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新闻主题	柴油发动机工作原理及配气相位的调整

 

导读：发电用柴油机是以柴油作燃料的压燃式内燃机。发动机原理是工作时，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。四冲程柴油机的工作循环由进气行程、压缩行程、膨胀作功行程和排气行程四个过程组成。其优点是四冲程发动机有单独的进、排气冲程；有独立的冷却系统，换气充分，使用性能好，排气和噪音都比二冲程小。 

 

一、柴油机的原理和工作过程

 

      柴油机用密闭的空间压缩空气产生高热，喷入雾化的柴油后燃烧膨胀，推动活塞沿气缸作向下运动，经活塞销、连杆、曲轴等组成的曲柄连杆机构，将活塞的直线运动变为曲柄的旋转运动，飞轮的惯性带动活塞排气、吸气、压缩循环运动，从而输出机械功。而对于增压型柴油发动机的原理是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。

      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是四冲程柴油机的工作原理简图，图2是柴油机工作原理动态图。从图3~图6是表示相对应的气缸内气体压力随气缸容积的变化情况，也称p-V示功图。

 

图1  柴油发动机工作原理

柴油发动机原理动态图

 

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），在下止点后延迟关闭，气阀开启的延续角约为220˚～250˚CA。示功图如图3所示。

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。压缩终点的压力p约为3～6MPa；温度t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。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。示功图如图4所示。

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，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，排气阀开启，排气过程开始。此时，气缸内的压力p约为0.3～0.6MPa，温度t约为600～700℃。活塞则继续下行到下止点。示功图如图5所示。

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。排气阀开启的延续角度约为230˚～260˚CA。示功图如图6所示。

      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（如蓄电池）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。

 

图3  柴油机压缩行程示功图	图4  柴油机进气行程示功图
图5  柴油机作功行程示功图	图6  柴油机排气行程示功图

 

二、配气相位

 

      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。

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。

       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所示。

表1    四冲程柴油机气阀重叠角

 

三、配气相位测量与调整

 

1、配气相位的测量

      进、排气门叠开时升程的测量方法如图7所示。

（1）先将发动机的各气门间隙按要求调整好。

（2）转动发动机的曲轴，使第一缸活塞上行到达排气行程上止点附近。

（3）在该缸排气门弹簧座上安装百分表(注意百分表指针应与气门平行),并将表置于“0”位。

（4）慢慢地顺时针转动曲轴，至排气门完全关闭。检查百分表指针，顺时针读数即为该排气门在排气上止点时尚未关闭的降程。

（5）逆时针转动曲轴至该缸进气门全闭位置，在其弹簧座上安装百分表，并将表置于“0”位。

（6）慢慢地顺时针转动曲轴至排气上止点，检查百分表指针，逆时针读数即为进气门在排气上止点的降程。

（7）将该缸进、排气门的升、降程与标准值比较，如果进气门升程太大，排气门降程太小，则配气相位提前；反之，如进气门升程太小，排气门降程太大，则配气相位迟后。

2、配气相位调整方法

（1）偏移凸轮轴键法

      如图8所示。通过改变正时齿轮与凸轮轴的连接键的断面，可调整气门的配气相位。

（2）凸轮轴正时齿轮轴向移动法

      此方法一般是通过改变推力凸缘厚度或正时齿轮轮毂厚度的方法，使正时齿轮获得轴向位移量而进行调整的。

 

图7  柴油机配气相位测量方法

图8  柴油机配气相位的调整步骤

 

总结：

      柴油发动机通过压缩自燃原理，将柴油的化学能转化为机械能。其工作原理包括进气阶段、压缩阶段、燃烧阶段和排气阶段。柴油发动机由汽缸、曲轴、燃油系统、空气系统、冷却系统和排气系统等多个组成部分构成。了解柴油发动机工作原理和配气相位，有助于更好地理解柴油发电机组性能和运行机制。

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