新聞主題	柴油機(jī)工作原理、特點和示功圖

 

摘要：要解決柴油機(jī)故障的問題，必須了解柴油機(jī)基本結(jié)構(gòu)、柴油機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理、柴油機(jī)系統(tǒng)的組成和分類、柴油機(jī)系統(tǒng)傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理等基本知識；同時掌握噴油器的校正、功能測試、更換以及柴油機(jī)怠速不穩(wěn)故障的診斷與維修方法。康明斯公司在本文中詳細(xì)講述了柴油機(jī)的工作原理、特點、燃燒過程以及柴油的特性的相關(guān)常識。

 

一、柴油機(jī)工作原理及特點

1．基本術(shù)語

      柴油發(fā)動機(jī)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，常用術(shù)語位置如圖2所示。

（1）上止點

      上止點指活塞頂部離曲軸中心最遠(yuǎn)處。

（2）下止點

      下止點指活塞頂部離曲軸中心最近處。

（3）缸徑

      缸徑指發(fā)動機(jī)氣缸的直徑。

（4）行程

      行程指上、下止點間的距離。

（5）工作容積

      工作容積指活塞從上止點到下止點所掃過的容積。

（6）排量

      排量指所有氣缸工作容積之和。

（7）燃燒室容積

      燃燒室容積指活塞在上止點時活塞頂上面空間的容積。

（8）氣缸總?cè)莘e 

      氣缸總?cè)莘e指活塞在下止點時，活塞上部空間的容積。氣缸總?cè)莘e等于工作容積與燃燒室容積之和。

（9）壓縮比

       壓縮比指氣缸總?cè)莘e與燃燒室容積之比。

（10）曲柄半徑

      曲柄半徑指連桿大頭中心到曲軸中心的距離。

圖1  康明斯QSL9型柴油發(fā)動機(jī)左側(cè)圖

圖2  發(fā)動機(jī)的常用術(shù)語

2．柴油機(jī)的工作原理簡述

（1）進(jìn)氣行程

      如圖3左圖所示。起動機(jī)通電帶動曲軸旋轉(zhuǎn)，曲軸的轉(zhuǎn)動使活塞自上而下運(yùn)動，這時，排氣門關(guān)閉，進(jìn)氣門打開，新鮮空氣進(jìn)入氣缸和燃燒室。

（2）壓縮行程

      如圖3右圖所示。活塞從下止點向上運(yùn)動，這時，進(jìn)氣門和排氣門均關(guān)闊，吸入氣缸內(nèi)的空氣受到活塞的壓縮，壓力提高，溫度也隨之升高。

（3）做功行程

      如圖4左圖所示。當(dāng)活塞壓縮到上止點，噴油器向燃燒室噴入霧狀柴油，油霧與壓縮空氣充分混合，形成高溫高壓的燃?xì)猓㈤_始自行著火燃燒，混合氣膨脹做功，推動活塞向下運(yùn)動，從而推動曲軸轉(zhuǎn)動，對外輸出功。

（4）排氣行程

      如圖4右圖所示。活塞從下止點往上運(yùn)動，這時，進(jìn)氣門關(guān)閉，排氣門打開，燃燒廢氣在活塞的推動下排出燃燒室，完成一個工作行程，這時曲軸轉(zhuǎn)動兩周。

      當(dāng)柴油機(jī)完成排氣行程后，在曲軸飛輪總成的慣性力作用下，又重復(fù)上述工作循環(huán)過程，使柴油機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)對外輸出功率。

 

 

圖3  柴油機(jī)工作原理圖

圖4  柴油機(jī)做功原理圖

 

3．柴油機(jī)特點

（1）功率大、經(jīng)濟(jì)性能好。

（2）燃料是柴油，其黏度比汽油大，不易蒸發(fā)，而其自燃溫度卻較汽油低-安全。

（3）混合氣是壓燃的，而不是點燃的-不需點火系統(tǒng)。

（4）柴油機(jī)的可靠性要比汽油機(jī)的好-系統(tǒng)少。

（5）柴油機(jī)壓縮比很高，熱效率和經(jīng)濟(jì)性都要好于汽油機(jī)。

（6）工作壓力大，要求各有關(guān)零件具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，所以柴油機(jī)比較笨重，體積較大。

（7）柴油機(jī)的噴油泵與噴油器制造精度要求高，所以成本較高。

（8）工作粗暴，振動噪聲大。

（9）柴油不易蒸發(fā)，冬季冷車時起動困難。

 

二、柴油機(jī)的燃料特性

1．柴油燃料

（1）柴油可根據(jù)餾分的輕重分為輕柴油（沸點范圍約180～370℃）和重柴油（沸點范圍約350～410℃）。不同類型柴油機(jī)對柴油的要求：

① 轉(zhuǎn)速在1000r/min以上的高速柴油機(jī)使用輕柴油；

② 轉(zhuǎn)速在500～1000r/min的中速柴油機(jī)和轉(zhuǎn)速低于500r/min的低速柴油機(jī)使用重柴油。

（2）柴油是將十六烷（自燃性好）與α-甲基萘（自燃性差）按一定比例調(diào)配而成的混合物，其中十六烷含量的百分?jǐn)?shù)稱為十六烷值。汽車用的柴油十六烷值要求高于50。

2．柴油燃料特性

（1）發(fā)火性 

      發(fā)火性表示柴油的自燃能力，用十六烷值評定，十六烷值越大，發(fā)火性越好。但是十六烷值越高，柴油的燃燒性能越好，其凝點也較高，這樣影響著火質(zhì)量。

（2）蒸發(fā)性 

      蒸發(fā)性表示柴油蒸發(fā)汽化的能力，用餾程（餾出某一百分比的溫度范圍）和沸點表示。餾程：50％（300℃）、90％（355℃）、95％（365℃）餾出溫度。沸點低適合寒冷氣候，但十六烷值低，潤滑性差，增加磨損。沸點高，碳煙產(chǎn)物增加和噴油器結(jié)焦。沸點一般在350℃。

（3）閃點 

      閃點是指在一定試驗條件下，當(dāng)柴油蒸氣與周圍空氣形成的混合氣接近火焰時，開始出現(xiàn)閃火的溫度。閃點低，蒸發(fā)性好。

（4）低溫流動性 

      低溫流動性用凝點和冷濾點評定。

（5）凝點

      凝點是指柴油失去流動性，開始凝固時的溫度。

（6）冷濾點

      冷濾點是指在特定試驗條件下，在1min內(nèi)柴油開始不能流過濾清器20mL時的最高溫度。

3．柴油的使用條件

      輕柴油按凝點分為以下7個牌號：10、5、0、-10、-20、-35、-50。

（1）10號輕柴油適用于有預(yù)熱設(shè)備的柴油機(jī)。

（2）5號輕柴油適用于風(fēng)險率為10％的最低氣溫在8℃以上的地區(qū)使用。

（3）0號輕柴油適用于風(fēng)險率為10％的最低氣溫在4℃以上的地區(qū)使用。

（4）-10號輕柴油適用于風(fēng)險率為10％的最低氣溫在-5℃以上的地區(qū)使用。

（5）-20號輕柴油適用于風(fēng)險率為10％的最低氣溫在-14℃以上的地區(qū)使用。

（6）-35號輕柴油適用于風(fēng)險率為10％的最低氣溫在-29℃以上的地區(qū)使用。

（7）-50號輕柴油適用于風(fēng)險率為10％的最低氣溫在-44℃以上的地區(qū)使用。

三、 柴油機(jī)燃燒過程

      柴油機(jī)混合氣的燃燒過程按壓力溫度變化分為4個階段，如圖5、圖6所示。

1、備燃期 

      噴入氣缸的燃料經(jīng)過一系列的物理化學(xué)的變化過程，包括燃料的霧化、加熱、蒸發(fā)，與空氣混合等準(zhǔn)備階段，雖然時間比較短，但對于整個燃燒過程的影響很大。

2、速燃期

      燃料快速燃燒，氣缸壓力急劇增加。壓力的升高速度決定了柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，如果壓力升高速度太大，則柴油機(jī)工作粗暴，運(yùn)動零件受到很大負(fù)荷。為了保證平穩(wěn)性，壓力升高比不超過0.4MPa/曲軸轉(zhuǎn)角。

3、緩燃期

     在氣體工作容積不斷增加的時候開始，如果能夠保持燃燒的快速性，才能使氣缸內(nèi)的壓力保持不變或稍有上升。所以，只有在緩燃期加速空氣混合，才能使燃料迅速燃燒。

4、后燃期

      后燃期的能量對發(fā)動機(jī)的做功作用不大，但增加零件的熱負(fù)荷，燃燒情況不好，排放惡化。因此，盡量減少過后燃燒。

圖5  柴油機(jī)燃燒過程

圖6  柴油機(jī)燃燒過程示意圖

 

四、發(fā)動機(jī)工作示功圖

      柴油機(jī)的工作循環(huán)有進(jìn)氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣5個過程，圖7所示為柴油機(jī)工作循環(huán)原理圖。在往復(fù)活塞式發(fā)動機(jī)的一個循環(huán)中，氣缸內(nèi)氣體壓力隨活塞位移（或氣缸內(nèi)容積）而變化形成一條循環(huán)曲線。循環(huán)曲線所包圍的面積可表示機(jī)器所做的功或所消耗的功，故稱為示功圖，如圖8所示。

（1）進(jìn)氣（ra曲線）

      終了時刻氣體狀態(tài)，壓力為80～95kPa；溫度為30～75℃。

（2）壓縮（ac曲線）

      終了時刻氣體狀態(tài)，壓力為3～6MPa；溫度為480～680℃。

（3）燃燒（c＇z'曲線）   

      終了時刻氣體狀態(tài)，壓力為6～9MPa；溫度為1800～2200℃。

（4）膨脹（z＇b曲線）

      終了時刻氣體狀態(tài)，壓力為0.2～0.4MPa；溫度為700～900℃。

（5）排氣（br曲線）

      終了時刻氣體狀態(tài)，壓力為105～120kPa；溫度為450～650℃。

 

圖7  柴油發(fā)動機(jī)工作原理圖

圖8  柴油機(jī)示功圖

 

總結(jié)：

      柴油機(jī)是以柴油為燃料，屬于壓縮點燃式發(fā)動機(jī)，柴油機(jī)在工作時，新鮮空氣被吸入柴油機(jī)氣缸內(nèi)，因活塞的運(yùn)動而受到高強(qiáng)度的壓縮，高溫達(dá)到500~700℃。燃油在高壓油泵的作用下以霧狀噴入高溫空氣中，與高溫空氣形成可燃混合氣，自動著火燃燒。燃燒中釋放的巨大能量作用在活塞頂面上，推動活塞并通過連桿和曲軸轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。因此，柴油機(jī)在發(fā)電機(jī)組中廣泛應(yīng)用，因為柴油機(jī)的燃油效率高，維護(hù)成本低，適合長時間運(yùn)行。

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