柴油机的工作原理

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第三节  柴油机的工作原理
一、四冲程柴油机工作原理（教材图1-3）
若柴油机工作循环的进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程是通过四个冲程（即曲轴回转两周）来完成的，这种柴油机就叫四冲程柴油机。
    第一冲程──进气冲程
    这一冲程的任务是使气缸内充满新鲜空气。活塞由上止点下行，进气阀已打开，由于气缸容积不断增大，缸内压力下降，依靠气缸内外的气压差作用，新鲜空气通过进气阀被吸入气缸。由于受流阻等影响，在进气过程的大部分时间里，气缸内压力低于大气压力，到下止点时，缸内气压的为0.08～0.95Mpa，温度约为30～70℃。这时，排气阀和喷油器均关闭。
    为了使柴油机作功更完善，必须在进气过程尽可能多吸入新鲜空气。进气阀开启始点至上上点的曲柄转角叫做进气提前角。下止点到进气阀关闭位置的曲柄转角叫做进气延迟角（利用惯性进气）。整个进气过程所占的总角度约为220～250°CA。
第二冲程──压缩冲程
    这一冲程的任务是压缩第一冲程吸入的空气，提高空气的温度与压力，为柴油机燃烧及膨胀作功创造条件。活塞从下止点向上运动，自进气阀关闭开始压缩，一直到活塞到达上止点为止。活塞上行，气缸容积减少，缸内气体压力和温度随之升高，到达压缩终点时，压力增高到 3～6MPa，温度升至 600～700℃（柴油的自燃温度为270℃左右），通常压缩终点的气体压力和温度分别用Pc和tc表示。
    四冲程机压缩过程所占的总角度约为140～160°CA。

图1-3  四冲程柴油机工作原理
    第三冲程──燃烧和膨胀冲程
    这一冲程的任务是完成两次能量转换。在活塞到达上止点前，燃油经喷油器以雾状喷入气缸的高温高压空气中，并与其混合，在上止点附近自燃，由于燃油强烈燃烧，使气缸内气体温度迅速上升到1400～1800℃或更高些，压力增加至5～8MPa，甚至13MPa以上。燃烧产生的最高压力称最高爆发压力，用pz表示，最高温度tz表示。高温高压燃气（即工质）膨胀推动活塞下行作功。在上止点后的某一时刻燃烧基本结束，燃气继续膨胀，到排气阀下止点前开启时膨胀过程结束。膨胀终了时气缸内气体压力pb约为0.25～0.45MPa，温度tb约为600～700℃。
    四冲程机燃烧膨胀过程所占的总角度约为130～160°CA。
    第四冲程──排气冲程
    这一冲程的任务是将作功后的废气排出气缸外，为下一循环新鲜空气的进入提供条件。这一阶段，要求废气排得越干净越好，所以与进气阀启闭一样，排气阀也是提前开启，延迟关闭。排气阀开启时，活塞尚在下行，废气靠气缸内外压力差进行自由排气。从排气阀开启到下止点的曲柄转角叫做排气提前角。当活塞从下止点上行时，废气被活塞推出气缸，此时排气过程是在略高于大气压力（约1.05～1.1大气压），且在压力基本不变的情况下进行的。排气阀一直延迟到活塞到达上止点之后才关闭，这样可利用气流的惯性作用，继续排出一些废气。上止点到排气阀关闭位置的曲柄转角叫做排气延迟角。
    四冲程机排气冲程所占的总角度约为210～240°CA。
二、四冲程柴油机的定时（教材图1-4）
    以上、下止点为基准，用曲柄转角表示的进排气阀、喷油器、起动阀开启和完全关闭的时刻总称为柴油机的定时（正时）。各种柴油机的定时是不同的，说明书上常用表格或定时图来表示。
气阀启闭时刻称为配气定时，喷油器开启时刻称为喷油定时。起动阀启闭时刻称为起动定时。

图l-4  6350C型柴油机定时图
    由图可以看出，在进气上止点前后进排气阀同时开启着，这段重叠的曲柄转角称为气阀重叠角。适当的气阀重叠角不仅不会使废气倒灌入进气管，而且还有利于废气的清除和新空气的充入。因为此时废气因流动惯性按原方向继续排出气缸，进气阀开度尚小，故不会向进气管内倒灌，且在惯性排气时，在燃烧室内形成低压，造成抽吸气体的有利条件，可将新气吸入气缸。新鲜气充入后又可更好地将废气扫出，实行了所谓“燃烧室扫气”。新鲜的空气对燃烧室壁面能起到冷却作用。
三、二冲程柴油机的工作原理（教材图1-5）
    二冲程柴油机与四冲程柴油机基本结构相同，主要差异在配气机构方面。二冲程柴油机没有进气阀，有的连排气阀也没有，而是在气缸下部开设扫气口、排气口；或设扫气口与排气阀机构。并专门设置一个由运动件带动的扫气泵，及贮存压力空气的扫气箱，利用活塞与气口的配合完成配气，从而简化了柴油机结构。
    第一冲程──扫气及压缩
    活塞由下止点向上移动，活塞在遮住扫气口之前，由扫气泵供给储存在扫气箱内的空气，通过扫气口进入气缸，气缸中的残存废气被进入气缸的空气通过排气口f扫出气缸。活塞继续上行，逐渐遮住扫气口，当扫气口完全关闭后，空气停止充入，排气还在进行，这阶段称为“过后排气阶段”。排气口关闭时，气缸中的空气就开始被压缩。当压缩至上止点前时，喷油器将燃油喷入气缸，与高温高压的空气相混合，随即在上止点附近发火，自行着火燃烧。

图l-5  二冲程柴油机工作原理示意图
    第二冲程──燃烧膨胀及排气
    活塞在高温高压燃气的推动下，由上止点向下运动，对外膨胀作功，活塞下行直至排气口f打开，膨胀作功结束，气缸内大量废气靠自身压力从排气口排入到排气管。当气缸内的压力降至接近扫气压力时（一般扫气箱中的扫气压力为0.105～0.140MPa），下行活塞把扫气口打开，扫气空气进入气缸，同时把气缸内的废气经排气口f赶出气缸。活塞运行到下止点，本冲程结束，但扫气过程一直继续到下一个冲程排气口关闭为止。
四、二冲程柴油机与四冲程柴油机的比较
二冲程柴油机与四冲程柴油机相比具有如下优点：
    （1）提高了柴油机的作功能力
对于两台气缸直径、活塞行程及转速等相同的柴油机，二冲程柴油机的功率似乎应比四冲程大一倍。但实际上，由于二冲程柴油机气缸上开有气口而使工作容积有所减少，机械传动的扫气泵也要消耗一定的功率等因素，二冲程柴油机的功率只能增大60～80％。显然，若两者功率相同，则二冲程柴油机的尺寸较小，重量较轻。
    （2）改善了柴油机的动力性
    由于二冲程柴油机曲轴每转360°各缸作功一次，而四冲程柴油机每转720°各缸作功一次，因而二冲程柴油机要比四冲程柴油机回转均匀，可使用较小的飞轮。
    （3）简化了柴油机的结构
    省去了进气阀及其传动装置。对有些二冲程柴油机，还省去了排气阀及其传动装置。所以，其维护保养就简单方便得多。
    二冲程柴油机虽然有以上优点，但它也有其本身固有的缺点：
    （1）换气质量差、热效率低
    因为二冲程柴油机换气时间比四冲程柴油机短得多，且扫、排气几乎同时进行，所以扫气过程中新鲜空气与废气渗混严重，还有部分新鲜空气随废气一起排出，增加了空气消耗量，所以换气质量差，进而影响燃油燃烧，热能利用不充分，热效率比四冲程柴油机低。
    （2）热负荷较高
    在转速相同时，二冲程机气缸内每单位时间的燃烧次数是四冲程机的两倍，因此，二冲程机与气缸内高温燃气相接触部件热负荷比较高。
二冲程柴油机的上述缺点，随转速的增加，会变得更加严重。所以，大型低速柴油机采用二冲程；小型高速柴油机采用四冲程；中型中速机，四冲程、二冲程均有采用，但以四冲程机为主。   
二冲程柴油机与四冲程柴油机比较，除有以上优缺点外，综合而言尚有以下特点：
    （1）二冲程柴油机凸轮轴转速与曲轴转速相同；而四冲程柴油机凸轮轴转速是曲轴转速的一半，即1∶2。
    （2）一个工作循环中，二冲程柴油机下行对外作功，上行则靠外力驱动，而四冲程机除燃烧膨胀冲程对外作功外，其它三个冲程都是耗功冲程。
    （3）二冲程柴油机进排气重叠角大约为80～100°CA，四冲程柴油机的气阀重叠角较小，约为25～60°CA。
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