柴油发动机的工作原理简介

柴油发动机工作原理将一种能量转变为机械能的机器，叫做发动机。各种发动机按照能源不同， 可分为：风力发动机（简称风力机） ；水力发动机（简称水力机） ；热力发动机 （简称热机）等。把燃料燃烧所产生的热能转化为机械能的发动机统称做热机， 如蒸汽机、柴油机等。根据燃料进行燃烧过程所处的地点不同，热机可分为外 燃机和内燃机两大类。 燃料在发动机外部进行燃烧的热机，叫做外燃机。如 蒸汽机（往复式） 、汽轮机（回转式）等。 燃料直接在发动机内部进行燃烧的 热机叫做内燃机。如柴油机、汽油机、天然气机等。 内燃机就是利用燃料燃烧后产生的热能来做功的。柴油发动机是一种内燃 机，它是柴油在发动机汽缸内燃烧，产生高温高压气体，经过活塞连杆和和曲 轴机构转化为机械动力。 一、活塞式内燃机工作原理 把柱塞装在一个一端封闭的圆筒内，柱塞顶面与圆筒内壁构成一个封闭空 间，如果用一个推杆将柱塞和一个轮子连接起来，则柱塞移动时，便通过推杆 推动轮子旋转，从而把空气所得到的热能转化为推动轮子旋转的机械能。 内 燃机的工作过程，就是按照一定的规律，不断地将燃料和空气送入气缸，并在 气缸内着火燃烧，放出热能。燃气在吸收热能后产生高温高压，推动着活塞作 功，将热能转化为机械能。 它是由一个独立的发动机所构成。工作时燃料和空 气直接送到发动机的气缸内部进行燃烧，放出热能，形成高温、高压的燃气， 推动活塞移动。然后通过曲柄连杆机构对外输出机械能。 1.气缸体 2.喷油器 3. 进气门 4.排气门 5.活塞 6.连杆 7.曲轴 二、内燃机的机械传动机构 在往复式内燃机中，曲柄连杆机构的作用是将活塞的往复直线运动变成曲 轴的旋转运动，以实现热能和机械能的相互转变。 它是由活塞 1、连杆 3 和曲 轴 4 等构成。 活塞只能沿气缸直线往复运动。曲轴是由两个中心线在一直线上 的轴所构成。其中一个轴安置在机体中心孔内，称做主轴。主轴只能在机体座 孔内绕本身中心线转动。另一轴通过曲柄与主轴连接在一起，称做连杆轴。它 绕着主轴进行旋转。连杆为两端带有孔的一直杆，一端与活塞相连；另一端与 连杆轴相连，它随着活塞移动和曲轴旋转而进行摆动。 当活塞往复运动时， 通过连杆推动曲轴绕主轴中心产生旋转运动。活塞移动与曲轴转动是相互牵连 在一起的。因此，活塞移动位置与曲轴转动位置是相对应的。 三、单缸四冲程柴油机工作原理 活塞连续运行四个冲程（即曲轴旋转两周）的过程中，完成一个工作循环 （进气压缩燃烧膨胀排气）的柴油机，叫做四冲程柴油机。 为了更清楚地表示出气缸内气体压力随容积的变化情况，图 1-6-5 绘出了单缸 四冲程柴油机的示功图。图中横座标表示气缸容积，从座标表示气缸的绝对压 力。图中的水平虚线，表示绝对压力为大气压（亦即 1 公斤/厘米 2） 。Vc、Vh 分别表示燃烧室容积与气缸工作容积。 下面对照单缸四冲程柴油机工作过程示 意图和示功图，来说明它的工作过程 9 指非增压柴油机） 。 第一冲程进气过程活塞从上死点移动到下死点。这时进气门打开，排 气门关闭。 进气过程开始时，活塞位于死点位置。气缸内（燃烧室）残留着上 次循环未排净的残余废气（图中以小十字符号表示） 。它的压力稍高于大气压力， 约为 1.11.2 公斤/厘米。 当曲轴旋转时，通过连杆带动活塞向下移动，同时进气门打开。随着活塞下移，气缸内部容积增大，压力随之减小，当压力低于大 气压力时，外部新鲜空气开始被吸入气缸。直到活塞移动到死点位置，气缸内 充满了新鲜空气。 在新鲜空气进入气缸的过程中，由于受空气滤清器、进气 管、进气门等阻力的影响，使进气终了时气缸内的气体压力略低于大气压，约 为 0.80.9 公斤/厘米 2，又因空气从高温的残余废气和燃烧室壁吸收热量，故 温度可达 3550。 应当指出，实际柴油机进气门都是在活塞位于死点前提前 打开，并且延迟到下死点后才关闭。原因是：若进气过程开始活塞下移时，进 气门刚开始打开而不能立即开足，便造成气缸内产生部分真空，使活塞下行时 产生较大的阻力。因此进气门要提前在上死点前便打开，则活塞开始由上死点 下行时，进气门已开到最大位置，保证空气顺利进入气缸，从而减小活塞的下 行阻力。进气过程中，空气沿进气管被吸入气缸时，气流产生惯性作用，若使 气门推迟到下死点后关闭，虽然活塞已开始上行，仍可以充分利用气流的流动 惯性，使一部分新鲜空气进入气缸，以保证吸入更多的空气。由于进气门早开 迟关，所以实际柴油机的进气过程都大于 180°曲轴转角，一般为220°240°。 第二冲程压缩过程活塞由下死点移动到上死点，在这期间，进、排气 门全部关闭。 压缩过程开始时，活塞位于下死点。曲轴在飞轮惯性作用下带动旋转，通 过连杆推动活塞向上移动。气缸内容积逐渐减小，新鲜空气被压缩，压力和温 度随着升高。 为了实现高温气体引燃柴油的目的，柴油机都具有较大的压缩比， 使压缩终了时，气缸内气体温度比柴油的自燃温度高出 200300，即 500750（柴油的自燃温度约为 200300） ，而压力约炒 3050 公斤/厘米 2。 为了充分利用燃料燃烧所产生的热能，要求燃烧过程能够在活塞移动到上 死点略后位置迅速完成，以使燃烧后的气体充分膨胀多做功，使柴油机效率提 高。但是，由于燃料喷入气缸内时，必须经过一定的着火准备阶段，才能实现 燃烧（详见本书第六章第二节） 。因此，实际柴油机工作中，在压缩冲程结束前 （约在上死点前 10°35°） ，开始将燃料喷入气缸内。在示功图上，m 点表 示喷油开始时间。第三冲程燃烧膨胀过程活塞又从上死点移动到下死点。此时，进、排 气门仍然都关闭着。喷入气缸内的燃料在高温空气中着火燃烧，产生大量热能， 使气缸内的温度、压力急剧升高。高温、高压气体推动活塞向下移动，通过连 杆，带动曲轴转动。因为只有这一行程才实现热能转化为机械能，因此，通常 把该行程叫做工作行程。 在燃烧与膨胀过程中，气缸内气体的最高温度可达 17002000，最高压力为 6090 公斤/厘米 2。随着活塞被推动着下移，气缸 容积逐渐增大，气体随之逐渐减小数点。示功图的 czb 线表示出这一过程 中气缸容积与压力变化的情况。在这一曲线上，几乎垂直的 cz 线段，表示出 燃料急剧燃烧时压力的升高程度。z 点表示燃烧压力 Pz（又称做最大爆发压力） 。第四冲程排气过程活塞又从下死点移动到上死点。 此时，排气门打开，进气门关闭。 排气过程开始时，活塞位于下死点，气 缸内充满着燃料并膨胀作功的废气。排气门打开后，废气随着活塞上移，被排 出气缸之外。 燃烧膨胀终了时，气缸内的气体还具有较大的压力，如果排气门 在下死点位置时才打开，而不能瞬时间开足便影响废气及时的排出，气缸内的压力也不能迅速降低，使活塞向上运动受到很大的阻力，消耗较多的能量。因 此，在实际柴油机工作中，排气门都在活塞移动到下死点前提前打开（一般在 下死点前 40°60°） 。这样可使废气在较大的压差下，自行流出气缸，使气 缸内的压力迅速下降。大大减小活塞上移的阻力，降低排气过程的消耗功。 当 活塞上移到上死点时，排气门并不马上关闭，而要推迟到进气过程开始后。如 前所述，因为进气门提前在排气过程结束前打开，这样便形成进、排气门同时 开启的一段重合时间。在某种情况下（例如增压） ，还可以利用新鲜空气将残存 在气缸内的废气排出去，使气缸内充填更多的新鲜空气。 曲轴依靠尽轮转动的 惯性作用继续旋转，上述各过程又重复进行。如此周期循环地工作，实现柴油 机连续不断地运转。第四冲程排气过程活塞又从下死点移动到上死点。此时，排气门打开， 进气门关闭。 排气过程开始时，活塞位于下死点，气缸内充满着燃料并膨胀作功的废气。排 气门打开后，废气随着活塞上移，被排出气缸之外。 燃烧膨胀终了时，气缸内的气体还具有较大的压力，如果排气门在下死点位置 时才打开，而不能瞬时间开足便影响废气及时的排出，气缸内的压力也不能迅 速降低，使活塞向上运动受到很大的阻力，消耗较多的能量。因此，在实际柴 油机工作中，排气门都在活塞移动到下死点前提前打开（一般在下死点前40°60°） 。这样可使废气在较大的压差下，自行流出气缸，使气缸内的压力迅速下降。大大减小活塞上移的阻力，降低排气过程的消耗功。 当活塞上移到 上死点时，排气门并不马上关闭，而要推迟到进气过程开始后。如前所述，因 为进气门提前在排气过程结束前打开，这样便形成进、排气门同时开启的一段 重合时间。在某种情况下（例如增压） ，还可以利用新鲜空气将残存在气缸内的 废气排出去，使气缸内充填更多的新鲜空气。 曲轴依靠尽轮转动的惯性作用继 续旋转，上述各过程又重复进行。如此周期循环地工作，实现柴油机连续不断 地运转。 四冲程汽油机的工作过程，与四冲程柴油机的工作过程是一样的。汽 油机与柴油机的主要区别在于： 四、柴油机发动机的结构 柴油机由机体、曲轴连杆机构、配气机构、燃油系统、润滑系统、冷却系 统、启动系统等组成。 1、机体组件：包括机体（气缸曲轴盖） 、气缸套、气缸盖和油底壳等。这 些零件构成了柴油机骨架，所有运动件和辅助系统都支承在它上面。 2、曲轴连杆机构：气缸内燃烧气体的压力推动曲轴连杆机构，并将活塞的 直线运动变为曲轴的旋转动力。主要部件有：气缸曲轴箱、气缸盖、活塞、连 杆、曲轴、飞轮等 3、配气机构：适时向气缸内提供新鲜空气，并适时的排出气缸中燃料燃烧 后的废气。它由进气门、排气门、凸轮轴及其传动零件组成。 4、燃油系统：燃料供给系统是按照内燃机工作是所要求的时间，供给气缸 适量的燃料。它由燃油箱、燃油滤清器、油泵、喷油器等组成。 5、润滑系统：润滑系统是向柴油机各运动机件的摩擦表面，不断提供适量 的润滑油。它由机油泵、机油滤清器、机油散热 器等组成。 6、冷却系统：适当冷却在高温下工作的机件，使柴油机保持正常的工作温度。它由水泵、散热器、水套、节温器、风扇等组成。 7、启动系统：以外力转动内燃机曲轴，使内燃机由静止状态转入工作状态 的装置。由蓄电池、启动马达等组成。