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傳統(tǒng)柴油發(fā)動機的工作原理簡述 |
摘要:柴油機是以柴油作燃料的壓燃式柴油機。工作時,氣缸內(nèi)的空氣被壓縮而溫度升高,定時噴入氣缸的柴油自行著火燃燒,產(chǎn)生高溫、高壓的燃?xì)馀蛎浲苿踊钊龉?,將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功。柴油機的工作循環(huán)由進氣、壓縮、噴油著火燃燒、膨脹做功和排氣等過程組成。這些過程可以由四沖程或二沖程柴油機來實現(xiàn)。
一、內(nèi)燃機熱力循環(huán)原理
熱力學(xué)循環(huán)是熱力學(xué)的重要概念,它描述了能量在系統(tǒng)中的傳遞和轉(zhuǎn)化過程。內(nèi)部燃燒示例如圖1所示。
1、內(nèi)燃機理論循環(huán)的三種基本形式
(1)定容加熱循環(huán)0tto,見圖2a。
(2)定壓加熱循環(huán)Diesel,見圖2b。
(3)混合加熱循環(huán)Sabathe,見圖2c。
2、理論循環(huán)熱效率ηt的影響因素
(1)壓縮比:ε =Va/Vc
(2)壓力升高比:λ=Pz/Pc
(3)初期膨脹比:ρ=Vz/Vc
(4)工質(zhì)絕熱指數(shù):k
熱效率隨壓縮比ε、壓力升高比λ、工質(zhì)絕熱指數(shù)k的增加而提高,隨初期膨脹比ρ的增加而降低。混合加熱循環(huán)繼續(xù)膨脹示意圖如圖3所示。
3、理論循環(huán)平均壓力Pt的影響因素
(1)Pa壓縮始點壓力;
(2)ql單位工質(zhì)吸入熱量;
(3)Ta壓縮始點溫度;
(4)ηt=1-(λρk-1)/εk-1[λ-1+kλ(ρ-1)]。
平均壓力隨壓縮始點壓力、單位工質(zhì)吸入熱量、及熱效率的提高和壓縮始點溫度的降低而增加。
4、三種理論循環(huán)熱效率比較
(1)如圖4(a)所示。若最高爆發(fā)壓力和吸熱量相同,則定壓加熱循環(huán)熱效率最高,混合次之。
(2)如圖4(b)所示。若壓縮比和吸熱量相同,則定容加熱循環(huán)熱效率最高,混合次之。
內(nèi)燃機的應(yīng)用基于熱力學(xué)原理,通過燃燒燃料產(chǎn)生高溫高壓氣體,從而將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能。了解內(nèi)燃機的熱力學(xué)原理,有助于我們更好地理解其工作原理和性能特點。
圖1 柴油機內(nèi)部熱力循環(huán)工作原理圖 |
圖2 柴油機理論循環(huán)示意圖 |
圖3 柴油機混合加熱循環(huán)繼續(xù)膨脹 |
圖4 柴油機三種理論循環(huán)的熱效率 |
二、柴油機的基本工作原理
用4個行程,曲軸回轉(zhuǎn)兩周完成一個工作循環(huán)。四沖程柴油機的基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。工作時活塞作往復(fù)直線運動,曲軸做旋轉(zhuǎn)運動?;钊淖冞\動方向的瞬時位置稱止點(死點),止點處的活塞瞬時運動速度為零。離曲軸中心最遠的止點稱上止點,最近的止點稱下止點。四沖程柴油機的工作原理如圖6所示,圖中分別表示4個行程中活塞、連桿、曲軸及氣閥的相對位置。
1、進氣行程
活塞從上止點下行,進氣閥打開。因活塞下行的抽吸作用,氣缸內(nèi)充入新鮮空氣。為了能充入更多新鮮空氣,進氣閥一般在上止點前提前開啟,在下止點后延遲關(guān)閉,進氣閥開啟的延續(xù)角度約為220°~250°,如圖2a所示。
2、壓縮行程
活塞從下止點上行,進、排氣閥均關(guān)閉。活塞上行壓縮缸內(nèi)的空氣,使其壓力和溫度均不斷升高。壓縮終點的壓力約為3~6MPa;溫度約為500~700℃。在上止點(壓縮終點)附近,霧化的燃油經(jīng)噴油器噴入燃燒室,并在高溫高壓空氣的作用下,開始自行著火燃燒,如圖2b所示。
3、做功行程
活塞由上止點向下運動,進、排氣閥均關(guān)閉。在此行程的初期,大量的混合氣燃燒,缸內(nèi)的壓力和溫度都急劇升高,其最大值分別可達6~9MPa和1500~2000℃左右。高溫高壓氣體推動活塞下行做功,在上止點后某一時刻,燃燒結(jié)束,膨脹做功仍在進行。當(dāng)活塞到達下止點前某一時刻,排氣閥開啟,做功過程結(jié)束。此時,氣缸內(nèi)的壓力約為0.2~0.5MPa,溫度約為600~700℃?;钊麆t繼續(xù)向下止點下行,如圖2c所示。
4、排氣行程
曲軸帶動活塞由下止點向上運動,排氣閥繼續(xù)開啟狀態(tài),氣缸內(nèi)的廢氣被上行的活塞強行推出缸外。為了實現(xiàn)充分排氣和減少排氣過程中所消耗的功,不但在下止點前提前開啟排氣閥,而且要在排氣行程結(jié)束的上止點后才關(guān)閉。排氣閥開啟的延續(xù)角度約為230°~260°如圖2d所示。
四沖程柴油機完成一個工作循環(huán)要經(jīng)歷進氣、壓縮、做功、排氣等4個行程;一個工作循環(huán)曲軸回轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn),即曲軸轉(zhuǎn)角720°。其中只有一個行程做功,其余3個行程都要消耗功。因此,在單缸柴油機必須有一個足夠大的飛輪來供給這3個行程所需的能量;而對于多缸柴油機,則借助于其他氣缸膨脹做功過程來供給。
柴油機必須借助外部能量的驅(qū)動使其啟動運轉(zhuǎn),實現(xiàn)停車狀態(tài)進入工作狀態(tài),直至噴入氣缸的燃油自發(fā)火燃燒,實現(xiàn)柴油機自行運轉(zhuǎn)。
圖5 柴油機氣缸運動示意圖 1-排氣門 2-進氣門 3-氣缸蓋 4-氣缸5-活塞 6-活塞銷 7-連桿 |
圖6 四沖程柴油機工作原理 |
三、二沖程柴油機的基本工作原理
二沖程柴油機用兩個行程,曲軸回轉(zhuǎn)一周完成一個工作循環(huán)的柴油機。二沖程柴油機與四沖程柴油機的不同是在于氣缸上設(shè)有氣口,如圖7所示氣缸右側(cè)為排氣口,左側(cè)為進氣口。進氣口比排氣口略低,由活塞控制氣口的開與關(guān)。此外,二沖程柴油機設(shè)有掃氣泵。壓縮的空氣被掃氣泵預(yù)先送入掃氣箱中,掃氣箱中的空氣壓力(掃氣壓力)要比大氣壓力稍高。
1、 換氣一壓縮行程
活塞由下止點向上運動。在活塞接近進氣口之前,氣缸中繼續(xù)充入新鮮空氣并通過排氣口將氣缸內(nèi)的廢氣趕出。當(dāng)進氣口完全被活塞遮蔽時(點1),新鮮空氣不再進入氣缸內(nèi)。當(dāng)排氣口被活塞遮蔽后(點2),活塞對氣缸內(nèi)的空氣進行壓縮,產(chǎn)生高壓和高溫氣體。在活塞到達上止點前的某一時刻(點2'),柴油被噴油器噴入氣缸,并與高溫高壓空氣混合后著火燃燒。
在這一行程中,完成了換氣(曲線0-1-2)、壓縮(曲線2-3)和噴油著火燃燒各過程。
2、膨脹做功一換氣行程
活塞由上止點向下運動?;旌蠚庠诖诵谐痰某跗谌栽诿土胰紵?,到點4才基本結(jié)束。活塞因燃?xì)馀蛎浀耐苿酉滦凶龉?。排氣口在活塞下行打開時(點5),由于此時缸內(nèi)燃?xì)獾膲毫蜏囟热暂^高,分別為0.25~0.6MPa和600~800℃,在氣缸內(nèi)外的壓差作用下氣缸內(nèi)燃?xì)鈴呐艢饪诟咚倥懦?,缸?nèi)壓力隨之降低。當(dāng)缸內(nèi)下降的壓力接近掃氣壓力時,下行的活塞打開進氣口,新鮮空氣通過進氣口進入氣缸,并對氣缸內(nèi)進行掃氣,將缸內(nèi)的廢氣排出排氣口。這個過程稱為掃氣過程,一直要延續(xù)到下一個循環(huán)活塞再次上行將進氣口關(guān)閉時為止。工作過程如圖8所示。
在這一行程中,完成了燃燒與膨脹(曲線3-4-5)、排氣(曲線5-6)和部分掃氣(曲線6-0)過程。
由此可見,相比四沖程柴油機,二沖程柴油機是將進氣和排氣過程合并到壓縮與膨脹行程中進行,有兩個行程被省略。因此,二沖程柴油機完成一個工作循環(huán)曲軸回轉(zhuǎn)一周。在活塞行程、氣缸直徑與轉(zhuǎn)速相同的條件下,二沖程柴油機的功率似乎應(yīng)為四沖程柴油機的2倍;但實際上,由于二沖程柴油機的氣口使其有效行程減少等原因,其功率約為四沖程柴油機的1.6~1.8倍。
圖7 二沖程柴油機工作原理 |
圖8 柴油機做功示意圖 |
總結(jié):
總結(jié)起來,柴油機的工作原理包括進氣過程、壓縮過程、做功過程和排氣過程。通過柴油機各個系統(tǒng)的協(xié)同作用,柴油機能夠高效、可靠地產(chǎn)生動力。柴油機在現(xiàn)代交通和工業(yè)領(lǐng)域中扮演著重要的角色,不斷的技術(shù)創(chuàng)新和改進將進一步提高其性能和可靠性。
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