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柴油机原理包括进气、压缩、做功和排气四大过程 |
摘要：以四冲程柴油机为例，对柴油机的工作原理进行介绍。柴油发动机工作行程分别称为进气过程、压缩过程、燃烧和膨胀过程、排气过程。本文从柴油发动机原理、使用和结构因素，全面分析工作过程中实际循环和理想循环存在的差别，并通过分析找到缩小这些差别的有效途径。本文重点是压缩和膨胀过程分析，难点是使用和结构因素是如何影响多变指数变化的变化对终态参数的影响。
一、柴油机工作原理和多变指数
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―燃烧和膨胀―排气）的柴油机。工作过程如图1所示。
1、进气过程（第一行程r-a）
活塞在曲轴的带动下，从上止点移动到下止点，此时进气门打开，排气门关闭。由于气缸内容积增大，气缸内压力低于大气压。因此，新鲜空气通过吸气门进入气缸。由于进气系统有阻力，空气进入气缸后的压力低于大气压。进气结束时气缸内的压力约为0.8~0.9个大气压，温度在40、70℃。此过程结束时，气缸内充其量越多，可以喷入的燃油量也越多，燃烧过程放出的能量就越多，柴油机发出的功率就越大。
（1）第一阶段示功图如图2所示。r点高于Po→残余废气压力Pr之故。
（2）活塞在废气压力（Pr）膨胀推动下作正功，此时并未进入缸内；只有当压力降到小于P0时，新鲜空气才真正被吸入缸中。
（3）由于有进气阻力，所以进气终了压力Pa<Po，此时活塞克服进气阻力（△Pa=P0-Pa）作负功。
（4）因缸内有热量存在，所以空气进入缸内后被加热。
2、压缩过程（第二行程a-c)
活塞从下止点移动到上止点，进、排气门都处于关闭状态，活塞将第一冲程吸入的空气压缩在燃烧室内，使空气的温度和压力升高。此过程结束时，气缸内空气温度约在500~700℃，压力为27~49个大气压。第二阶段示功图如图3所示。
（1）非绝热过程
前段为吸热（n1'＞k），后段为放热（n1’<k），只有在某一点（m点）才是n1’=k。它为多变指数（n1'＜k）在随时发生变化的多变过程。
（2）工质在数量和性质上有变化。
（3）多变过程终态参数。
Pc=Pα×εn1
Tc=Tα×εn1-1
① 增加压缩过程的目的：增大吸热与放热时的温差，获得最大的膨胀比，从而提高热效率。
② 为燃烧创造条件，特别是柴油机燃烧——压燃式。
③ 提高Pc和Tc的重要途径是增大压缩比。
④ n1也希望提高，它主要受到热交换及工质泄漏的影响：传热量大，Tc↓，意味n1↓;同样，泄漏量大，Pc↓，也意味n1↓。
⑤ 减少传热量，提高n1的措施有：提高发动机转速（传热和泄漏的时间减少）;负荷增加（水温高）、采用空冷；增大气缸直径（相对传热量和泄漏量将减少）。
⑥ 在进行热力计算时，其“多变指数”取平均多变指数进行计算（“平均多变指数”取得是否合理，其计算结果要与热力过程中的初、终态实际基本状态参数一致来决定）。
3、燃烧过程（第三行程c-z)
燃烧过程目的是将化学能转变为热能，使工质温度和压力提高。
由于前期喷出的燃油的燃烧，在接近容积不变的情况下发生，所以压力上升很快（即：为定容加热过程），如图4所示。此后，功率增长变缓。由于喷油是持续的个过程，气体温度将进一步提高，虽然活塞已开始下行，容积开始扩大，但因温度增高的缘故，气体压力接近不变（即：存在定压加热的过程）。
4、膨胀过程（第三行程z-b)
膨胀过程目的是利用高温、高压的工质推动活塞下行对外作功，实现热功转换。
（1）非绝热过程
如图5所示。前段继续吸热（补燃部分，n2’＜k），后段为放热（向水套放热，n2’＞k），只有在某一点才是n2’=k。它也为多变指数（n2’）在随时发生变化的多变过程。
（2）工质数量和性质变化
如：2H₂+O₂=2H₂O，另外，还有漏气损失。
（3）终态参数：
Pb=Pz/δn2
Tb=Tz/δn2-1
（4）在进行热力计算时，其“平均多变指数”取得合理与否，由计算结果与实际热力过程中的初、终态基本状态参数是否一致来决定。
① n₂的影响：
工质吸热时，n2影响因素有：转速增加、混合气质量不好，均会使补燃增加，工质在膨胀期吸热量的增加，导致Pb、Tb增大，不好；工质放热时，n2影响因素有：漏气增加、气缸直径减小（相对散热面积增加）、表面上虽然能使Pb、Tb降低，但热能却被水套中的水或空气带走，也不好。
② 要使Pb、Tb减小，提高ε、δ是最好途径。
5、排气过程（第四行程b-r)
活塞从下止点移动到上止点，此时进气门关闭，排气门打开。膨胀结束后，气缸内气体已失去做功的能力，称为废气。为了使新鲜空气重新进入气缸，需将废气排出。废气在活塞上行的排挤下，经过排气门到出缸外。排期结束时，气缸内的压力约为1.03~1.08个大气压，温度约为350~600℃。排气过程目的是将废气排出，以便更换新鲜工质。第四阶段示功图如图6所示。
① 排气有阻力（Pr>P0），要消耗机械功（活塞上受到的阻力=Pr-P0）。
② Pr大，表征残余废气多。
③ 容易通过测量Tr大小来判定燃烧好坏。
④ 排气温度和压力比较：
至此，活塞又回到上止点，四冲程柴油机完成一个工作循环，曲轴转动两圈。此外，实际情况下，柴油机的进、排气门动作的时间并非活塞移动到上、下止点，而是进气门在上止点前打开，下止点后关闭；排气门在下止点前打开，上止点后关闭。
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图1 柴油发动机工作原理图 |
图2 柴油发动机进气行程示功图 |
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图3 柴油发动机压缩行程示功图 |
图4 柴油发动机燃烧行程示功图 |
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图5 柴油发动机非绝热示功图 |
图6 柴油发动机排气行程示功图 |
二、柴油机基本结构
发动机是由曲柄连杆机构和配气机构两大机构，以及冷却、润滑、点火、燃料供给、启动系统等五大系统组成。主要部件有气缸体、气缸盖、活塞、活塞销、连杆、曲轴、飞轮等，如图7所示。往复活塞式内燃机的工作腔称作汽缸，汽缸内表面为圆柱形。
1、气缸
柴油机通常有多个气缸，每个气缸内都有活塞运动。气缸通常由铸铁或铝合金制成，具有耐高温、耐高压的特点。
2、曲轴连杆机构
在汽缸内作往复运动的活塞通过活塞销与连杆的一端铰接，连杆的另一端则与曲轴相连，曲轴由气缸体上的轴承支承，可在轴承内转动，构成曲柄连杆机构。活塞在汽缸内作往复运动时，连杆推动曲轴旋转。反之，曲轴转动时，连杆轴颈在曲轴箱内作圆周运动，并通过连杆带动活塞在气缸内上下移动。曲轴每转一周，活塞上、下各运行一次，汽缸的容积在不断的由小变大，再由大变小，如此循环不已。模型结构如图8所示。
3、润滑系统
柴油机的润滑系统主要包括油底壳、曲轴箱、曲轴、连杆、活塞、气缸等部分。润滑系统通过提供润滑油，减少零部件之间的摩擦，降低磨损。同时，还能冷却发动机，清除异物和有害残留物。
4、燃油系统
柴油机的燃油系统主要由燃油箱、滤清器、燃油泵、喷油器等组成。燃油泵将柴油从燃油箱中抽取，通过滤清器进行过滤，然后将燃油喷射到气缸中。喷油器将燃油雾化和喷射时间控制在适当范围内，以实现高效燃烧。
5、冷却系统
柴油机的冷却系统主要由水泵、水箱、散热器等组成。冷却系统通过将冷却液循环引流，吸热并冷却发动机。这有助于保持发动机在正常工作温度范围内，防止过热和烧坏。
6、起动系统
柴油机的起动系统通常由启动电机、齿轮传动系统和起动电路组成。当系统通过启动电路时，启动电机将转动产生的动力传递给齿轮传动系统，使发动机开始旋转，从而实现启动。
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图7 柴油发动机结构图 |
图8 柴油机曲柄连杆机构组成模型图 |
三、柴油机的主要特点
柴油机的工作原理可以总结为压缩、喷油、燃烧和排气四个基本过程。与汽油机相比，柴油机的燃烧过程更加复杂，主要有以下特点：
1、高压缩比
柴油机的压缩比通常比汽油机高得多，这是为了提高燃烧效率。高压缩比使得柴油在压缩冲程中达到高温高压状态，有利于燃烧过程的进行。
2、自燃点
柴油的自燃点比汽油高，因此在高温高压环境下，柴油可以自行燃烧，无需点火系统。这也是柴油机与汽油机的一个主要区别。
3、高效率
由于柴油机的压缩比高，燃烧温度高，热效率通常比汽油机高。这使得柴油机在燃料利用率方面更加高效，节能环保。
4、动力输出稳定
柴油机的燃烧过程相对较长，燃烧持续时间长，燃烧过程平稳。这使得柴油机的动力输出相对平稳，适合用于大功率和大扭矩输出的应用场景。
总结：
柴油机的工作原理是通过压缩冲程、燃烧冲程、排气冲程和进气冲程四个冲程循环完成的。柴油燃料在高温高压条件下燃烧产生的气体推动活塞运动，通过连杆和曲轴将活塞的往复运动转化为旋转运动，从而驱动发电机产生电能。柴油机的工作原理涉及到压缩比、点火系统、曲轴和冷却系统等关键要素。通过合理设计和优化这些要素，可以提高柴油机的功率和燃油利用率，实现更高效的供电。在这个过程中，柴油机的燃烧效率通常比汽油发动机更高，也更节能。同时，柴油机的结构相对简单，可靠性较高，因此在大型发电机组应用中广泛使用。
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