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柴油发动机工作原理

 将一种能量转变为机械能的机器,叫做发动机。各种发动机按照能源不同,可分为:风力发动机(简称风力机);水力发动机(简称水力机);热力发动机(简称热机)等。把燃料燃烧所产生的热能转化为机械能的发动机统称做热机,如蒸汽机、柴油机等。根据燃料进行燃烧过程所处的地点不同,热机可分为外燃机和内燃机两大类。
  
  燃料在发动机外部进行燃烧的热机,叫做外燃机。如蒸汽机(往复式)、汽轮机(回转式)等。
  
  燃料直接在发动机内部进行燃烧的热机叫做内燃机。如柴油机、汽油机、天然气机等。
  
  内燃机就是利用燃料燃烧后产生的热能来做功的。柴油发动机是一种内燃机,它是柴油在发动机汽缸内燃烧,产生高温高压气体,经过活塞连杆和和曲轴机构转化为机械动力。
  
  一、活塞式内燃机工作原理
  
  把柱塞装在一个一端封闭的圆筒内,柱塞顶面与圆筒内壁构成一个封闭空间,如果用一个推杆将柱塞和一个轮子连接起来,则柱塞移动时,便通过推杆推动轮子旋转,从而把空气所得到的热能转化为推动轮子旋转的机械能。
  
  内燃机的工作过程,就是按照一定的规律,不断地将燃料和空气送入气缸,并在气缸内着火燃烧,放出热能。燃气在吸收热能后产生高温高压,推动着活塞作功,将热能转化为机械能。
  
  它是由一个独立的发动机所构成。工作时燃料和空气直接送到发动机的气缸内部进行燃烧,放出热能,形成高温、高压的燃气,推动活塞移动。然后通过曲柄连杆机构对外输出机械能。
  
  1.气缸体2.喷油器3.进气门
  
  4.排气门5.活塞6.连杆7.曲轴
  
  二、内燃机的机械传动机构
  
  在往复式内燃机中,曲柄连杆机构的作用是将活塞的往复直线运动变成曲轴的旋转运动,以实现热能和机械能的相互转变。
  
  它是由活塞1、连杆3和曲轴4等构成。
  
  活塞只能沿气缸直线往复运动。曲轴是由两个中心线在一直线上的轴所构成。其中一个轴安置在机体中心孔内,称做主轴。主轴只能在机体座孔内绕本身中心线转动。另一轴通过曲柄与主轴连接在一起,称做连杆轴。它绕着主轴进行旋转。连杆为两端带有孔的一直杆,一端与活塞相连;另一端与连杆轴相连,它随着活塞移动和曲轴旋转而进行摆动。
  
  当活塞往复运动时,通过连杆推动曲轴绕主轴中心产生旋转运动。活塞移动与曲轴转动是相互牵连在一起的。因此,活塞移动位置与曲轴转动位置是相对应的。

  三、单缸四冲程柴油机工作原理
  
  活塞连续运行四个冲程(即曲轴旋转两周)的过程中,完成一个工作循环(进气—压缩—燃烧膨胀—排气)的柴油机,叫做四冲程柴油机。
  
  为了更清楚地表示出气缸内气体压力随容积的变化情况,图1-6-5绘出了单缸四冲程柴油机的示功图。图中横座标表示气缸容积,从座标表示气缸的绝对压力。图中的水平虚线,表示绝对压力为大气压(亦即1公斤/厘米2)。Vc、Vh分别表示燃烧室容积与气缸工作容积。
  
  下面对照单缸四冲程柴油机工作过程示意图和示功图,来说明它的工作过程9指非增压柴油机)。
  
  第一冲程——进气过程活塞从上死点移动到下死点。这时进气门打开,排气门关闭。
  
  进气过程开始时,活塞位于死点位置。气缸内(燃烧室)残留着上次循环未排净的残余废气(图中以小十字符号表示)。它的压力稍高于大气压力,约为1.1~1.2公斤/厘米。
  
  当曲轴旋转时,通过连杆带动活塞向下移动,同时进气门打开。随着活塞下移,气缸内部容积增大,压力随之减小,当压力低于大气压力时,外部新鲜空气开始被吸入气缸。直到活塞移动到死点位置,气缸内充满了新鲜空气。
  
  在新鲜空气进入气缸的过程中,由于受空气滤清器、进气管、进气门等阻力的影响,使进气终了时气缸内的气体压力略低于大气压,约为0.8~0.9公斤/厘米2,又因空气从高温的残余废气和燃烧室壁吸收热量,故温度可达35~50℃。
  
  应当指出,实际柴油机进气门都是在活塞位于死点前提前打开,并且延迟到下死点后才关闭。原因是:若进气过程开始活塞下移时,进气门刚开始打开而不能立即开足,便造成气缸内产生部分真空,使活塞下行时产生较大的阻力。因此进气门要提前在上死点前便打开,则活塞开始由上死点下行时,进气门已开到最大位置,保证空气顺利进入气缸,从而减小活塞的下行阻力。进气过程中,空气沿进气管被吸入气缸时,气流产生惯性作用,若使气门推迟到下死点后关闭,虽然活塞已开始上行,仍可以充分利用气流的流动惯性,使一部分新鲜空气进入气缸,以保证吸入更多的空气。由于进气门早开迟关,所以实际柴油机的进气过程都大于180°曲轴转角,一般为220°~240°。
  
  第二冲程——压缩过程活塞由下死点移动到上死点,在这期间,进、排气门全部关闭。
  
  压缩过程开始时,活塞位于下死点。曲轴在飞轮惯性作用下带动旋转,通过连杆推动活塞向上移动。气缸内容积逐渐减小,新鲜空气被压缩,压力和温度随着升高。
  
  为了实现高温气体引燃柴油的目的,柴油机都具有较大的压缩比,使压缩终了时,气缸内气体温度比柴油的自燃温度高出200~300℃,即500~750℃(柴油的自燃温度约为200~300℃),而压力约炒30~50公斤/厘米2。
  
  为了充分利用燃料燃烧所产生的热能,要求燃烧过程能够在活塞移动到上死点略后位置迅速完成,以使燃烧后的气体充分膨胀多做功,使柴油机效率提高。但是,由于燃料喷入气缸内时,必须经过一定的着火准备阶段,才能实现燃烧(详见本书第六章第二节)。因此,实际柴油机工作中,在压缩冲程结束前(约在上死点前10°~35°),开始将燃料喷入气缸内。在示功图上,m点表示喷油开始时间。
  
  第三冲程——燃烧膨胀过程活塞又从上死点移动到下死点。此时,进、排气门仍然都关闭着。喷入气缸内的燃料在高温空气中着火燃烧,产生大量热能,使气缸内的温度、压力急剧升高。高温、高压气体推动活塞向下移动,通过连杆,带动曲轴转动。因为只有这一行程才实现热能转化为机械能,因此,通常把该行程叫做工作行程。
  
  在燃烧与膨胀过程中,气缸内气体的最高温度可达1700~2000℃,最高压力为60~90公斤/厘米2。随着活塞被推动着下移,气缸容积逐渐增大,气体随之逐渐减小数点。示功图的c—z—b线表示出这一过程中气缸容积与压力变化的情况。在这一曲线上,几乎垂直的c—z线段,表示出燃料急剧燃烧时压力的升高程度。z点表示燃烧压力Pz(又称做最大爆发压力)。
  
  第四冲程——排气过程活塞又从下死点移动到上死点。此时,排气门打开,进气门关闭。
  
  排气过程开始时,活塞位于下死点,气缸内充满着燃料并膨胀作功的废气。排气门打开后,废气随着活塞上移,被排出气缸之外。
  
  燃烧膨胀终了时,气缸内的气体还具有较大的压力,如果排气门在下死点位置时才打开,而不能瞬时间开足便影响废气及时的排出,气缸内的压力也不能迅速降低,使活塞向上运动受到很大的阻力,消耗较多的能量。因此,在实际柴油机工作中,排气门都在活塞移动到下死点前提前打开(一般在下死点前40°~60°)。这样可使废气在较大的压差下,自行流出气缸,使气缸内的压力迅速下降。大大减小活塞上移的阻力,降低排气过程的消耗功。
  
  当活塞上移到上死点时,排气门并不马上关闭,而要推迟到进气过程开始后。如前所述,因为进气门提前在排气过程结束前打开,这样便形成进、排气门同时开启的一段重合时间。在某种情况下(例如增压),还可以利用新鲜空气将残存在气缸内的废气排出去,使气缸内充填更多的新鲜空气。
  
  曲轴依靠尽轮转动的惯性作用继续旋转,上述各过程又重复进行。如此周期循环地工作,实现柴油机连续不断地运转。
  
  四冲程汽油机的工作过程,与四冲程柴油机的工作过程是一样的。汽油机与柴油机的主要区别在于:

 

  燃料 点火方式 压缩比 进气门进入 机体结构
汽油机 汽油 点燃 5-10 汽油与空气的混合气体 有一套点火系统(含火花塞、分电盘、高压点火线包)、化油器  
柴油机 柴油 压燃 15-22 空气 无点火系统、无化油器、有喷油器

  
  
  四、柴油机发动机的结构

  
  柴油机由机体、曲轴连杆机构、配气机构、燃油系统、润滑系统、冷却系统、启动系统等组成。
  
  1.机体组件:包括机体(气缸—曲轴盖)、气缸套、气缸盖和油底壳等。这些零件构成了柴油机骨架,所有运动件和辅助系统都支承在它上面。
  
  2、曲轴连杆机构:气缸内燃烧气体的压力推动曲轴连杆机构,并将活塞的直线运动变为曲轴的旋转动力。主要部件有:气缸曲轴箱、气缸盖、活塞、连杆、曲轴、飞轮等
  
  3、配气机构:适时向气缸内提供新鲜空气,并适时的排出气缸中燃料燃烧后的废气。它由进气门、排气门、凸轮轴及其传动零件组成。
  
  4、燃油系统:燃料供给系统是按照内燃机工作是所要求的时间,供给气缸适量的燃料。它由燃油箱、燃油滤清器、油泵、喷油器等组成。
  
  5、润滑系统:润滑系统是向柴油机各运动机件的摩擦表面,不断提供适量的润滑油。它由机油泵、机油滤清器、机油散热器等组成。
  
  6、冷却系统:适当冷却在高温下工作的机件,使柴油机保持正常的工作温度。它由水泵、散热器、水套、节温器、风扇等组成。
  
  7、启动系统:以外力转动内燃机曲轴,使内燃机由静止状态转入工作状态的装置。由蓄电池、启动马达等组成。