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柴油機的工作原理
閱讀：1749 發(fā)布時間：2012-3-5
1,、二沖程柴油機的工作原理
通過活塞的兩個沖程完成一個工作循環(huán)的柴油機稱為二沖程柴油機,，油機完成一個工作循環(huán)曲軸只轉(zhuǎn)一圈，與四沖程柴油機相比,，它提高了作功能力,，在具體結(jié)構(gòu)及工作原理方面也存在較大差異。
二沖程柴油機與四沖程柴油機基本結(jié)構(gòu)相同,，主要差異在配氣機構(gòu)方面,。二沖
程柴油機沒有進氣閥,，有的連排氣閥也沒有，而是在氣缸下部開設掃氣口及排氣口,；
或設掃氣口與排氣閥機構(gòu),。并專門設置一個由運動件帶動的掃氣泵及貯存壓力空氣
的掃氣箱，利用活塞與氣口的配合完成配氣,，從而簡化了柴油機結(jié)構(gòu),。
圖是二沖程柴油機工作原理圖。掃氣泵附設在柴油機的一側(cè),，它的
轉(zhuǎn)子由柴油機帶動,。空氣從泵的吸入吸入,，經(jīng)壓縮后排出,，儲存在具有較大容積的
掃氣箱中，并在其中保持一定的壓力?，F(xiàn)以圖說明二沖程柴油機的工作
原理,。
燃燒膨脹及排氣沖程：
燃油在燃燒室內(nèi)著火燃燒，生成高溫高壓燃氣,?；钊谌細獾耐苿酉拢缮现裹c
向下運動,，對外作功,。活塞下行直至排氣口打開（此時曲柄在點位置,，此時燃氣
膨脹作功結(jié)束，氣缸內(nèi)大量廢氣靠自身高壓自由排氣,，從排氣口排人到排氣管,。
當氣缸內(nèi)壓力降至接近掃氣壓力時（一般掃氣箱中的掃氣壓力為0
12，下行活塞把掃氣口3打開（此時曲柄在點4的位置,，掃氣空氣進入氣缸,，
同時把氣缸內(nèi)的廢氣經(jīng)排氣口趕出氣缸?；钊\行到下止點,，本沖程結(jié)束，但掃氣
過程一直持續(xù)到下一個沖程排氣口關(guān)閉（此時曲柄在點位置為止,。
·4· 342 第三篇船舶柴油機檢修圖二沖程柴油機工作原理示意圖
掃氣及壓縮沖程：
活塞由下止點向上移動,，活塞在遮住掃氣口之前，由掃氣泵供給儲存在掃氣箱
內(nèi)的空氣,，通過掃氣口進入氣缸,，氣缸中的殘存廢氣被進入氣缸的空氣通過排氣口
掃出氣缸,。活塞繼續(xù)上行,，逐漸遮住掃氣口,，當掃氣口*關(guān)閉后（此時曲柄在點
位置，空氣停止充人,，排氣還在進行,，這階段稱為“過后排氣階段”。排氣口關(guān)閉時
（此時曲柄在點位置,，氣缸中的空氣就開始被壓縮,。當壓縮至上止點前點時，
噴油器將燃油噴人氣缸,，與高溫高壓的空氣相混合,，隨即在上止點附近發(fā)火，自行著
火燃燒,。本沖程結(jié)束,，并與前一沖程形成一個完整的工作循環(huán)。
二沖程柴油機示功圖見圖,，其中,，為噴油始點，為活塞上止點,，為
燃燒終點,。
二沖程柴油機與四沖程柴油機相比具有一些明顯優(yōu)點，當然也存在本身固有的
缺點,。
2,、四沖程柴油機的工作原理
柴油機的工作是由進氣、壓縮,、燃燒膨脹和排氣這四個過程來完成的,，這四個過程構(gòu)成了一個工作循環(huán)?；钊咚膫€過程才能完成一個工作循環(huán)的柴油機稱為四沖程柴油機?，F(xiàn)對照上面的動畫了說明它的工作理原。
一. 進氣沖程
*沖程——進氣,，它的任務是使氣缸內(nèi)充滿新鮮空氣,。當進氣沖程開始時，活塞位于上止點,，氣缸內(nèi)的燃燒室中還留有一些廢氣,。
當曲軸旋轉(zhuǎn)肘，連桿使活塞由上止點向下止點移動,，同時,，利用與曲軸相聯(lián)的傳動機構(gòu)使進氣閥打開,。
隨著活塞的向下運動，氣缸內(nèi)活塞上面的容積逐漸增大：造成氣缸內(nèi)的空氣壓力低于進氣管內(nèi)的壓力,，因此外面空氣就不斷地充入氣缸,。
進氣過程中氣缸內(nèi)氣體壓力隨著氣缸的容積變化的情況如動畫所示。圖中縱坐標表示氣體壓力P,，橫坐標表示氣缸容積Vh（或活塞的沖S）,，這個圖形稱為示功圖。圖中的壓力曲線表示柴油機工作時,，氣缸內(nèi)氣體壓力的變化規(guī)律,。從土中我們可以看出進氣開始，由于存在殘余廢氣,，所以稍高于大氣壓力P0,。在進氣過程中由于空氣通過進氣管和進氣閥時產(chǎn)生流動阻力，所以進氣沖程的氣體壓力低于大氣壓力,，其值為0.085～0.095MPa,，在整個進氣過程中，氣缸內(nèi)氣體壓力大致保持不變,。
當活塞向下運動接近下止點時,，沖進氣缸的氣流仍具有很高的速度，慣性很大,，為了利用氣流的慣性來提高充氣量,，進氣閥在活塞過了下止點以后才關(guān)閉。雖然此時活塞上行,，但由于氣流的慣性,，氣體仍能充人氣缸。
二. 壓縮沖程
第二沖程——壓縮,。壓縮時活塞從下止點間上止點運動,，這個沖程的功用有二，一是提高空氣的溫度,，為燃料自行發(fā)火作準備：二是為氣體膨脹作功創(chuàng)造條件。當活塞上行,，進氣閥關(guān)閉以后,，氣缸內(nèi)的空氣受到壓縮，隨著容積的不斷細小,，空氣的壓力和溫度也就不斷升高,，壓縮終點的壓力和濕度與空氣的壓縮程度有關(guān)，即與壓縮比有關(guān),，一般壓縮終點的壓力和溫度為：Pc＝4～8MPa,Tc＝750～950K,。
柴油的自燃溫度約為543—563K,，壓縮終點的溫度要比柴油自燃的溫度高很多，足以保證噴入氣缸的燃油自行發(fā)火燃燒,。
噴入氣缸的柴油,，并不是立即發(fā)火的，而且經(jīng)過物理化學變化之后才發(fā)火,，這段時間大約有0.001～0.005秒,，稱為發(fā)火延遲期。因此,，要在曲柄轉(zhuǎn)至上止點前10～35°曲柄轉(zhuǎn)角時開始將霧化的燃料噴入氣缸,，并使曲柄在上止點后5～10°時，在燃燒室內(nèi)達到zui高燃燒壓力,，迫使活塞向下運動,。
三. 燃燒膨脹沖程
第三沖程——燃燒膨脹。在這個沖程開始時,，大部分噴入燃燒室內(nèi)的燃料都燃燒了,。燃燒時放出大量的熱量，因此氣體的壓力和溫度便急劇升高,，活塞在高溫高壓氣體作用下向下運動,，并通過連稈使曲軸轉(zhuǎn)動，對外作功,。所以這一沖程又叫作功或工作沖程,。
隨著活塞的下行，氣缸的容積增大,，氣體的壓力下降,，工作沖程在活塞行至下止點，排氣閥打開時結(jié)束,。
在動畫中,，工作沖程的壓力變化這條線上升部分表示燃料在氣缸內(nèi)燃燒時壓力的急劇升高，zui高點表示zui高燃燒壓力Pz,，此點的壓力和溫度為：
Pz＝6～15MPa,， Tz＝1800～2200K
zui高燃燒壓力與壓縮終點壓力之比（Pz／Pc），稱為燃燒時的壓力升高比,，用λ表示,。根據(jù)柴油機類型的不同，在zui大功牢時λ值的范圍如下：λ＝Pz／Pc＝1.2～2.5,。
四. 排氣沖程
第四沖程——排氣,。排氣沖程的功用是把膨脹后的廢氣排出去，以便充填新鮮空氣,，為下一個循環(huán)的進氣作準備,。當工作沖程活塞運動到下止點附近時,，排氣閥開起，活塞在曲軸和連桿的帶動下,，由下止點向上止點運動,，并把廢氣排出氣缸外。由于排氣系統(tǒng)存在著阻力,，所以在排氣沖程開始時,，氣缸內(nèi)的氣體壓力加比大氣壓力高0.025—0.035MPa，其溫度Tb＝1000～1200K,。為了減少排氣時活塞運動的阻力,，排氣閥在下止點前就打開了。排氣閥一打開,，具有一定壓力的氣體就立即沖出缸外,，缸內(nèi)壓力迅速下降，這樣當活塞向上運動時,，氣缸內(nèi)的廢氣依靠活塞上行排出去,。為了利用排氣時的氣流慣性使廢氣排出得干凈，排氣閥在上止點以后才關(guān)閉,。
在動畫中,，排氣沖程曲線表示在排氣過程中，缸內(nèi)的氣體壓力幾乎是不變的,，但比大氣壓力稍高一些,。排氣沖程終點的壓力Pr約為0.105～0.115MPa,殘余廢氣的溫度Pr約為850～960K。
由于進,、排氣閥都是早開晚關(guān)的,；所以在排氣沖程之末和進氣沖程之初，活塞處于上止點附近時,，有一段時間進,、排氣閥同時開起，這段時間用曲軸轉(zhuǎn)角來表示,，稱為氣閥重迭角,。
排氣沖程結(jié)束之后，又開始了進氣沖程,，于是整個工作循環(huán)就依照上述過程重復進行,。由于這種柴油機的工作循環(huán)由四個活塞沖程即曲軸旋轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)完成的，故稱四沖程柴油機,。
在四沖程柴油機的四個沖程中,，只有第三沖程即工作沖強才產(chǎn)生動力對外作功,，而其余三個沖程都是消耗功的準備過程,。為此在單缸柴油機上必須安裝飛輪,，利用飛輪的轉(zhuǎn)動慣性，使曲軸在四個沖程中連續(xù)而均勻地運轉(zhuǎn),。