境下，柴油可以自行燃燒，無(wú)需點(diǎn)火系統(tǒng)。這也是柴油機(jī)與汽油機(jī)的一個(gè)主要區(qū)別。

3、高效率

      由于柴油機(jī)的壓縮比高，燃燒溫度高，熱效率通常比汽油機(jī)高。這使得柴油機(jī)在燃料利用率方面更加高效，節(jié)能環(huán)保。

4、動(dòng)力輸出穩(wěn)定

      柴油機(jī)的燃燒過(guò)程相對(duì)較長(zhǎng)，燃燒持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，燃燒過(guò)程平穩(wěn)。這使得柴油機(jī)的動(dòng)力輸出相對(duì)平穩(wěn)，適合用于大功率和大扭矩輸出的應(yīng)用場(chǎng)景。

 

總結(jié)：

      柴油機(jī)的工作原理是通過(guò)壓縮沖程、燃燒沖程、排氣沖程和進(jìn)氣沖程四個(gè)沖程循環(huán)完成的。柴油燃料在高溫高壓條件下燃燒產(chǎn)生的氣體推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，通過(guò)連桿和曲軸將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。柴油機(jī)的工作原理涉及到壓縮比、點(diǎn)火系統(tǒng)、曲軸和冷卻系統(tǒng)等關(guān)鍵要素。通過(guò)合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化這些要素，可以提高柴油機(jī)的功率和燃油利用率，實(shí)現(xiàn)更高效的供電。在這個(gè)過(guò)程中，柴油機(jī)的燃燒效率通常比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)更高，也更節(jié)能。同時(shí)，柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，可靠性較高，因此在大型發(fā)電機(jī)組應(yīng)用中廣泛使用。

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