1.3.1　柴油機的工作原理

(1)柴油機的工作循環

柴油機是一部將燃料的化學能轉換為機械能的機器。柴油機實現能量轉換必須經過下列四個階段或過程:

① 進氣。氣缸內吸入新鮮空氣。

② 壓縮。將吸入氣缸內的空氣壓縮,使其溫度和壓力升高。

③ 膨脹做功。將燃油噴入已被壓縮且溫度達到燃油自燃溫度的缸內氣體中,燃油迅速與空氣混合并急劇燃燒。

④ 排氣。將已經燃燒并做功后的廢氣排出氣缸。

柴油機每完成上述四個過程即為一個工作循環。無論是二沖程柴油機還是四沖程柴油機均是如此。

如果完成上述四個過程曲軸旋轉一圈(360°),活塞上下運行各一次(即兩個活塞沖程),稱為二沖程柴油機。

而如果完成上述四個過程曲軸旋轉兩圈(720°),活塞上下運行各兩次(即四個活塞沖程),稱為四沖程柴油機。

(2)四沖程柴油機工作原理

柴油機的一個工作循環是由進氣、壓縮、膨脹做功和排氣這四個過程組成的。如圖1?26所示,四沖程柴油機的工作原理如下。

① 進氣沖程。任務是使氣缸內充滿新鮮空氣。進氣沖程開始時,活塞位于上止點,此時氣缸內的燃燒室中還留有一些廢氣。曲軸旋轉時,活塞由上止點向下止點移動,同時進氣門打開。隨著活塞的向下運動,氣缸內活塞上面的容積逐漸增大,形成負壓,外面的空氣就不斷地充入氣缸。

進氣過程中氣缸內氣體壓力隨著氣缸的容積變化的情況如圖1?27所示。圖中縱坐標表示氣體壓力p,橫坐標表示氣缸容積V_h(或活塞的行程S),這個圖稱為柴油機示功圖。

圖中的壓力曲線表示柴油機工作時,氣缸內氣體壓力的變化規律。從圖中我們可以看出:進氣開始,由于存在殘余廢氣,所以稍高于大氣壓力p_o;在進氣過程中由于空氣通過進氣管和進氣門時產生流動阻力,所以進氣沖程的氣體壓力低于大氣壓力,其值為0.085~0.095MPa,在整個進氣過程中,氣缸內氣體壓力大致保持不變。

② 壓縮沖程。壓縮沖程開始時,活塞從下止點向上止點運動。其功用是:提高空氣的溫度和壓力,為燃料自行著火和膨脹做功創造條件。當活塞上行時,進氣門關閉,氣缸內的空氣受到壓縮,容積不斷變小,壓力和溫度不斷升高,壓縮終點的壓力和濕度與壓縮比有關。一般壓縮終點的壓力和溫度為:p_c=4.0~8.0MPa,T_c=750~950K。柴油的自燃溫度約為543~563K,壓縮終點的溫度要比柴油自燃的溫度高很多,足以保證噴入氣缸的燃油自行著火燃燒。

當活塞運行到上止點前的某個位置時,燃油經過噴油器噴入氣缸,噴入氣缸的柴油,并不是立即著火,而是經過物理化學變化之后才著火燃燒,這段時間大約有0.001~0.005s,稱為著火延遲期。因此,要在曲柄轉至上止點前10°~35°曲柄轉角時開始將霧化的燃料噴入氣缸,并使曲柄在上止點后5°~10°時,在燃燒室內達到最高燃燒壓力,迫使活塞向下運動,膨脹做功沖程開始。

③ 做功沖程。做功沖程也稱為燃燒膨脹做功沖程,在這個沖程開始時,大部分噴入燃燒室內的燃料都燃燒了。燃燒時放出大量的熱量,氣體的燃氣壓力和溫度便急劇升高,最高點的壓力和溫度為:p_z=6.0~15.0MPa;T_z=1800~2200K。最高燃燒壓力與壓縮終點壓力之比(p_z/p_c)稱為燃燒時的壓力升高比,用λ表示。根據柴油機類型的不同,在最大功率時λ值的范圍如下:λ=p_z/p_c=1.2~2.5。

活塞在高溫高壓氣體作用下向下運動,通過連桿使曲軸轉動,對外做功。隨著活塞的下行,氣缸的容積增大,氣體壓力下降,做功沖程在活塞行至下止點,排氣門打開時結束。

④ 排氣沖程。排氣沖程的功用是把膨脹后的廢氣排出去,以便充填新鮮空氣,為下一個循環的進氣做準備。做功沖程中活塞運動到下止點附近時,排氣門開起,活塞由下止點向上止點運動,并把廢氣排出氣缸外。

由于排氣系統存在著阻力,所以在排氣沖程開始時,氣缸內的氣體壓力比大氣壓力高0.025~0.035MPa,溫度T_b=1000~1200K。為了減少排氣時活塞運動的阻力,排氣門在下止點前就打開了。排氣門一打開,具有一定壓力的氣體就立即沖出缸外,缸內壓力迅速下降。活塞向上運動時,繼續將氣缸內的殘余廢氣擠壓出去。

排氣沖程結束之后,又開始了進氣沖程,整個工作循環就依照上述過程不斷地重復進行。周而復始,即達到不斷地對外做功的目的。

在四沖程柴油機的四個沖程中,只有第三沖程即做功沖程才產生動力對外做功,而其余三個沖程都是消耗功的準備過程。為此,在單缸柴油機上必須安裝飛輪,利用飛輪的轉動慣性,使曲軸在四個沖程中連續而均勻地運轉,周而復始,即達到對外做功的目的。