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四沖程柴油機(jī)工作特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 |
摘要:柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在工作原理上與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)十分相似。大多數(shù)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是四沖程的,但也有二沖程的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的。因?yàn)椴裼桶l(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn),它經(jīng)常被用于那些需要較大載荷和轉(zhuǎn)矩的發(fā)電機(jī)組上。四沖程柴油機(jī)是壓燃式柴油發(fā)動(dòng)機(jī),而不是點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上有許多零部件與典型的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相同。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)有活塞、氣門、曲軸、燃油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、起動(dòng)和充電系統(tǒng),以及污染控制系統(tǒng)。因?yàn)椴裼桶l(fā)動(dòng)機(jī)用于較大負(fù)荷,這些系統(tǒng)比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上的更加結(jié)實(shí),更加強(qiáng)勁。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)之間的一個(gè)較大區(qū)別是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比較高外,柴油噴射系統(tǒng)使用的是高壓噴射,而汽油發(fā)動(dòng)機(jī)使用的是低壓燃油噴射系統(tǒng)。
一、柴油機(jī)工作過程
柴油機(jī)是一種壓縮發(fā)火的往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)。它的基本工作原理是使燃油直接在發(fā)動(dòng)機(jī)的氣江中燃燒,將燃油的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成熱能,從而主成高溫高壓的燃?xì)猓蛉細(xì)馀蛎?,推?dòng)活塞云動(dòng),通過曲柄連桿對(duì)外做功,將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。柴油機(jī)必須經(jīng)過進(jìn)氣、壓縮、燃燒(膨脹)和排氣四個(gè)過程才能完成了一個(gè)工作循環(huán)。然舌不斷重復(fù)進(jìn)行這些過程,使柴油機(jī)持續(xù)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)氣門打開,排氣門關(guān)閉。由于汽缸內(nèi)容積增大,使汽缸內(nèi)的壓力低于大氣壓,在汽缸內(nèi)外壓力差的作用下,外界新鮮空氣通過進(jìn)氣門吸入汽缸。由于進(jìn)氣系統(tǒng)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(nèi)的壓力約為0.8~0.9大氣壓。汽缸內(nèi)空氣的溫度則高于大氣溫度,一般溫度在40℃~70℃。
進(jìn)氣過程對(duì)柴油機(jī)工作影響很大,進(jìn)氣沖程結(jié)束時(shí),汽缸內(nèi)充氣量越多,可以噴入的燃油量也越多,燃燒過程放出的能量就越多,柴油機(jī)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(nèi),使空氣的溫度和壓力升高。壓縮終了時(shí),汽缸內(nèi)空氣溫度約在500℃~700℃范圍內(nèi),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,由于超過柴油自燃點(diǎn)溫度,便自行著火燃燒,產(chǎn)生大量熱能,使汽缸內(nèi)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(zhuǎn),對(duì)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(dá)1700℃~2000℃。隨著膨脹作用的進(jìn)行,熱能變成了機(jī)械能,汽缸內(nèi)氣體的壓力、溫度急劇下降,到膨脹終了時(shí),汽缸內(nèi)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)氣門關(guān)閉,排氣門打開。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)排氣門排出缸外。排氣終了時(shí),汽缸內(nèi)的壓力約為1.03~1.08大氣壓,溫度約為350℃~600℃。
當(dāng)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(jī)完成了一個(gè)工作循環(huán)。曲軸在這一工作循環(huán)中轉(zhuǎn)動(dòng)兩圈,即720(曲軸轉(zhuǎn)角),活塞則經(jīng)過四個(gè)沖程:進(jìn)、壓、工、排。應(yīng)當(dāng)指出,以上講的是理論上柴油機(jī)的工作過程,但實(shí)際上柴油機(jī)工作過程很復(fù)雜,進(jìn)、排氣門并不在上、下止點(diǎn)時(shí)打開或關(guān)閉,而是進(jìn)氣門在上止點(diǎn)前打開,下止點(diǎn)后關(guān)閉;排氣門在下止點(diǎn)前打開,上止點(diǎn)后關(guān)閉,這里不再講述。
從上述四個(gè)工作過程中可以看出,只有第程全是輔助過程,是需要消耗能量的,這個(gè)問題在單缸柴油機(jī)上是利用飛輪儲(chǔ)存的能量來解決,在多缸柴油機(jī)上則主要靠其他缸的做功沖程來供給。工作循環(huán)開始時(shí)(即柴油機(jī)起動(dòng)時(shí)),需要用外力先使曲軸轉(zhuǎn)動(dòng),完成輔助過程,使柴油機(jī)起動(dòng),柴油機(jī)才能正常運(yùn)轉(zhuǎn),即四個(gè)工作過程依次不斷地重復(fù)出現(xiàn)。圖2為四沖程柴油機(jī)內(nèi)部運(yùn)行簡(jiǎn)易演示圖。
圖1 四沖程柴油機(jī)工作過程 |
圖2 四沖程柴油機(jī)內(nèi)部運(yùn)行簡(jiǎn)易演示圖 |
二、結(jié)構(gòu)組成
四沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)三維側(cè)視圖如圖3所示,結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。
1、固定部件
主要由氣缸蓋、氣缸套、機(jī)體、機(jī)座、主軸承等構(gòu)成柴油機(jī)本體和運(yùn)動(dòng)件的支承,并和有關(guān)運(yùn)動(dòng)部件配合構(gòu)成柴油機(jī)的工作空間。
2、運(yùn)動(dòng)部件
主要由活塞、活塞銷、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(jī)械能的轉(zhuǎn)換。
3、配氣系統(tǒng)
它包括進(jìn)氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)。
(1)進(jìn)氣系統(tǒng)主要由空氣濾清器、進(jìn)氣管件、氣缸蓋內(nèi)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(jī)構(gòu)等所組成,用來在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)向氣缸內(nèi)充入足夠的新鮮空氣。
(2)排氣系統(tǒng)主要由排氣閥、氣閥彈簧、搖臂、頂桿、凸輪軸和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及排氣管、排氣消音器等組成。用來在規(guī)定時(shí)間內(nèi)將氣缸內(nèi)作功后的廢氣排入大氣。
4、燃油系統(tǒng)
包括供應(yīng)和噴射兩個(gè)系統(tǒng)。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(jī)燃燒作功所需的燃油。
5、潤(rùn)滑系統(tǒng)
主要作用是潤(rùn)滑摩擦表面,以減少機(jī)件的磨損,延長(zhǎng)使用壽命,降低摩擦功率損失,提高機(jī)械效率。
6、冷卻系統(tǒng)
主要作用是維持柴油機(jī)受熱零部件在合適的溫度狀態(tài)下工作。
7、起動(dòng)系統(tǒng)
柴油機(jī)本身無自行起動(dòng)能力。起動(dòng)系統(tǒng)的任務(wù)就是使柴油機(jī)從停車狀態(tài)發(fā)動(dòng)起來。
8、調(diào)速裝置
調(diào)速裝置的作用是使柴油機(jī)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(jī)在選定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。此外,船舶柴油機(jī)還設(shè)有換向裝置,并將起動(dòng)、調(diào)速、換向和停車集中控制組成操縱系統(tǒng)。多數(shù)柴油機(jī)還設(shè)有增壓系統(tǒng),用于進(jìn)一步提高柴油機(jī)作功能力。
圖3 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)視圖 |
圖4 康明斯QSB5.9型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖 |
三、柴油機(jī)和汽油機(jī)的比較
表1中給出了四沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)之間的一般比較:
(1)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣是空氣和燃油混合氣,而柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣沖程只吸入空氣。
(2)因?yàn)槠桶l(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的燃燒是由火花塞引發(fā)的,而柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是壓燃的。
(5)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在做功沖程產(chǎn)生大約460 psi的壓力,而柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在做功沖程產(chǎn)生的壓力接近1200 psi。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的能量比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)更大。
(6)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于柴油發(fā)動(dòng)機(jī),因?yàn)樵谂艢鉀_程仍然有部分汽油在燃燒。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣中一氧化碳的含量也很高。
(7)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)主要缺點(diǎn)是氮氧化物(NOx)的排放量大。因?yàn)閮?nèi)部溫度較高,與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相比,柴油發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生更多的氮氧化物。氮氧化物被認(rèn)為是溫室效應(yīng)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(dǎo)致光化學(xué)煙霧的主要?dú)怏w之一,盡管發(fā)動(dòng)機(jī)制造商在不斷改進(jìn),降低排放。
(8)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的效率比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)大約高10%。原因是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的比較
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汽油發(fā)動(dòng)機(jī)
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柴油發(fā)動(dòng)機(jī)
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進(jìn)氣
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空氣與汽油混合氣
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空氣
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壓縮
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8:1~10:1
130 psi
540E
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25:1~30:1
400~600 psi
1000E
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空氣與燃油混合點(diǎn)
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進(jìn)氣沖程從化油器或在進(jìn)氣門
前(燃油噴射發(fā)動(dòng)機(jī))
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壓縮沖程上止點(diǎn)附近通過噴射混合
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點(diǎn)火方式
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點(diǎn)燃
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壓燃
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做功時(shí)壓力
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460 psi
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1200 psi
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總結(jié):
以上討論的是單缸四沖程內(nèi)燃機(jī)的工作過程。根據(jù)功率和結(jié)構(gòu)的需要,功率較大的內(nèi)燃機(jī)都采用多缸。采用較多的是2缸、4缸、6缸內(nèi)燃機(jī),甚至有12缸的。多缸內(nèi)燃機(jī)各汽缸中所進(jìn)行的工作過程,完全與單缸內(nèi)燃機(jī)相同,但各汽缸的做功過程并不同時(shí)進(jìn)行,而是按一定的順序和間隔交替進(jìn)行,而且多缸內(nèi)燃機(jī)曲軸每轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)各缸都做功一次。這種多缸內(nèi)燃機(jī)曲軸每旋轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)時(shí),做功次數(shù)比單缸內(nèi)燃機(jī)多。因此,多缸內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)比較均勻,其飛輪的尺寸和質(zhì)量做得比單缸內(nèi)燃機(jī)的要小。
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