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传统柴油发动机的工作原理简述 |
摘要：柴油机是以柴油作燃料的压燃式柴油机。工作时，气缸内的空气被压缩而温度升高，定时喷入气缸的柴油自行着火燃烧，产生高温、高压的燃气膨胀推动活塞做功，将热能转变为机械功。柴油机的工作循环由进气、压缩、喷油着火燃烧、膨胀做功和排气等过程组成。这些过程可以由四冲程或二冲程柴油机来实现。
一、内燃机热力循环原理
热力学循环是热力学的重要概念，它描述了能量在系统中的传递和转化过程。内部燃烧示例如图1所示。
1、内燃机理论循环的三种基本形式
（1）定容加热循环0tto，见图2a。
（2）定压加热循环Diesel，见图2b。
（3）混合加热循环Sabathe，见图2c。
2、理论循环热效率ηt的影响因素
（1）压缩比：ε =Va/Vc
（2）压力升高比：λ=Pz/Pc
（3）初期膨胀比：ρ=Vz/Vc
（4）工质绝热指数：k
热效率随压缩比ε、压力升高比λ、工质绝热指数k的增加而提高，随初期膨胀比ρ的增加而降低。混合加热循环继续膨胀示意图如图3所示。
3、理论循环平均压力Pt的影响因素
（1）Pa压缩始点压力；
（2）ql单位工质吸入热量；
（3）Ta压缩始点温度；
（4）ηt=1-(λρk-1)/εk-1[λ-1+kλ(ρ-1)]。
平均压力随压缩始点压力、单位工质吸入热量、及热效率的提高和压缩始点温度的降低而增加。
4、三种理论循环热效率比较
（1）如图4（a）所示。若最高爆发压力和吸热量相同，则定压加热循环热效率最高，混合次之。
（2）如图4（b）所示。若压缩比和吸热量相同，则定容加热循环热效率最高，混合次之。
内燃机的应用基于热力学原理，通过燃烧燃料产生高温高压气体，从而将燃料的化学能转化为机械能。了解内燃机的热力学原理，有助于我们更好地理解其工作原理和性能特点。
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图1 柴油机内部热力循环工作原理图 |
图2 柴油机理论循环示意图 |
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图3 柴油机混合加热循环继续膨胀 |
图4 柴油机三种理论循环的热效率 |
二、柴油机的基本工作原理
用4个行程，曲轴回转两周完成一个工作循环。四冲程柴油机的基本结构如图5所示。工作时活塞作往复直线运动，曲轴做旋转运动。活塞改变运动方向的瞬时位置称止点（死点），止点处的活塞瞬时运动速度为零。离曲轴中心最远的止点称上止点，最近的止点称下止点。四冲程柴油机的工作原理如图6所示，图中分别表示4个行程中活塞、连杆、曲轴及气阀的相对位置。
1、进气行程
活塞从上止点下行，进气阀打开。因活塞下行的抽吸作用，气缸内充入新鲜空气。为了能充入更多新鲜空气，进气阀一般在上止点前提前开启，在下止点后延迟关闭，进气阀开启的延续角度约为220°～250°，如图2a所示。
2、压缩行程
活塞从下止点上行，进、排气阀均关闭。活塞上行压缩缸内的空气，使其压力和温度均不断升高。压缩终点的压力约为3～6MPa；温度约为500～700℃。在上止点（压缩终点）附近，雾化的燃油经喷油器喷入燃烧室，并在高温高压空气的作用下，开始自行着火燃烧，如图2b所示。
3、做功行程
活塞由上止点向下运动，进、排气阀均关闭。在此行程的初期，大量的混合气燃烧，缸内的压力和温度都急剧升高，其最大值分别可达6～9MPa和1500～2000℃左右。高温高压气体推动活塞下行做功，在上止点后某一时刻，燃烧结束，膨胀做功仍在进行。当活塞到达下止点前某一时刻，排气阀开启，做功过程结束。此时，气缸内的压力约为0.2～0.5MPa，温度约为600～700℃。活塞则继续向下止点下行，如图2c所示。
4、排气行程
曲轴带动活塞由下止点向上运动，排气阀继续开启状态，气缸内的废气被上行的活塞强行推出缸外。为了实现充分排气和减少排气过程中所消耗的功，不但在下止点前提前开启排气阀，而且要在排气行程结束的上止点后才关闭。排气阀开启的延续角度约为230°～260°如图2d所示。
四冲程柴油机完成一个工作循环要经历进气、压缩、做功、排气等4个行程；一个工作循环曲轴回转两转，即曲轴转角720°。其中只有一个行程做功，其余3个行程都要消耗功。因此，在单缸柴油机必须有一个足够大的飞轮来供给这3个行程所需的能量；而对于多缸柴油机，则借助于其他气缸膨胀做功过程来供给。
柴油机必须借助外部能量的驱动使其启动运转，实现停车状态进入工作状态，直至喷入气缸的燃油自发火燃烧，实现柴油机自行运转。
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图5 柴油机气缸运动示意图 1-排气门 2-进气门 3-气缸盖 4-气缸5-活塞 6-活塞销 7-连杆 |
图6 四冲程柴油机工作原理 |
三、二冲程柴油机的基本工作原理
二冲程柴油机用两个行程，曲轴回转一周完成一个工作循环的柴油机。二冲程柴油机与四冲程柴油机的不同是在于气缸上设有气口，如图7所示气缸右侧为排气口，左侧为进气口。进气口比排气口略低，由活塞控制气口的开与关。此外，二冲程柴油机设有扫气泵。压缩的空气被扫气泵预先送入扫气箱中，扫气箱中的空气压力（扫气压力）要比大气压力稍高。
1、 换气一压缩行程
活塞由下止点向上运动。在活塞接近进气口之前，气缸中继续充入新鲜空气并通过排气口将气缸内的废气赶出。当进气口完全被活塞遮蔽时（点1），新鲜空气不再进入气缸内。当排气口被活塞遮蔽后（点2），活塞对气缸内的空气进行压缩，产生高压和高温气体。在活塞到达上止点前的某一时刻（点2＇），柴油被喷油器喷入气缸，并与高温高压空气混合后着火燃烧。
在这一行程中，完成了换气（曲线0-1-2）、压缩（曲线2-3）和喷油着火燃烧各过程。
2、膨胀做功一换气行程
活塞由上止点向下运动。混合气在此行程的初期仍在猛烈燃烧，到点4才基本结束。活塞因燃气膨胀的推动下行做功。排气口在活塞下行打开时（点5），由于此时缸内燃气的压力和温度仍较高，分别为0.25～0.6MPa和600～800℃，在气缸内外的压差作用下气缸内燃气从排气口高速排出，缸内压力随之降低。当缸内下降的压力接近扫气压力时，下行的活塞打开进气口，新鲜空气通过进气口进入气缸，并对气缸内进行扫气，将缸内的废气排出排气口。这个过程称为扫气过程，一直要延续到下一个循环活塞再次上行将进气口关闭时为止。工作过程如图8所示。
在这一行程中，完成了燃烧与膨胀（曲线3-4-5）、排气（曲线5-6）和部分扫气（曲线6-0）过程。
由此可见，相比四冲程柴油机，二冲程柴油机是将进气和排气过程合并到压缩与膨胀行程中进行，有两个行程被省略。因此，二冲程柴油机完成一个工作循环曲轴回转一周。在活塞行程、气缸直径与转速相同的条件下，二冲程柴油机的功率似乎应为四冲程柴油机的2倍；但实际上，由于二冲程柴油机的气口使其有效行程减少等原因，其功率约为四冲程柴油机的1.6～1.8倍。
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图7 二冲程柴油机工作原理 |
图8 柴油机做功示意图 |
总结：
总结起来，柴油机的工作原理包括进气过程、压缩过程、做功过程和排气过程。通过柴油机各个系统的协同作用，柴油机能够高效、可靠地产生动力。柴油机在现代交通和工业领域中扮演着重要的角色，不断的技术创新和改进将进一步提高其性能和可靠性。
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