新聞主題	四沖程柴油機工作特點與結構簡圖

 

摘要：柴油發動機在工作原理上與汽油發動機十分相似。大多數柴油發動機是四沖程的，但也有二沖程的柴油發動機結構的。因為柴油發動機的特點，它經常被用于那些需要較大載荷和轉矩的發電機組上。四沖程柴油機是壓燃式柴油發動機，而不是點燃發動機。柴油發動機上有許多零部件與典型的汽油發動機相同。柴油發動機有活塞、氣門、曲軸、燃油系統、冷卻系統、起動和充電系統，以及污染控制系統。因為柴油發動機用于較大負荷，這些系統比汽油發動機上的更加結實，更加強勁。柴油發動機與汽油發動機之間的一個較大區別是柴油發動機的壓縮比較高外，柴油噴射系統使用的是高壓噴射，而汽油發動機使用的是低壓燃油噴射系統。

 

一、柴油機工作過程

 

      柴油機是一種壓縮發火的往復式內燃機。它的基本工作原理是使燃油直接在發動機的氣江中燃燒，將燃油的化學能轉變成熱能，從而主成高溫高壓的燃氣，因燃氣膨脹，推動活塞云動，通過曲柄連桿對外做功，將熱能轉變為機械能。柴油機必須經過進氣、壓縮、燃燒（膨脹）和排氣四個過程才能完成了一個工作循環。然舌不斷重復進行這些過程，使柴油機持續工作。

1．進氣沖程

      進氣沖程如圖1（a）所示。活塞在曲軸帶動下，從上止點移動到下止點，這時進氣門打開，排氣門關閉。由于汽缸內容積增大，使汽缸內的壓力低于大氣壓，在汽缸內外壓力差的作用下，外界新鮮空氣通過進氣門吸入汽缸。由于進氣系統有阻力，空氣進入汽缸后的壓力低于大氣壓力。進氣終了時汽缸內的壓力約為0.8～0.9大氣壓。汽缸內空氣的溫度則高于大氣溫度，一般溫度在40℃～70℃。

      進氣過程對柴油機工作影響很大，進氣沖程結束時，汽缸內充氣量越多，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。

2．壓縮沖程

      壓縮沖程如圖1（b）所示。活塞從下止點移動到上止點，進、排氣門都處于關閉狀態，活塞便逐漸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。壓縮終了時，汽缸內空氣溫度約在500℃～700℃范圍內，壓力為27～49個大氣壓。

3．做功沖程

      做功沖程如圖1（c）所示。活塞從上止點移動到下止點，進、排氣門仍然關閉。在壓縮沖程接近終了時，噴油器將高壓燃油噴入汽缸與高溫高壓空氣混合，由于超過柴油自燃點溫度，便自行著火燃燒，產生大量熱能，使汽缸內溫度和壓力急劇升高。高溫高壓氣體推動活塞下移，經連桿帶動曲軸旋轉，對外做功。這一沖程最高燃燒壓力約為60～90個大氣壓，溫度最高可達1700℃～2000℃。隨著膨脹作用的進行，熱能變成了機械能，汽缸內氣體的壓力、溫度急劇下降，到膨脹終了時，汽缸內的壓力已下降到四個大氣壓，溫度降到600℃～900℃。

4．排氣沖程

      排氣沖程如圖1（d）所示。活塞從下止點移動到上止點，此時進氣門關閉，排氣門打開。膨脹終了的氣體已失去做功的能力，變成了廢氣。為了使新鮮空氣重新進入汽缸就必須排除廢氣。廢氣經活塞上行的排擠壓，經排氣門排出缸外。排氣終了時，汽缸內的壓力約為1.03～1.08大氣壓，溫度約為350℃～600℃。

      當排氣終了時，活塞又回到上止點，至此，單缸四沖程柴油機完成了一個工作循環。曲軸在這一工作循環中轉動兩圈，即720（曲軸轉角），活塞則經過四個沖程：進、壓、工、排。應當指出，以上講的是理論上柴油機的工作過程，但實際上柴油機工作過程很復雜，進、排氣門并不在上、下止點時打開或關閉，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，這里不再講述。

      從上述四個工作過程中可以看出，只有第程全是輔助過程，是需要消耗能量的，這個問題在單缸柴油機上是利用飛輪儲存的能量來解決，在多缸柴油機上則主要靠其他缸的做功沖程來供給。工作循環開始時（即柴油機起動時），需要用外力先使曲軸轉動，完成輔助過程，使柴油機起動，柴油機才能正常運轉，即四個工作過程依次不斷地重復出現。圖2為四沖程柴油機內部運行簡易演示圖。

 

圖1  四沖程柴油機工作過程

圖2  四沖程柴油機內部運行簡易演示圖

 

二、結構組成

 

      四沖程柴油發動機三維側視圖如圖3所示，結構組成如圖4所示。

1、固定部件

      主要由氣缸蓋、氣缸套、機體、機座、主軸承等構成柴油機本體和運動件的支承，并和有關運動部件配合構成柴油機的工作空間。

2、運動部件

      主要由活塞、活塞銷、連桿，連桿螺栓、曲軸等組成。它們與固定部件配合完成空氣壓縮及熱能到機械能的轉換。

3、配氣系統  

      它包括進氣系統和排氣系統。

（1）進氣系統主要由空氣濾清器、進氣管件、氣缸蓋內的進氣道、進氣閥、氣閥彈簧、搖臂、頂桿、凸輪軸和凸輪軸傳動機構等所組成，用來在規定的時間內向氣缸內充入足夠的新鮮空氣。

（2）排氣系統主要由排氣閥、氣閥彈簧、搖臂、頂桿、凸輪軸和傳動機構以及排氣管、排氣消音器等組成。用來在規定時間內將氣缸內作功后的廢氣排入大氣。

4、燃油系統

      包括供應和噴射兩個系統。前者由日用油柜、燃油濾清器，輸油泵等組成，后者由噴油泵、高壓油管和噴油器組成。其功用是供給柴油機燃燒作功所需的燃油。

5、潤滑系統

      主要作用是潤滑摩擦表面，以減少機件的磨損，延長使用壽命，降低摩擦功率損失，提高機械效率。

6、冷卻系統

      主要作用是維持柴油機受熱零部件在合適的溫度狀態下工作。

7、起動系統

      柴油機本身無自行起動能力。起動系統的任務就是使柴油機從停車狀態發動起來。

8、調速裝置

      調速裝置的作用是使柴油機能按外界阻力矩的變化而自動改變噴油泵的噴油量，從而使柴油機在選定轉速下穩定運轉。此外，船舶柴油機還設有換向裝置，并將起動、調速、換向和停車集中控制組成操縱系統。多數柴油機還設有增壓系統，用于進一步提高柴油機作功能力。

 

圖3  柴油發動機側視圖

圖4  康明斯QSB5.9型柴油發動機結構圖

 

三、柴油機和汽油機的比較

 

      表1中給出了四沖程柴油發動機和汽油發動機之間的一般比較：

（1）汽油發動機的進氣是空氣和燃油混合氣，而柴油發動機在進氣沖程只吸入空氣。

（2）因為汽油發動機的壓縮比較低，所以壓縮壓力較小，壓縮溫度也較低。

（3）汽油發動機中空氣和燃油的混合點在化油器處或由噴油器完成，而柴油發動機的混合點在上止點（TDC）附近或稍前一點。

（4）汽油發動機的燃燒是由火花塞引發的，而柴油發動機是壓燃的。

（5）汽油發動機在做功沖程產生大約460 psi的壓力，而柴油發動機在做功沖程產生的壓力接近1200 psi。柴油發動機產生的能量比汽油發動機更大。

（6）汽油發動機的排氣溫度遠遠高于柴油發動機，因為在排氣沖程仍然有部分汽油在燃燒。汽油發動機的廢氣中一氧化碳的含量也很高。

（7）柴油發動機的一個主要缺點是氮氧化物（NO_x）的排放量大。因為內部溫度較高，與汽油發動機相比，柴油發動機會產生更多的氮氧化物。氮氧化物被認為是溫室效應氣體（引起大氣溫度稍稍升高，使我們的環境變得像溫室一樣的氣體），氮氧化物也是導致光化學煙霧的主要氣體之一，盡管發動機制造商在不斷改進，降低排放。

（8）柴油發動機的效率比汽油發動機大約高10％。原因是柴油發動機的壓縮比更高，并且1gal的柴油中含有的能量比1gal的汽油更高。

表1    汽油發動機和柴油發動機的比較

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