1.3.1　柴油机的工作原理

(1)柴油机的工作循环

柴油机是一部将燃料的化学能转换为机械能的机器。柴油机实现能量转换必须经过下列四个阶段或过程:

① 进气。气缸内吸入新鲜空气。

② 压缩。将吸入气缸内的空气压缩,使其温度和压力升高。

③ 膨胀做功。将燃油喷入已被压缩且温度达到燃油自燃温度的缸内气体中,燃油迅速与空气混合并急剧燃烧。

④ 排气。将已经燃烧并做功后的废气排出气缸。

柴油机每完成上述四个过程即为一个工作循环。无论是二冲程柴油机还是四冲程柴油机均是如此。

如果完成上述四个过程曲轴旋转一圈(360°),活塞上下运行各一次(即两个活塞冲程),称为二冲程柴油机。

而如果完成上述四个过程曲轴旋转两圈(720°),活塞上下运行各两次(即四个活塞冲程),称为四冲程柴油机。

(2)四冲程柴油机工作原理

柴油机的一个工作循环是由进气、压缩、膨胀做功和排气这四个过程组成的。如图1⁃26所示,四冲程柴油机的工作原理如下。

① 进气冲程。任务是使气缸内充满新鲜空气。进气冲程开始时,活塞位于上止点,此时气缸内的燃烧室中还留有一些废气。曲轴旋转时,活塞由上止点向下止点移动,同时进气门打开。随着活塞的向下运动,气缸内活塞上面的容积逐渐增大,形成负压,外面的空气就不断地充入气缸。

进气过程中气缸内气体压力随着气缸的容积变化的情况如图1⁃27所示。图中纵坐标表示气体压力p,横坐标表示气缸容积V_h(或活塞的行程S),这个图称为柴油机示功图。

图中的压力曲线表示柴油机工作时,气缸内气体压力的变化规律。从图中我们可以看出:进气开始,由于存在残余废气,所以稍高于大气压力p_o;在进气过程中由于空气通过进气管和进气门时产生流动阻力,所以进气冲程的气体压力低于大气压力,其值为0.085~0.095MPa,在整个进气过程中,气缸内气体压力大致保持不变。

② 压缩冲程。压缩冲程开始时,活塞从下止点向上止点运动。其功用是:提高空气的温度和压力,为燃料自行着火和膨胀做功创造条件。当活塞上行时,进气门关闭,气缸内的空气受到压缩,容积不断变小,压力和温度不断升高,压缩终点的压力和湿度与压缩比有关。一般压缩终点的压力和温度为:p_c=4.0~8.0MPa,T_c=750~950K。柴油的自燃温度约为543~563K,压缩终点的温度要比柴油自燃的温度高很多,足以保证喷入气缸的燃油自行着火燃烧。

当活塞运行到上止点前的某个位置时,燃油经过喷油器喷入气缸,喷入气缸的柴油,并不是立即着火,而是经过物理化学变化之后才着火燃烧,这段时间大约有0.001~0.005s,称为着火延迟期。因此,要在曲柄转至上止点前10°~35°曲柄转角时开始将雾化的燃料喷入气缸,并使曲柄在上止点后5°~10°时,在燃烧室内达到最高燃烧压力,迫使活塞向下运动,膨胀做功冲程开始。

③ 做功冲程。做功冲程也称为燃烧膨胀做功冲程,在这个冲程开始时,大部分喷入燃烧室内的燃料都燃烧了。燃烧时放出大量的热量,气体的燃气压力和温度便急剧升高,最高点的压力和温度为:p_z=6.0~15.0MPa;T_z=1800~2200K。最高燃烧压力与压缩终点压力之比(p_z/p_c)称为燃烧时的压力升高比,用λ表示。根据柴油机类型的不同,在最大功率时λ值的范围如下:λ=p_z/p_c=1.2~2.5。

活塞在高温高压气体作用下向下运动,通过连杆使曲轴转动,对外做功。随着活塞的下行,气缸的容积增大,气体压力下降,做功冲程在活塞行至下止点,排气门打开时结束。

④ 排气冲程。排气冲程的功用是把膨胀后的废气排出去,以便充填新鲜空气,为下一个循环的进气做准备。做功冲程中活塞运动到下止点附近时,排气门开起,活塞由下止点向上止点运动,并把废气排出气缸外。

由于排气系统存在着阻力,所以在排气冲程开始时,气缸内的气体压力比大气压力高0.025~0.035MPa,温度T_b=1000~1200K。为了减少排气时活塞运动的阻力,排气门在下止点前就打开了。排气门一打开,具有一定压力的气体就立即冲出缸外,缸内压力迅速下降。活塞向上运动时,继续将气缸内的残余废气挤压出去。

排气冲程结束之后,又开始了进气冲程,整个工作循环就依照上述过程不断地重复进行。周而复始,即达到不断地对外做功的目的。

在四冲程柴油机的四个冲程中,只有第三冲程即做功冲程才产生动力对外做功,而其余三个冲程都是消耗功的准备过程。为此,在单缸柴油机上必须安装飞轮,利用飞轮的转动惯性,使曲轴在四个冲程中连续而均匀地运转,周而复始,即达到对外做功的目的。