1-2第二节柴油机的基本工作原理

第一章柴油机工作循环和主要性能指标1第二节柴油机的基本工作原理柴油机是以柴油作燃料的压燃式内燃机。工作时，空气在气缸内被压缩而产生高温，使喷入的柴油自行着火燃烧，产生高温、高压的燃气，燃气膨胀推动活塞作功，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、膨胀作功和排气等过程组成。这些过程可以由四冲程柴油机来实现，也可由二冲程柴油机来实现。一、四冲程柴油机（非增压）的工作原理图1-2-1所示是四冲程柴油机的基本结构图。工作时活塞作往复直线运动，曲轴作旋转运动。活塞改变运动方向瞬时的位置称止点（死点），止点处的活塞瞬时运动速度为零。离曲轴中心最远时的止点称上止点（T.D.C.），最近时的止点称下止点（B.D.C.）。曲柄销中心与主轴颈中心之间的距离称曲柄半径R。连杆大、小端中心间的距离称连杆长度L。上、下止点间的距离称活塞行程（冲程）S。活塞行程等于曲柄半径的两倍，即S=2R。活塞在上、下止点间移动所扫过的容积称气缸工作容积VS。SDVs24（1-2-1）式中，D为气缸直径（缸径）。活塞位于上止点时活塞顶与气缸盖之间的气缸容积，称燃烧室容积（压缩室容积、余隙容积）Vc。气缸总容积Va与燃烧室容积之比称压缩比。csccscaVVVVVVV1（1-2-2）显然压缩比是一个几何概念，它与柴油机的转速无关。用四个行程（曲轴回转两转）完成一个工作循环的柴油机称四冲程柴油机。图1-2-2是四冲程柴油机的工作原理简图。图的上部表示四个行程中活塞、连杆、曲轴及气阀的相对位置。图的下部表示相对应的气缸内气体压力随气缸容积的变化情况，称p-V示功图。1．进气行程活塞从上止点下行，进气阀打开。由于活塞下行的抽吸作用，新鲜空气充入气缸。为了能充入更多的空气，进气阀一般在上止点前提前开启（曲柄位于点1），在下止点后延迟关闭（曲柄位于点2），气阀开启的延续角（图中阴影线部分）约为220˚～250˚CA。图1-2-1四冲程柴油机的基本结构表1-2-1自燃温度随压缩压力的变化压缩压力)(MPapc自燃温度)(℃t0.1270~2902.82044.21952船舶柴油机2．压缩行程活塞从下止点上行，进、排气阀均关闭。上行的活塞对缸内的空气进行压缩，使其温度和压力均不断升高（曲线2-3）。压缩终点的压力pc约为3～6MPa；温度tc约为500～700℃。燃油自燃温度远低于此值，自燃温度随压缩压力而变，轻柴油自燃温度如表1-2-1所示。在上止点（压缩终点）附近，燃油经喷油器以雾化的状态喷入燃烧室，并在高温高压空气的作用下，开始自行发火燃烧。3．膨胀行程在此行程的初期，燃烧仍在猛烈地进行，使缸内的压力和温度都急剧升高，其最大值分别可达6MPa和1500～2000℃左右。在高温高压燃气的作用下，活塞向下运动作功，在上止点后某一时刻（图中点4），燃烧基本结束，但高温高压燃气继续膨胀作功推动活塞下行。当活塞到达下止点前某一时刻（图中点5），排气阀开启，排气过程开始。此时，气缸内的压力pb约为0.3～0.6MPa，温度tb约为600～700℃。活塞则继续下行到下止点。4．排气行程活塞由下止点向上运动，排气阀继续开启着，上行的活塞将气缸内的废气强行推挤出去。为了实现充分排气和减少排气过程中所消耗的功，排气阀不但在下止点前提前开启，而且要在排气行程结束的上止点后才关闭（图中点6）。排气阀开启的延续角度（5-6）约为230˚～260˚CA。综上所述，在四冲程柴油机中，要经历进气、压缩、膨胀、排气等四个行程才完成一个图1-2-2四冲程柴油机工作原理图第一章柴油机工作循环和主要性能指标3工作循环；与此相应的是曲轴回转两转，即720˚曲轴转角。而且，在四个行程中，只有膨胀行程才作功，其余三个行程都要消耗功。因此，在单缸柴油机中，必须有一个足够大的飞轮来供给这三个行程所需的能量；而在多缸柴油机中，则藉助于其他气缸膨胀作功过程来供给。此外，柴油机由停车状态进入工作状态，必须藉助外源能量的驱动使其起动运转，直至喷入气缸的燃油自发火燃烧，柴油机才能自行运转。四冲程柴油机的进、排气阀的启闭都不正好在上、下止点，而是在上、下止点前后某一时刻。它们的开启持续角均大于180˚CA。进、排气阀在上、下止点前后启闭的时刻称为气阀正时（定时），通常气阀正时用距相应止点的曲轴转角（˚CA）表示。用曲轴转角表示气阀正时的圆图称气阀正时（定时）圆图，如图1-2-3所示。在图1-2-3中，进气阀在上止点前点1开启，在下止点后点2关闭。其与相应止点的夹角φ1、φ2分别称进气提前角、进气滞后角。排气阀在下止点前点5开启，在上止点后点6关闭，其与相应止点的夹角φ3、φ4分别称为排气提前角、排气滞后角。（1）排气阀提前开：排气阀开启初期其通道截面积很小，流动阻力很大。如果排气阀太接近下止点时才开启，提前开启的角度太小，废气排出不畅，会造成活塞上行推出废气消耗的功增大。残余废气量增加。但排气阀提前开启角也不能太大，否则会使气体膨胀功损失过大。（2）排气阀滞后关：排气阀的滞后关一方面使活塞到达上止点时，排气阀仍有足够通道截面，有利于废气的排出；另一方面，由于利用了排气流的惯性，可使废气排得更干净。（3）进气阀提前开：进气阀提前开除了使进气冲程开始时有较大的通道截面，以减少进气阻力，增加进气量，还可形成进排气阀叠开，对燃烧室进行扫气，减少剩余废气量，增加进气量。（4）进气阀滞后关：进气阀延迟在下止点后关闭，一方面使活塞在下止点附近时进气阀仍有足够开度。另一方面还可充分利用进气流的惯性而吸入更多空气。总之，气阀提前开启与延后关闭是为了将废气排除干净并增加空气的吸入量，以利于燃油的燃烧，另外排气提前还可减少排气耗功。因此，各机型（对应常用转速）有一最佳正时。按此正时工作，柴油机充入新气最多，性能最好。机型不同，正时也不同。正时圆图在柴油机使用说明书中均有给出，不允许任意改变。经常要以它为依据检查调整气阀正时。燃油喷射也有正时要求，也可画在这个图上。由图1-2-3还可看出，在上止点前后进气阀与排气阀同时开启着，同一气缸的进、排气阀同时开启的曲轴转角称为气阀重叠角。在气阀叠开期间，进气管、气缸、排气管连通，这样有助于废气的排出和新气的流入。此时利用废气流动惯性的抽吸作用，除可避免废气倒冲表1-2-2四冲程柴油机气阀重叠角名称非增压增压图1-2-3四冲程柴油机气阀正时圆图4船舶柴油机开启关闭开启关闭进气阀上止点前15˚～30˚下止点后10˚～30˚上止点前40˚～80˚下止点后20˚～40˚排气阀下止点前35˚～45˚上止点后10˚～20˚下止点前40˚～55˚上止点后40˚～50˚重叠角25˚～50˚80˚～130˚入进气管外，尚可将新鲜空气吸进气缸，并利用此压力差用新气将燃烧室内的废气扫出气缸，实现所谓燃烧室扫气。此时不但可提高换气质量，还可利用进气冷却燃烧室零件的高温表面。因而，四冲程柴油机均有一定的气阀重叠角，而且增压柴油机的气阀重叠角均大于非增压机。如表1-2-2所示。二、二冲程柴油机的基本工作原理用两个行程（曲轴回转一转）完成一个工作循环的柴油机称二冲程柴油机。二冲程柴油机与四冲程柴油机不同，其气缸上设有气口，图1-2-4中气缸右侧为排气口，左侧为进气口。排气口比进气口略高，进排气口的开关均由活塞控制。此外，二冲程柴油机设有扫气泵。扫气泵预先将空气压缩并送入扫气箱中，扫气箱中的空气压力（扫气压力）要比大气压力稍高。1．换气—压缩行程活塞由下止点向上运动。在活塞遮住进气口之前，新鲜空气通过进气口不断充入气缸并将气缸内的废气经排气口驱除出去。当活塞上行到将进气口全部遮闭时（点l），新鲜空气停止进入气缸。当排气口被活塞遮闭后（点2），气缸内的空气就被上行的活塞压缩，压力和温图1-2-4二冲程柴油机工作原理图第一章柴油机工作循环和主要性能指标5度亦随之升高。在活塞到达上止点前的某一时刻（点2’），柴油经喷油器喷入气缸，并与高温高压空气混合后着火燃烧。在这一行程中，进行了换气（曲线0-1-2）、压缩（曲线2-3）和喷油着火燃烧诸过程。2．膨胀—换气行程活塞由上止点向下运动。在此行程的初期，燃烧仍在猛烈地进行，到点4才基本结束。高温高压的燃气膨胀推动活塞下行作功。当活塞下行将排气口打开时（点5），由于此时缸内的燃气的压力和温度仍较高，分别为0.25～0.6MPa和600～800℃，因而气缸内燃气藉助于气缸内外的压差经排气口高速排出，缸内的压力也随之下降。当缸内压力下降到接近扫气压力时，下行的活塞将进气口打开（点6），新鲜空气便通过进气口充入气缸，并对气缸内进行扫气，将气缸内的废气经排气口驱除出去。这个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，称为扫气过程。在这一行程中，进行了燃烧与膨胀（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，与四冲程柴油机相比，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，从而省略两个行程。因此，二冲程柴油机在曲轴回转一转中就可以完成一个工作循环。在气缸直径、活塞行程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。三、增压柴油机的基本工作原理提高柴油机的进气压力，可使进气的密度增加，从而达到在同样的气缸容积中充进更多的空气量，以便喷入燃烧更多的燃油，作出更多的功来。这种用提高进气压力来提高柴油机功率的方法称为“增压”。预先对新鲜空气进行压缩的压气机，有直接由柴油机的曲轴通过齿轮等机械驱动的方式，这种增压方式称机械增压；也有用柴油机气缸排出的废气的能量在涡轮机中膨胀作功，由涡轮机来驱动压气机的方式，称废气涡轮增压。图1-2-5是废气涡轮增压四冲程柴油机的工作简图。废气涡轮增压器由废气涡轮机和与其同轴的离心式压气机等组成。柴油机气缸排出的废气经排气管进入涡轮机，在其中膨胀作功推动涡轮机转动，并带动压气机工作。被压缩后的新鲜空气经进气管送往柴油机的各个气缸。图中M为柴油机，Q为中冷器，T为涡轮机，V为压气机。二冲程废气涡轮增压柴油机的工作原理和四冲程基本相同，所不同的是在二冲程柴油机中，增压空气是供入扫气箱中，然后经扫气口进入气缸；由于废气涡轮和压气机需能量平衡图1-2-5废气涡轮增压四冲程柴油机工作简图6船舶柴油机的原因，老式二冲程柴油机的废气涡轮增压系统中往往设有辅助压气机。目前，船舶柴油机已全部采用了废气涡轮增压。四、二冲程柴油机的换气形式在二冲程柴油机中，不同的换气形式对换气质量以至对柴油机性能有重要影响。至今已出现多种换气形式。根据气流在气缸中的流动路线，二冲程柴油机的换气形式可分为弯流与直流两大类。每一大类中又有不同的换气形式，即：横流（图1-2-4）回流（MAN低速机）弯流排气口有阀控制半回流（Sulzer低速机）简单半回流排气阀—扫气口式（B&W、三菱及SulzerRTA）直流排气口—扫气口式1．弯流扫气扫、排气口布置于气缸下端，扫气空气由下而上，然后由上而下地清扫废气。横流扫气的船舶主机已淘汰多年，目前仍有半回流和回流两种。1）半回流（新横流）扫气Sulzer公司大型柴油机的传统形式。进气口布置在排气口同侧的下方及两侧。如图1-2-6所示。其气缸盖结构较简单，不用设排气阀。扫气口在纵向（与气缸轴向成角度）和横向（与气缸径向成角度）两个方向均有倾斜角，使扫气空气进入气缸后有向上和绕气缸轴线旋转的运动。活塞顶的形状也有引导扫气空气向上的作用。这样可控制气流方向，防止进气直接流向排气口，减少新、废气掺混，提高换气效率；避免死角，减少残留废气，提高换气质量。某些早期的半回流扫气机型（RD型柴油机），在排气管中装有回转控制阀。可在活塞上行活塞裙开启排气口前关闭排气管，防止新鲜空气经排气口流失。（RND型柴油机不再用回转控制阀，改用长裙活塞，当活塞上行至上止点时，活塞裙仍能挡住排气口。）Sulzer公司大型柴油机发展至RTA型才放弃半回流扫气形式，改用直流扫气形式。2）回流扫气图1-2-6半回流