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傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理簡(jiǎn)述
發(fā)布時(shí)間:2022-12-28 20:42:41  ▏閱讀:

 

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傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理簡(jiǎn)述

 

摘要:柴油機(jī)是以柴油作燃料的壓燃式柴油機(jī)。工作時(shí),氣缸內(nèi)的空氣被壓縮而溫度升高,定時(shí)噴入氣缸的柴油自行著火燃燒,產(chǎn)生高溫、高壓的燃?xì)馀蛎浲苿?dòng)活塞做功,將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功。柴油機(jī)的工作循環(huán)由進(jìn)氣、壓縮、噴油著火燃燒、膨脹做功和排氣等過(guò)程組成。這些過(guò)程可以由四沖程或二沖程柴油機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

 

一、內(nèi)燃機(jī)熱力循環(huán)原理

 

       熱力學(xué)循環(huán)是熱力學(xué)的重要概念,它描述了能量在系統(tǒng)中的傳遞和轉(zhuǎn)化過(guò)程。內(nèi)部燃燒示例如圖1所示。

1、內(nèi)燃機(jī)理論循環(huán)的三種基本形式

(1)定容加熱循環(huán)0tto,見(jiàn)圖2a。

(2)定壓加熱循環(huán)Diesel,見(jiàn)圖2b。

(3)混合加熱循環(huán)Sabathe,見(jiàn)圖2c。

2、理論循環(huán)熱效率ηt的影響因素

(1)壓縮比:ε =Va/Vc

(2)壓力升高比:λ=Pz/Pc

(3)初期膨脹比:ρ=Vz/Vc

(4)工質(zhì)絕熱指數(shù):k

      熱效率隨壓縮比ε、壓力升高比λ、工質(zhì)絕熱指數(shù)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(huán)繼續(xù)膨脹示意圖如圖3所示。

3、理論循環(huán)平均壓力Pt的影響因素

(1)Pa壓縮始點(diǎn)壓力;

(2)ql單位工質(zhì)吸入熱量;

(3)Ta壓縮始點(diǎn)溫度;

(4)ηt=1-(λρk-1)/εk-1[λ-1+kλ(ρ-1)]。

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

4、三種理論循環(huán)熱效率比較

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

      內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用基于熱力學(xué)原理,通過(guò)燃燒燃料產(chǎn)生高溫高壓氣體,從而將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。了解內(nèi)燃機(jī)的熱力學(xué)原理,有助于我們更好地理解其工作原理和性能特點(diǎn)。

 

柴油機(jī)內(nèi)部熱力循環(huán)工作原理圖.png

圖1  柴油機(jī)內(nèi)部熱力循環(huán)工作原理圖

柴油機(jī)理論循環(huán)示意圖.png

圖2  柴油機(jī)理論循環(huán)示意圖

柴油機(jī)混合加熱循環(huán)繼續(xù)膨脹.png

圖3  柴油機(jī)混合加熱循環(huán)繼續(xù)膨脹

柴油機(jī)三種理論循環(huán)的熱效率.png

圖4  柴油機(jī)三種理論循環(huán)的熱效率

 

二、柴油機(jī)的基本工作原理

 

      用4個(gè)行程,曲軸回轉(zhuǎn)兩周完成一個(gè)工作循環(huán)。四沖程柴油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。工作時(shí)活塞作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),曲軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。活塞改變運(yùn)動(dòng)方向的瞬時(shí)位置稱(chēng)止點(diǎn)(死點(diǎn)),止點(diǎn)處的活塞瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)速度為零。離曲軸中心最遠(yuǎn)的止點(diǎn)稱(chēng)上止點(diǎn),最近的止點(diǎn)稱(chēng)下止點(diǎn)。四沖程柴油機(jī)的工作原理如圖6所示,圖中分別表示4個(gè)行程中活塞、連桿、曲軸及氣閥的相對(duì)位置。

1、進(jìn)氣行程

      活塞從上止點(diǎn)下行,進(jìn)氣閥打開(kāi)。因活塞下行的抽吸作用,氣缸內(nèi)充入新鮮空氣。為了能充入更多新鮮空氣,進(jìn)氣閥一般在上止點(diǎn)前提前開(kāi)啟,在下止點(diǎn)后延遲關(guān)閉,進(jìn)氣閥開(kāi)啟的延續(xù)角度約為220°~250°,如圖2a所示。

2、壓縮行程

      活塞從下止點(diǎn)上行,進(jìn)、排氣閥均關(guān)閉?;钊闲袎嚎s缸內(nèi)的空氣,使其壓力和溫度均不斷升高。壓縮終點(diǎn)的壓力約為3~6MPa;溫度約為500~700℃。在上止點(diǎn)(壓縮終點(diǎn))附近,霧化的燃油經(jīng)噴油器噴入燃燒室,并在高溫高壓空氣的作用下,開(kāi)始自行著火燃燒,如圖2b所示。

3、做功行程

      活塞由上止點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng),進(jìn)、排氣閥均關(guān)閉。在此行程的初期,大量的混合氣燃燒,缸內(nèi)的壓力和溫度都急劇升高,其最大值分別可達(dá)6~9MPa和1500~2000℃左右。高溫高壓氣體推動(dòng)活塞下行做功,在上止點(diǎn)后某一時(shí)刻,燃燒結(jié)束,膨脹做功仍在進(jìn)行。當(dāng)活塞到達(dá)下止點(diǎn)前某一時(shí)刻,排氣閥開(kāi)啟,做功過(guò)程結(jié)束。此時(shí),氣缸內(nèi)的壓力約為0.2~0.5MPa,溫度約為600~700℃?;钊麆t繼續(xù)向下止點(diǎn)下行,如圖2c所示。

4、排氣行程

      曲軸帶動(dòng)活塞由下止點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng),排氣閥繼續(xù)開(kāi)啟狀態(tài),氣缸內(nèi)的廢氣被上行的活塞強(qiáng)行推出缸外。為了實(shí)現(xiàn)充分排氣和減少排氣過(guò)程中所消耗的功,不但在下止點(diǎn)前提前開(kāi)啟排氣閥,而且要在排氣行程結(jié)束的上止點(diǎn)后才關(guān)閉。排氣閥開(kāi)啟的延續(xù)角度約為230°~260°如圖2d所示。

      四沖程柴油機(jī)完成一個(gè)工作循環(huán)要經(jīng)歷進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣等4個(gè)行程;一個(gè)工作循環(huán)曲軸回轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn),即曲軸轉(zhuǎn)角720°。其中只有一個(gè)行程做功,其余3個(gè)行程都要消耗功。因此,在單缸柴油機(jī)必須有一個(gè)足夠大的飛輪來(lái)供給這3個(gè)行程所需的能量;而對(duì)于多缸柴油機(jī),則借助于其他氣缸膨脹做功過(guò)程來(lái)供給。

      柴油機(jī)必須借助外部能量的驅(qū)動(dòng)使其啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)停車(chē)狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài),直至噴入氣缸的燃油自發(fā)火燃燒,實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)自行運(yùn)轉(zhuǎn)。

 

柴油機(jī)氣缸運(yùn)動(dòng)示意圖.png

圖5  柴油機(jī)氣缸運(yùn)動(dòng)示意圖

1-排氣門(mén) 2-進(jìn)氣門(mén) 3-氣缸蓋 4-氣缸5-活塞 6-活塞銷(xiāo) 7-連桿

四沖程柴油機(jī)工作原理.png

 

圖6  四沖程柴油機(jī)工作原理

 

三、二沖程柴油機(jī)的基本工作原理

 

      二沖程柴油機(jī)用兩個(gè)行程,曲軸回轉(zhuǎn)一周完成一個(gè)工作循環(huán)的柴油機(jī)。二沖程柴油機(jī)與四沖程柴油機(jī)的不同是在于氣缸上設(shè)有氣口,如圖7所示氣缸右側(cè)為排氣口,左側(cè)為進(jìn)氣口。進(jìn)氣口比排氣口略低,由活塞控制氣口的開(kāi)與關(guān)。此外,二沖程柴油機(jī)設(shè)有掃氣泵。壓縮的空氣被掃氣泵預(yù)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(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)。在活塞接近進(jìn)氣口之前,氣缸中繼續(xù)充入新鮮空氣并通過(guò)排氣口將氣缸內(nèi)的廢氣趕出。當(dāng)進(jìn)氣口完全被活塞遮蔽時(shí)(點(diǎn)1),新鮮空氣不再進(jìn)入氣缸內(nèi)。當(dāng)排氣口被活塞遮蔽后(點(diǎn)2),活塞對(duì)氣缸內(nèi)的空氣進(jìn)行壓縮,產(chǎn)生高壓和高溫氣體。在活塞到達(dá)上止點(diǎn)前的某一時(shí)刻(點(diǎn)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(guò)程。

2、膨脹做功一換氣行程

      活塞由上止點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)?;旌蠚庠诖诵谐痰某跗谌栽诿土胰紵近c(diǎn)4才基本結(jié)束。活塞因燃?xì)馀蛎浀耐苿?dòng)下行做功。排氣口在活塞下行打開(kāi)時(shí)(點(diǎn)5),由于此時(shí)缸內(nèi)燃?xì)獾膲毫蜏囟热暂^高,分別為0.25~0.6MPa和600~800℃,在氣缸內(nèi)外的壓差作用下氣缸內(nèi)燃?xì)鈴呐艢饪诟咚倥懦觯變?nèi)壓力隨之降低。當(dāng)缸內(nèi)下降的壓力接近掃氣壓力時(shí),下行的活塞打開(kāi)進(jìn)氣口,新鮮空氣通過(guò)進(jìn)氣口進(jìn)入氣缸,并對(duì)氣缸內(nèi)進(jìn)行掃氣,將缸內(nèi)的廢氣排出排氣口。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為掃氣過(guò)程,一直要延續(xù)到下一個(gè)循環(huán)活塞再次上行將進(jìn)氣口關(guān)閉時(shí)為止。工作過(guò)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(guò)程。

      由此可見(jiàn),相比四沖程柴油機(jī),二沖程柴油機(jī)是將進(jìn)氣和排氣過(guò)程合并到壓縮與膨脹行程中進(jìn)行,有兩個(gè)行程被省略。因此,二沖程柴油機(jī)完成一個(gè)工作循環(huán)曲軸回轉(zhuǎn)一周。在活塞行程、氣缸直徑與轉(zhuǎn)速相同的條件下,二沖程柴油機(jī)的功率似乎應(yīng)為四沖程柴油機(jī)的2倍;但實(shí)際上,由于二沖程柴油機(jī)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(jī)的1.6~1.8倍。

 

二沖程柴油機(jī)工作原理.png

圖7  二沖程柴油機(jī)工作原理

柴油機(jī)做功示意圖.png

圖8  柴油機(jī)做功示意圖

 

總結(jié):

      總結(jié)起來(lái),柴油機(jī)的工作原理包括進(jìn)氣過(guò)程、壓縮過(guò)程、做功過(guò)程和排氣過(guò)程。通過(guò)柴油機(jī)各個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同作用,柴油機(jī)能夠高效、可靠地產(chǎn)生動(dòng)力。柴油機(jī)在現(xiàn)代交通和工業(yè)領(lǐng)域中扮演著重要的角色,不斷的技術(shù)創(chuàng)新和改進(jìn)將進(jìn)一步提高其性能和可靠性。


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