柴油机的工作原理

柴油机的工作原理柴油发动机工作原理将能量转化为机械能的机器称为发动机。根据能源的不同，各种发动机可分为：风力涡轮机（以下简称风力涡轮机）；液压发动机（简称液压发动机）；热机等将燃料燃烧产生的热能转化为机械能的发动机统称为热机，如蒸汽机、柴油机等。根据燃料燃烧过程的位置，热机可分为外燃式发动机和内燃式发动机。燃料在发动机外部燃烧的热机被称为外部内燃机。例如蒸汽机（往复式）、蒸汽轮机（旋转式）等。燃料直接在发动机内部燃烧的热机称为内燃机。如柴油机、汽油机、天然气发动机等。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、 活塞式内燃机的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转化为曲轴的旋转运动，从而实现热能和机械能的相互转换。它由活塞1、连杆3和曲轴4组成。活塞只能沿气缸沿直线前后移动。曲轴由两个中心线呈直线的轴组成。其中一根轴安装在主体的中心孔内，称为主轴。主轴只能绕其在机体座孔内的中心线旋转。另一根轴通过曲柄与主轴相连，称为连杆轴。它绕主轴旋转。连杆为两端开孔的直杆，一端与活塞连接；另一端与连杆轴相连，连杆轴随着活塞的移动和曲轴的旋转而摆动。当活塞前后移动时，曲轴通过连杆绕主轴中心推动，产生旋转运动。活塞的运动和曲轴的旋转是相互关联的。因此，活塞的移动位置与曲轴的旋转位置相对应。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（进气一压缩一燃烧膨胀一排气）的柴油机，叫做四冲程柴油机。为了更清楚地显示气缸内气体压力随体积的变化，图1-6-5显示了单缸四冲程柴油机的示功图。在图中，横坐标表示气缸容积，横坐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力（即1kg/cm2）。VC和VH分别代表燃烧室容积和气缸工作容积。通过比较单缸四冲程柴油机的工作过程图和示功图（9指非增压柴油机），描述了其工作过程。第一冲程一一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，同时进阀门打开了。随着活塞向下移动，气缸的内部容积增加，压力降低。当压力低于大气压力时，外部新鲜空气开始被吸入气缸。直到活塞移动到止点位置，气缸内充满新鲜空气。在新鲜空气进入气缸的过程中，由于空气过滤器、进气管、进气阀等阻力的影响，进气端气缸内的气体压力略低于大气压力，约为0.8~0.9kg/cm2。此外，由于空气从高温残余废气和燃烧室壁吸收热量，温度可达到35~50°C。需要注意的是，柴油机的实际进气门在活塞处于死点之前提前打开，在下死点之后关闭。原因是：如果在进气过程中，当活塞向下移动时，进气阀刚刚开始打开，但不能立即足够打开，则会导致气缸中出现部分真空，从而导致活塞向下移动时阻力更大。因此，进气阀应提前在上止点之前打开。当活塞开始从上止点向下移动时，进气门已打开到最大位置，以确保空气顺利进入气缸，从而减少活塞的向下阻力。在进气过程中，当空气沿着进气管被吸入气缸时，气流会产生惯性。如果阀门延迟到下止点，然后关闭，虽然活塞已经开始上升，但它仍然可以充分利用气流的流动惯性，使一些新鲜空气进入气缸，以确保更多的进气。由于进气门的提前开启和延迟关闭，柴油机的实际进气过程大于180。曲轴角，一般为220°~240°。第二冲程一一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。在压缩过程开始时，活塞处于下止点。曲轴在飞轮的惯性作用下旋转，并通过连杆向上推动活塞。气缸内部容积逐渐减小，新鲜空气被压缩，压力和温度随之升高。为了达到柴油机高温气体点火的目的，柴油机具有较大的压缩比，因此在压缩结束时，气缸内的气体温度比柴油机的自燃温度高200~300C，即500~750C（柴油自燃温度约200~300C），压力约30~50kg/cm2。为了充分利用燃料燃烧产生的热能，要求在活塞移动到上止点稍后的位置后，燃烧过程能迅速完成，从而使燃烧后的气体充分膨胀，为提高柴油机的效率做更多的工作。然而，当燃料被喷入气缸时，必须经过一定的燃烧准备阶段才能实现燃烧（详见本书第6章第2节）。因此，在柴油机的实际运行中，燃油在压缩冲程结束前（上止点前约10°~35°）喷入气缸。在示功图上，点m表示燃油喷射的开始时间。第三冲程——燃烧膨胀过程，活塞从上止点移动到下止点。此时，进气门和排气门仍处于关闭状态。喷入气缸的燃油在高温空气中点火燃烧，产生大量热能，使气缸内的温度和压力急剧上升。高温高压气体向下推动活塞，并通过连杆驱动曲轴旋转。因为只有这个冲程才能将热能转化为机械能，所以通常称为工作冲程。在燃烧和膨胀过程中，气缸内气体的最高温度可达1700~2000C，最大压力为60~90kg/cm2。随着活塞被向下推，气缸容积逐渐增加，气体逐渐减少小数点。示功图的c-z-b线显示了在此过程中气缸容积和压力的变化。在这条曲线上，几乎垂直的C-Z线段显示了燃料快速燃烧时压力上升的程度。z点代表燃烧压力PZ（也称为最大爆破压力）。第四冲程一一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。在排气过程开始时，活塞处于下止点，气缸充满燃油并膨胀排气以进行工作。排气阀打开后，废气随活塞向上移动，并从气缸中排出。在燃烧膨胀结束时，气缸中的气体仍然有很大的压力。如果排气阀仅在下止点位置打开，且不能在瞬间充分打开，则会影响废气的及时排放，且气缸内的压力不能迅速降低，这将对活塞的向上运动造成很大阻力，消耗更多能量。因此，在柴油机的实际运行中，在活塞移动到下止点之前（通常在下止点之前40°~60°），排气门会提前打开。这样，废气可以在较大的压差下自行流出气缸，从而使气缸内的压力迅速降低。大大降低了活塞向上运动的阻力，减少了排气过程中的工作消耗。当活塞向上移动到上死点时，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。第四冲程一一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。在排气过程开始时，活塞处于下止点，气缸充满燃油并膨胀排气以进行工作。排气阀打开后，废气随活塞向上移动，并从气缸中排出。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：四、柴油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。车身部件：包括车身（气缸-曲轴盖）、缸套、气缸盖和油底壳等。这些部件构成柴油机的框架，所有运动部件和辅助系统都支撑在其上。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、飞轮等配气机构：及时向气缸提供新鲜空气，及时排出气缸内燃料燃烧后的废气。它由进气门、排气门、凸轮轴及其传动部件组成。燃油系统：燃料供给系统是按照内