柴油机工作原理.docx

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柴油机工作原理

四冲程柴油机的工作原理

柴油机的工作是由进气、压缩、燃烧膨胀和排气这四个过程来完成的，这四个过程构成了一个工作循环。

活塞走四个过程才能完成一个工作循环的柴油机称为四冲程柴油机。

现对照上面的动画了说明它的工作理原。

一.进气冲程

第一冲程——进气，它的任务是使气缸内充满新鲜空气。

当进气冲程开始时，活塞位于上止点，气缸内的燃烧室中还留有一些废气。

当曲轴旋转肘，连杆使活塞由上止点向下止点移动，同时，利用与曲轴相联的传动机构使进气阀打开。

随着活塞的向下运动，气缸内活塞上面的容积逐渐增大：

造成气缸内的空气压力低于进气管内的压力，因此外面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动画所示。

图中纵坐标表示气体压力P，横坐标表示气缸容积Vh（或活塞的冲S），这个图形称为示功图。

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。

从土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P0。

在进气过程中由于空气通过进气管和进气阀时产生流动阻力，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。

当活塞向下运动接近下止点时，冲进气缸的气流仍具有很高的速度，惯性很大，为了利用气流的惯性来提高充气量，进气阀在活塞过了下止点以后才关闭。

虽然此时活塞上行，但由于气流的惯性，气体仍能充人气缸。

二.压缩冲程

第二冲程——压缩。

压缩时活塞从下止点间上止点运动，这个冲程的功用有二，一是提高空气的温度，为燃料自行发火作准备：

二是为气体膨胀作功创造条件。

当活塞上行，进气阀关闭以后，气缸内的空气受到压缩，随着容积的不断细小，空气的压力和温度也就不断升高，压缩终点的压力和湿度与空气的压缩程度有关，即与压缩比有关，一般压缩终点的压力和温度为：

Pc＝4～8MPa,Tc＝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发火燃烧。

喷入气缸的柴油，并不是立即发火的，而且经过物理化学变化之后才发火，这段时间大约有0.001～0.005秒，称为发火延迟期。

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。

三.燃烧膨胀冲程

第三冲程——燃烧膨胀。

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，因此气体的压力和温度便急剧升高，活塞在高温高压气体作用下向下运动，并通过连秆使曲轴转动，对外作功。

所以这一冲程又叫作功或工作冲程。

随着活塞的下行，气缸的容积增大，气体的压力下降，工作冲程在活塞行至下止点，排气阀打开时结束。

在动画中，工作冲程的压力变化这条线上升部分表示燃料在气缸内燃烧时压力的急剧升高，最高点表示最高燃烧压力Pz，此点的压力和温度为：

Pz＝6～15MPa，Tz＝1800～2200K

最高燃烧压力与压缩终点压力之比（Pz／Pc），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，在最大功牢时λ值的范围如下：

λ＝Pz／Pc＝1.2～2.5。

四.排气冲程

第四冲程——排气。

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作准备。

当工作冲程活塞运动到下止点附近时，排气阀开起，活塞在曲轴和连杆的带动下，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，气缸内的气体压力加比大气压力高0.025—0.035MPa，其温度Tb＝1000～1200K。

为了减少排气时活塞运动的阻力，排气阀在下止点前就打开了。

排气阀一打开，具有一定压力的气体就立即冲出缸外，缸内压力迅速下降，这样当活塞向上运动时，气缸内的废气依靠活塞上行排出去。

为了利用排气时的气流惯性使废气排出得干净，排气阀在上止点以后才关闭。

在动画中，排气冲程曲线表示在排气过程中，缸内的气体压力几乎是不变的，但比大气压力稍高一些。

排气冲程终点的压力Pr约为0.105～0.115MPa,残余废气的温度Pr约为850～960K。

由于进、排气阀都是早开晚关的；所以在排气冲程之末和进气冲程之初，活塞处于上止点附近时，有一段时间进、排气阀同时开起，这段时间用曲轴转角来表示，称为气阀重迭角。

排气冲程结束之后，又开始了进气冲程，于是整个工作循环就依照上述过程重复进行。

由于这种柴油机的工作循环由四个活塞冲程即曲轴旋转两转完成的，故称四冲程柴油机。

在四冲程柴油机的四个冲程中，只有第三冲程即工作冲强才产生动力对外作功，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。

虽然柴油机有许多种型式，其具体构造也不完全一样，但都有：

曲柄连杆机构、配气机构、燃油供给系、润滑系及冷却系。

曲柄连杆机构、配气机构和燃油供给系，是柴油发动机的三大基本部分，它们互相配合，完成发动机的工作循环，实现能量转换。

使用过程中，三者技术状态的好坏及相互之间配合的正确与否，对发动机的性能具有决定性的影响。

润滑系和泠却系为柴油机的辅助系统，是柴油机长期正常工作不可缺少的重要部分。

如果润滑系或冷却系工作不正常，那么柴油机就会发生故障，也不能正常工作。

由此可见，柴油机在使用过程中，必须对以上各部分予以充分重视，不可忽视任何一个部分，否则，发动机的正常工作将无法保证，甚至会造成发动机的严重损坏。

柴油机供给系的组成及功用

1.柴油机供给系的功用

·在适当的时刻，将一定数量的洁净燃油增压后以适当的规律喷入燃烧室。

各缸的喷油定时和喷油量相同且与柴油机运行工况相适应。

喷油压力、喷注雾化质量及其在燃烧室内的分布与燃烧室类型相适应

·在每一个工作循环内，各气缸均喷油一次，喷油次序与气缸工作顺序一致

·根据柴油机负荷的变化自动调节循环供油量，以保证柴油机稳定运转，尤其是稳定怠速，限制超速

·储存一定数量的燃油，保证汽车的最大续驶里程

·柱塞式喷油泵柴油机供给系

2.柴油供给系的组成（视频）

（1）燃料供给装置

·主要部件：

喷油泵、喷油器和调速器等·辅助装置：

燃油箱、输油泵、油水分离器、燃油滤清器、喷油提前器和高、低压油管等

（2）空气供给装置

·空气滤清器、进气管、进气道、增压器等

（3）混合气形成装置

·燃烧室

（4）废气排出装置

·排气道、排气管、消声器等

·VE分配式喷油泵柴油机供给系

3.燃油供给路线

·低压油路：

从油箱到喷油泵入口这—段油路，其油压由输油泵建立，一般为150～300kPa，故称低压油路。

主要完成柴油储存、输送和滤清等任务

·高压油路：

从喷油泵到喷油器这一段油路，其油压由喷油泵建立，一般在1OMPa以上，故称高压油路。

柴油供给任务主要由它来完成

·回油油路：

由于输油泵供油量是喷油泵出油量的3～4倍，滤清器和喷油泵上都装有溢流阀，使多余燃油经溢流阀和回油管流回输油泵进口或直接流回油箱

·二、柴油的使用特性

1.柴油定义及分类

·定义：

在石油蒸馏过程中，温度在200～350℃之间的馏分·分类：

轻柴油（用于高速柴油机）,重柴油（用于中低速柴油机）

2.轻柴油的牌号及规格

·等级：

优等品、一等品、合格品·牌号：

10、0、-10、-20、-35、-50（按凝点划分）

3.轻柴油的使用性能

·发火性：

指柴油的自燃能力，用十六烷值评定。

柴油的十六烷值大，发火性好，容易自燃。

国家标准规定轻柴油的十六烷值不小于45·蒸发性：

指柴油蒸发汽化的能力，用柴油馏出某一百分比的温度范围即馏程和闪点表示。

比如，50％馏出温度即柴油馏出50％的温度，此温度越低，柴油的蒸发性越好。

国家标准规定此温度不得高于300℃，但没有规定最低温度限，为了控制柴油的蒸发性不致过强，标准中规定了闪点的最低数值。

柴油的闪点指在一定的试验条件下，当柴油蒸气与周围空气形成的混合气接近火焰时，开始出现闪火的温度。

闪点低，蒸发性好·低温流动性：

用柴油的凝点和冷滤点评定低温流动性。

凝点是指柴油失去流动性开始凝固时的温度，而冷滤点则是指在特定的试验条件下，在1min内柴油开始不能流过过滤器20mL时的最高温度。

一般柴油的冷滤点比其凝点高4～6~C·粘度：

是评定柴油稀稠度的一项指标，与柴油的流动性有关。

粘度随温度而变化，当温度升高时，粘度减小，流动性增强；反之，当温度降低时，粘度增大，流动性减弱·安定性：

用实际胶质、10%蒸余物残炭、氧化安定性三项指标评定·防腐性：

用硫含量、硫醇硫含量、酸度、铜片腐蚀及水溶性酸或碱等指标评价·清洁性：

用柴油中的灰分、水分和机械杂质等指标评价

4.轻柴油的选择

·选择方法：

按当地当月风险率为10%的最低气温选用轻柴油牌号

·三、柴油机混合气的形成及燃烧

1.柴油机混合气的形成

·柴油机在进气行程中进入气缸的是纯空气，在压缩行程接近终了时，由喷油器将已加压的柴油以雾化的形式喷入燃烧室，经过极短的物理和化学准备过程与进入气缸的空气混合形成可燃混合气

2.改进混合气形成条件的措施

·选用十六烷值较高发火性较好的柴油，以使可燃混合气迅速燃烧。

·采用较高的压缩比，以提高气缸内的温度，使柴油尽快挥发。

·提高喷油压力，一般在10MPa以上，以利于柴油雾化。

·采用各式促进气体运动的燃烧室和进气道，以保证柴油与空气的均匀混合。

·采用较大过量空气系数（1.3～1.5）的可燃混合气，以使柴油完全燃烧。

·采用适当的喷油提前

3.柴油机混合气的燃烧过程

·备燃期（AB）：

是指由喷油始点到燃烧始点之间的曲轴转角。

在此期间，喷入气缸的雾状柴油从气缸内的高温空气吸收热量，逐渐蒸发、扩散，与空气混合，并进行燃烧前的化学准备。

备燃期不宜过长，否则会使发动机工作粗暴。

·速燃期（BC）：

是指从燃烧始点到气缸内的最大压力点之间的曲轴转角。

从燃烧始点开始，火焰自火源迅速向各处传播，使燃烧速度迅速增加，急剧放热，导致燃烧室中温度和压力迅速上升，直至压力最大点为止。

在此期间，早已喷入或燃烧开始后陆续喷入的柴油在已燃气体的高温作用下，迅速蒸发、混合和燃烧。

·缓燃期（CD）：

是从最高压力点起到最高温度点的曲轴转角。

在此阶段，开始燃烧很快，但由于氧气减少，废气增多，燃烧条件不利，故燃烧越来越慢，但燃气温度却能继续升高到1973～2273K。

缓燃期内，通常喷油已结束。

·后燃期（DE）：

从最高温度点起，燃烧在逐渐恶化的条件下于膨胀行程中缓慢进行直到停止。

在此期间，压力和温度均降低。

·四、柴油机燃烧室

1.直喷式燃烧室（又称统一式燃烧室）（视频）

·燃烧室容积集中于活塞顶上的燃烧室凹坑内

（1）ω型燃烧室

·结构简单，燃烧室位于活塞顶，喷油器采用孔式喷油器，混合气的形成以空间雾化为主。

（2）球形燃烧室

·燃烧室位于活塞顶部的深坑内，采用单孔或双孔喷油器，混合气的形成以油膜蒸发为主。

采用螺旋进气道形成强烈的进气涡流。

2.分隔式燃烧室

·分为两个部分，主燃烧室位于活塞顶，而副燃烧室位于缸盖上，主副燃烧室通过通道相同，喷油嘴位于副燃烧室内。

（1）涡流室燃烧室（视频）

·主副燃烧室之间通过狭窄的切向通道相通，空气被挤入涡流室形成强烈有规则涡流运动，大部分柴油在涡流室内燃烧，形成二次涡流混合燃烧

（2）预燃室燃烧室（视频）

·空气被挤入预燃室产生无规则紊流，小部分柴油在预燃室内燃烧，产生二次紊流混合完全燃烧。

·五、喷油器的结构与工作原理

1.功用、要求与类型

（1）功用·根据柴油机混合气形成特点，将燃油雾化成细微的油滴，并将其喷射到燃烧室特定的部位

（2）要求·应满足不同类型的燃烧室对喷雾特性的要求。

·应有一定的贯穿距离和喷雾锥角；·有良好的雾化质量；·在喷油结束时不发生滴漏现象。

（3）类型·孔式喷油器·轴针式喷油器

2.孔式喷油器

（1）结构

1）适用：

统一式燃烧室

2）结构（视频）

·由针阀和针阀体构成喷油嘴。

喷油嘴有长型和短型两种结构形式。

前者将喷油嘴加长，针阀的导向部分远离燃烧室，以减少针阀受热及变形，从而避免针阀卡死在针阀体内，所以长型喷油嘴多用于热负荷较高的柴油机上

·针阀的两个锥面

承压锥面：

承受高压油腔中油压的作用，使针阀产生向上的轴向推力，克服调压弹簧的预紧力及针阀与针阀体间的摩擦力，使喷油器实现喷油。

密封锥面：

与针阀体内的密封锥面配合，以实现喷油器内腔的密封。

·喷孔：

有一个或多个喷孔，有一个喷孔的称单孔喷油器，有两个喷孔的称双孔喷油器，有三个以上喷孔的称多孔喷油器。

一般喷孔数目为1～7个，喷孔直径为0．2～0．5mm。

喷孔直径不宜过小，否则既不易加工，又在使用中容易被积炭堵塞。

·调压装置：

调压弹簧的预紧力通过顶杆作用在针阀上，将针阀压紧在针阀体内的密封锥面上，使喷油嘴关闭。

调压弹簧的预紧力由调压螺钉调节。

（2）工作原理（视频）

·来自喷油泵的高压柴油通过高压油管送到喷油器，经进油管接头、喷油器滤芯以及喷油器体和针阀体内的油道进入喷油嘴内的压力室。

油压作用在针阀的承压锥面上，产生向上的推力。

当此推力超过调压弹簧的预紧力时，针阀升起并将喷孔打开，高压柴油经喷孔喷入燃烧室。

·当喷油泵停止供油时，喷油嘴压力室内的油压迅速下降，针阀在调压弹簧的作用下瞬即落座，将喷孔关闭，终止喷油。

3.轴针式喷油器

（1）结构与原理

·适用：

分隔式燃烧室

·结构原理：

轴针式喷油器与孔式喷油器的工作原理相同，结构相似，只是喷油嘴头部的结构不同而已

·特点：

常有一个喷孔，直径较大，轴针上下运动，喷孔不易积炭，且能自除积炭

（2）轴针式喷油器的类型

·普通型：

轴针较短

·节流型：

与普通型相比，节流型喷油嘴的轴针较长，圆环形喷孔的长度或称节流升程较大，喷油初期的喷油速率较小，从而可以减缓燃烧过程初期气缸压力的增长，对降低柴油机燃烧噪声有利

·分流型：

分流型喷油嘴除主喷孔外，还在针阀体的密封锥面上加工有分流孔，孔径一般为0.2mm，孔中心线与针阀体轴线成30°。

当柴油机起动时，由于转速很低，喷油泵供油压力较小，因此喷油器的针阀升程较小，这时大部分柴油经分流孔逆气流方向喷到涡流室中心。

因为逆气流喷射，燃油雾化好，加上涡流室中心的温度比较高，所以柴油容易着火燃烧，使柴油机在低温下顺利起动。

当柴油机起动后，在正常转速下工作时，针阀升程较大，大部分柴油从主喷孔顺气流方向喷入涡流室

（3）轴针形状

·在轴针式喷油器中，针阀密封锥面以下有一段轴针，它穿过针阀体上的喷孔且稍突出于针阀体之外，使喷孔呈圆环形。

因此，轴针式喷油器的喷注是空心的

·圆柱形轴针：

喷注的喷雾锥角较小

·截锥形轴针：

喷注的喷雾锥角较大

·轴针制成不同形状：

可以得到不同形状的喷注，以适应不同形状燃烧室的需要。