新聞主題	柴油機原理包括進氣、壓縮、做功和排氣四大過程

 

摘要：以四沖程柴油機為例，對柴油機的工作原理進行介紹。柴油發動機工作行程分別稱為進氣過程、壓縮過程、燃燒和膨脹過程、排氣過程。本文從柴油發動機原理、使用和結構因素，全面分析工作過程中實際循環和理想循環存在的差別，并通過分析找到縮小這些差別的有效途徑。本文重點是壓縮和膨脹過程分析，難點是使用和結構因素是如何影響多變指數變化的變化對終態參數的影響。

 

一、柴油機工作原理和多變指數

 

      柴油機工作原理活塞連續運行四個沖程（即曲軸旋轉兩周）的過程中，完成一個工作循環（進氣―壓縮―燃燒和膨脹―排氣）的柴油機。工作過程如圖1所示。

1、進氣過程（第一行程r-a）

      活塞在曲軸的帶動下，從上止點移動到下止點，此時進氣門打開，排氣門關閉。由于氣缸內容積增大，氣缸內壓力低于大氣壓。因此，新鮮空氣通過吸氣門進入氣缸。由于進氣系統有阻力，空氣進入氣缸后的壓力低于大氣壓。進氣結束時氣缸內的壓力約為0.8~0.9個大氣壓，溫度在40、70℃。此過程結束時，氣缸內充其量越多，可以噴入的燃油量也越多，燃燒過程放出的能量就越多，柴油機發出的功率就越大。

（1）第一階段示功圖如圖2所示。r點高于P_o→殘余廢氣壓力P_r之故。

（2）活塞在廢氣壓力（P_r）膨脹推動下作正功，此時并未進入缸內；只有當壓力降到小于P₀時，新鮮空氣才真正被吸入缸中。

（3）由于有進氣阻力，所以進氣終了壓力P_a<P_o，此時活塞克服進氣阻力（△P_a=P₀-P_a）作負功。

（4）因缸內有熱量存在，所以空氣進入缸內后被加熱。

2、壓縮過程（第二行程a-c)

      活塞從下止點移動到上止點，進、排氣門都處于關閉狀態，活塞將第一沖程吸入的空氣壓縮在燃燒室內，使空氣的溫度和壓力升高。此過程結束時，氣缸內空氣溫度約在500~700℃，壓力為27~49個大氣壓。第二階段示功圖如圖3所示。

（1）非絕熱過程

      前段為吸熱（n₁'＞k），后段為放熱（n₁’<k），只有在某一點（m點）才是n₁’=k。它為多變指數（n₁'＜k）在隨時發生變化的多變過程。

（2）工質在數量和性質上有變化。

（3）多變過程終態參數。

P_c=P_α×εⁿ¹

T_c=T_α×ε^n1-1

① 增加壓縮過程的目的：增大吸熱與放熱時的溫差，獲得最大的膨脹比，從而提高熱效率。

② 為燃燒創造條件，特別是柴油機燃燒——壓燃式。

③ 提高P_c和T_c的重要途徑是增大壓縮比。

④ n₁也希望提高，它主要受到熱交換及工質泄漏的影響：傳熱量大，T_c↓，意味n₁↓;同樣，泄漏量大，P_c↓，也意味n₁↓。

⑤ 減少傳熱量，提高n₁的措施有：提高發動機轉速（傳熱和泄漏的時間減少）;負荷增加（水溫高）、采用空冷；增大氣缸直徑（相對傳熱量和泄漏量將減少）。

⑥ 在進行熱力計算時，其“多變指數”取平均多變指數進行計算（“平均多變指數”取得是否合理，其計算結果要與熱力過程中的初、終態實際基本狀態參數一致來決定）。

3、燃燒過程（第三行程c-z)

      燃燒過程目的是將化學能轉變為熱能，使工質溫度和壓力提高。

      由于前期噴出的燃油的燃燒，在接近容積不變的情況下發生，所以壓力上升很快（即：為定容加熱過程），如圖4所示。此后，功率增長變緩。由于噴油是持續的個過程，氣體溫度將進一步提高，雖然活塞已開始下行，容積開始擴大，但因溫度增高的緣故，氣體壓力接近不變（即：存在定壓加熱的過程）。

4、膨脹過程（第三行程z-b)

      膨脹過程目的是利用高溫、高壓的工質推動活塞下行對外作功，實現熱功轉換。

（1）非絕熱過程

      如圖5所示。前段繼續吸熱（補燃部分，n₂’＜k），后段為放熱（向水套放熱，n₂’＞k），只有在某一點才是n₂’=k。它也為多變指數（n₂’）在隨時發生變化的多變過程。

（2）工質數量和性質變化

      如：2H?+O?=2H?O，另外，還有漏氣損失。

（3）終態參數：

P_b=P_z/δⁿ²

T_b=T_z/δ^n2-1

（4）在進行熱力計算時，其“平均多變指數”取得合理與否，由計算結果與實際熱力過程中的初、終態基本狀態參數是否一致來決定。

① n?的影響：

      工質吸熱時，n₂影響因素有：轉速增加、混合氣質量不好，均會使補燃增加，工質在膨脹期吸熱量的增加，導致P_b、T_b增大，不好；工質放熱時，n₂影響因素有：漏氣增加、氣缸直徑減小（相對散熱面積增加）、表面上雖然能使P_b、T_b降低，但熱能卻被水套中的水或空氣帶走，也不好。

② 要使P_b、T_b減小，提高ε、δ是最好途徑。

5、排氣過程（第四行程b-r)

      活塞從下止點移動到上止點，此時進氣門關閉，排氣門打開。膨脹結束后，氣缸內氣體已失去做功的能力，稱為廢氣。為了使新鮮空氣重新進入氣缸，需將廢氣排出。廢氣在活塞上行的排擠下，經過排氣門到出缸外。排期結束時，氣缸內的壓力約為1.03~1.08個大氣壓，溫度約為350~600℃。排氣過程目的是將廢氣排出，以便更換新鮮工質。第四階段示功圖如圖6所示。

① 排氣有阻力（P_r>P₀），要消耗機械功（活塞上受到的阻力=P_r-P₀）。

② P_r大，表征殘余廢氣多。

③ 容易通過測量T_r大小來判定燃燒好壞。

④ 排氣溫度和壓力比較：

      至此，活塞又回到上止點，四沖程柴油機完成一個工作循環，曲軸轉動兩圈。此外，實際情況下，柴油機的進、排氣門動作的時間并非活塞移動到上、下止點，而是進氣門在上止點前打開，下止點后關閉；排氣門在下止點前打開，上止點后關閉。

 

圖1  柴油發動機工作原理圖	圖2  柴油發動機進氣行程示功圖
圖3  柴油發動機壓縮行程示功圖	圖4  柴油發動機燃燒行程示功圖
圖5  柴油發動機非絕熱示功圖	圖6  柴油發動機排氣行程示功圖

 

 二、柴油機基本結構

 

      發動機是由曲柄連桿機構和配氣機構兩大機構，以及冷卻、潤滑、點火、燃料供給、啟動系統等五大系統組成。主要部件有氣缸體、氣缸蓋、活塞、活塞銷、連桿、曲軸、飛輪等，如圖7所示。往復活塞式內燃機的工作腔稱作汽缸，汽缸內表面為圓柱形。

1、氣缸

      柴油機通常有多個氣缸，每個氣缸內都有活塞運動。氣缸通常由鑄鐵或鋁合金制成，具有耐高溫、耐高壓的特點。

2、曲軸連桿機構

      在汽缸內作往復運動的活塞通過活塞銷與連桿的一端鉸接，連桿的另一端則與曲軸相連，曲軸由氣缸體上的軸承支承，可在軸承內轉動，構成曲柄連桿機構。活塞在汽缸內作往復運動時，連桿推動曲軸旋轉。反之，曲軸轉動時，連桿軸頸在曲軸箱內作圓周運動，并通過連桿帶動活塞在氣缸內上下移動。曲軸每轉一周，活塞上、下各運行一次，汽缸的容積在不斷的由小變大，再由大變小，如此循環不已。模型結構如圖8所示。

3、潤滑系統

      柴油機的潤滑系統主要包括油底殼、曲軸箱、曲軸、連桿、活塞、氣缸等部分。潤滑系統通過提供潤滑油，減少零部件之間的摩擦，降低磨損。同時，還能冷卻發動機，清除異物和有害殘留物。

4、燃油系統

      柴油機的燃油系統主要由燃油箱、濾清器、燃油泵、噴油器等組成。燃油泵將柴油從燃油箱中抽取，通過濾清器進行過濾，然后將燃油噴射到氣缸中。噴油器將燃油霧化和噴射時間控制在適當范圍內，以實現高效燃燒。

5、冷卻系統

      柴油機的冷卻系統主要由水泵、水箱、散熱器等組成。冷卻系統通過將冷卻液循環引流，吸熱并冷卻發動機。這有助于保持發動機在正常工作溫度范圍內，防止過熱和燒壞。

6、起動系統

      柴油機的起動系統通常由啟動電機、齒輪傳動系統和起動電路組成。當系統通過啟動電路時，啟動電機將轉動產生的動力傳遞給齒輪傳動系統，使發動機開始旋轉，從而實現啟動。

 

圖7  柴油發動機結構圖

圖8  柴油機曲柄連桿機構組成模型圖

 

三、柴油機的主要特點

 

      柴油機的工作原理可以總結為壓縮、噴油、燃燒和排氣四個基本過程。與汽油機相比，柴油機的燃燒過程更加復雜，主要有以下特點：

1、高壓縮比

       柴油機的壓縮比通常比汽油機高得多，這是為了提高燃燒效率。高壓縮比使得柴油在壓縮沖程中達到高溫高壓狀態，有利于燃燒過程的進行。

2、自燃點

      柴油的自燃點比汽油高，因此在高溫高壓環境下，柴油可以自行燃燒，無需點火系統。這也是柴油機與汽油機的一個主要區別。

3、高效率

      由于柴油機的壓縮比高，燃燒溫度高，熱效率通常比汽油機高。這使得柴油機在燃料利用率方面更加高效，節能環保。

4、動力輸出穩定

      柴油機的燃燒過程相對較長，燃燒持續時間長，燃燒過程平穩。這使得柴油機的動力輸出相對平穩，適合用于大功率和大扭矩輸出的應用場景。

 

總結：

      柴油機的工作原理是通過壓縮沖程、燃燒沖程、排氣沖程和進氣沖程四個沖程循環完成的。柴油燃料在高溫高壓條件下燃燒產生的氣體推動活塞運動，通過連桿和曲軸將活塞的往復運動轉化為旋轉運動，從而驅動發電機產生電能。柴油機的工作原理涉及到壓縮比、點火系統、曲軸和冷卻系統等關鍵要素。通過合理設計和優化這些要素，可以提高柴油機的功率和燃油利用率，實現更高效的供電。在這個過程中，柴油機的燃燒效率通常比汽油發動機更高，也更節能。同時，柴油機的結構相對簡單，可靠性較高，因此在大型發電機組應用中廣泛使用。

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