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柴油機的工作原理
閱讀：1693 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(shè)掃氣口及排氣口；
或設(shè)掃氣口與排氣閥機構(gòu)。并專門設(shè)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(shè)在柴油機的一側(cè)，它的
轉(zhuǎn)子由柴油機帶動?？諝鈴谋玫奈胛?，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。現(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。活塞在燃氣的推動下，由上止點
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(dāng)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?；钊^續(xù)上行，逐漸遮住掃氣口，當(dāng)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(dāng)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(dāng)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)。活塞走四個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(wù)是使氣缸內(nèi)充滿新鮮空氣。當(dāng)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(dāng)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(biāo)表示氣體壓力P，橫坐標(biāo)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(dāng)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(zhǔn)備：二是為氣體膨脹作功創(chuàng)造條件。當(dāng)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(xué)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(zhǔn)備。當(dāng)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(dāng)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(fù)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(zhǔn)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)。