传统柴油发动机的工作原理解读

摘要：柴油机是以柴油作燃料的压燃式柴油机。作业时，汽缸内的空气被压缩而温度升高，定时喷入汽缸的柴油自行着火燃烧，产生发烫、高压的燃气膨胀推动活塞做功，将热能转变为机械功。柴油机的作业循环由进气、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。

       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步骤。内部燃烧案例如图1所示。

      热效率随压缩比ε、压力升高比λ、工质绝热指数k的增加而提升，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。

     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。

      内燃机的应用基于热力学机理，通过燃烧燃料产生发烫高压气体，从而将燃料的化学能转化为机械能。领会内燃机的热力学原理，有助于我们更好地理解其工作机理和性能特点。

      用4个行程，曲轴回转两周完成一个作业循环。四冲程柴油机的基础结构如图5所示。作业时活塞作往复直线运动康明斯发电机官方网站，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。离曲轴中心较远的止点称上止点，较近的止点称下止点。四冲程柴油机的作业原理如图6所示，图中分别表示4个行程中活塞、连杆、主轴及气阀的相对位置。

      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，进气阀通常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。

      活塞从下止点上行，进、排烟阀均关闭。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，并在过热高压空气的用途下，开始自行着火燃烧，如图2b所示。

      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，其较大值分别可达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。

      主轴带动活塞由下止点向上运动，排烟阀继续开启状态，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小排烟程序中所消耗的功，不但在下止点前提前开启排烟阀康明斯发电机厂家排名，而且要在排烟行程结束的上止点后才关闭。排烟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作业循环要经历进气、压缩、做功、排气等4个行程；一个作业循环主轴回转两转，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，则借助于其他汽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起动运行，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，实现柴油机自行运行。

      二冲程柴油机用两个行程，主轴回转一周完成一个作业循环的柴油机。二冲程柴油机与四冲程柴油机的不同是在于汽缸上设有气口，如图7所示汽缸右侧为排气口，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。

       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），新鲜空气不再进入汽缸内。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柴油发电机型号及规格。在活塞到达上止点前的某一时刻（点2＇），柴油被喷油嘴喷入气缸，并与发烫高压空气混合后着火燃烧。

      在这一行程中，完成了换气（曲线）、压缩（曲线）和喷油着火燃烧各步骤。

      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。排烟口在活塞下行打开时（点5），因为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℃，在汽缸内外的压差功用下汽缸内燃气从排烟口高速排出，缸内压力随之减小。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汽缸，并对汽缸内进行扫气，将缸内的废气排出排气口。这个过程称为扫气步骤，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。工作程序如图8所示。

      在这一行程中，完成了燃烧与膨胀（曲线）、排烟（曲线）和部分扫气（曲线）程序。

      由此可见，相比四冲程柴油机，二冲程柴油机是将进气和排烟流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主轴回转一周。在活塞行程、汽缸直径与速度相同的条件下，二冲程柴油机的容量似乎应为四冲程柴油机的2倍；但实际上，因为二冲程柴油机的气口使其高效行程减少等原因，其功率约为四冲程柴油机的1.6～1.8倍。

      总结起来，柴油机的工作机理包括进气程序、压缩流程、做功步骤和排烟步骤。通过柴油机各个装置的协同功能，柴油机能够有效、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升其性能和可靠性。