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柴油机工作原理、特点和示功图 |
摘要：要解决柴油机故障的问题，必须了解柴油机基本结构、柴油机系统的结构和工作原理、柴油机系统的组成和分类、柴油机系统传感器的结构和工作原理等基本知识；同时掌握喷油器的校正、功能测试、更换以及柴油机怠速不稳故障的诊断与维修方法。康明斯公司在本文中详细讲述了柴油机的工作原理、特点、燃烧过程以及柴油的特性的相关常识。
一、柴油机工作原理及特点
1．基本术语
柴油发动机基本结构如图1所示，常用术语位置如图2所示。
（1）上止点
上止点指活塞顶部离曲轴中心最远处。
（2）下止点
下止点指活塞顶部离曲轴中心最近处。
（3）缸径
缸径指发动机气缸的直径。
（4）行程
行程指上、下止点间的距离。
（5）工作容积
工作容积指活塞从上止点到下止点所扫过的容积。
（6）排量
排量指所有气缸工作容积之和。
（7）燃烧室容积
燃烧室容积指活塞在上止点时活塞顶上面空间的容积。
（8）气缸总容积
气缸总容积指活塞在下止点时，活塞上部空间的容积。气缸总容积等于工作容积与燃烧室容积之和。
（9）压缩比
压缩比指气缸总容积与燃烧室容积之比。
（10）曲柄半径
曲柄半径指连杆大头中心到曲轴中心的距离。
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图1 康明斯QSL9型柴油发动机左侧图 |
图2 发动机的常用术语 |
2．柴油机的工作原理简述
（1）进气行程
如图3左图所示。起动机通电带动曲轴旋转，曲轴的转动使活塞自上而下运动，这时，排气门关闭，进气门打开，新鲜空气进入气缸和燃烧室。
（2）压缩行程
如图3右图所示。活塞从下止点向上运动，这时，进气门和排气门均关阔，吸入气缸内的空气受到活塞的压缩，压力提高，温度也随之升高。
（3）做功行程
如图4左图所示。当活塞压缩到上止点，喷油器向燃烧室喷入雾状柴油，油雾与压缩空气充分混合，形成高温高压的燃气，并开始自行着火燃烧，混合气膨胀做功，推动活塞向下运动，从而推动曲轴转动，对外输出功。
（4）排气行程
如图4右图所示。活塞从下止点往上运动，这时，进气门关闭，排气门打开，燃烧废气在活塞的推动下排出燃烧室，完成一个工作行程，这时曲轴转动两周。
当柴油机完成排气行程后，在曲轴飞轮总成的惯性力作用下，又重复上述工作循环过程，使柴油机连续运转对外输出功率。
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图3 柴油机工作原理图 |
图4 柴油机做功原理图 |
3．柴油机特点
（1）功率大、经济性能好。
（2）燃料是柴油，其黏度比汽油大，不易蒸发，而其自燃温度却较汽油低-安全。
（3）混合气是压燃的，而不是点燃的-不需点火系统。
（4）柴油机的可靠性要比汽油机的好-系统少。
（5）柴油机压缩比很高，热效率和经济性都要好于汽油机。
（6）工作压力大，要求各有关零件具有较高的结构强度和刚度，所以柴油机比较笨重，体积较大。
（7）柴油机的喷油泵与喷油器制造精度要求高，所以成本较高。
（8）工作粗暴，振动噪声大。
（9）柴油不易蒸发，冬季冷车时起动困难。
二、柴油机的燃料特性
1．柴油燃料
（1）柴油可根据馏分的轻重分为轻柴油（沸点范围约180～370℃）和重柴油（沸点范围约350～410℃）。不同类型柴油机对柴油的要求：
① 转速在1000r/min以上的高速柴油机使用轻柴油；
② 转速在500～1000r/min的中速柴油机和转速低于500r/min的低速柴油机使用重柴油。
（2）柴油是将十六烷（自燃性好）与α-甲基萘（自燃性差）按一定比例调配而成的混合物，其中十六烷含量的百分数称为十六烷值。汽车用的柴油十六烷值要求高于50。
2．柴油燃料特性
（1）发火性
发火性表示柴油的自燃能力，用十六烷值评定，十六烷值越大，发火性越好。但是十六烷值越高，柴油的燃烧性能越好，其凝点也较高，这样影响着火质量。
（2）蒸发性
蒸发性表示柴油蒸发汽化的能力，用馏程（馏出某一百分比的温度范围）和沸点表示。馏程：50％（300℃）、90％（355℃）、95％（365℃）馏出温度。沸点低适合寒冷气候，但十六烷值低，润滑性差，增加磨损。沸点高，碳烟产物增加和喷油器结焦。沸点一般在350℃。
（3）闪点
闪点是指在一定试验条件下，当柴油蒸气与周围空气形成的混合气接近火焰时，开始出现闪火的温度。闪点低，蒸发性好。
（4）低温流动性
低温流动性用凝点和冷滤点评定。
（5）凝点
凝点是指柴油失去流动性，开始凝固时的温度。
（6）冷滤点
冷滤点是指在特定试验条件下，在1min内柴油开始不能流过滤清器20mL时的最高温度。
3．柴油的使用条件
轻柴油按凝点分为以下7个牌号：10、5、0、-10、-20、-35、-50。
（1）10号轻柴油适用于有预热设备的柴油机。
（2）5号轻柴油适用于风险率为10％的最低气温在8℃以上的地区使用。
（3）0号轻柴油适用于风险率为10％的最低气温在4℃以上的地区使用。
（4）-10号轻柴油适用于风险率为10％的最低气温在-5℃以上的地区使用。
（5）-20号轻柴油适用于风险率为10％的最低气温在-14℃以上的地区使用。
（6）-35号轻柴油适用于风险率为10％的最低气温在-29℃以上的地区使用。
（7）-50号轻柴油适用于风险率为10％的最低气温在-44℃以上的地区使用。
三、 柴油机燃烧过程
柴油机混合气的燃烧过程按压力温度变化分为4个阶段，如图5、图6所示。
1、备燃期
喷入气缸的燃料经过一系列的物理化学的变化过程，包括燃料的雾化、加热、蒸发，与空气混合等准备阶段，虽然时间比较短，但对于整个燃烧过程的影响很大。
2、速燃期
燃料快速燃烧，气缸压力急剧增加。压力的升高速度决定了柴油机运转的平稳性，如果压力升高速度太大，则柴油机工作粗暴，运动零件受到很大负荷。为了保证平稳性，压力升高比不超过0.4MPa/曲轴转角。
3、缓燃期
在气体工作容积不断增加的时候开始，如果能够保持燃烧的快速性，才能使气缸内的压力保持不变或稍有上升。所以，只有在缓燃期加速空气混合，才能使燃料迅速燃烧。
4、后燃期
后燃期的能量对发动机的做功作用不大，但增加零件的热负荷，燃烧情况不好，排放恶化。因此，尽量减少过后燃烧。
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图5 柴油机燃烧过程 |
图6 柴油机燃烧过程示意图 |
四、发动机工作示功图
柴油机的工作循环有进气、压缩、燃烧、膨胀和排气5个过程，图7所示为柴油机工作循环原理图。在往复活塞式发动机的一个循环中，气缸内气体压力随活塞位移（或气缸内容积）而变化形成一条循环曲线。循环曲线所包围的面积可表示机器所做的功或所消耗的功，故称为示功图，如图8所示。
（1）进气（ra曲线）
终了时刻气体状态，压力为80～95kPa；温度为30～75℃。
（2）压缩（ac曲线）
终了时刻气体状态，压力为3～6MPa；温度为480～680℃。
（3）燃烧（c＇z'曲线）
终了时刻气体状态，压力为6～9MPa；温度为1800～2200℃。
（4）膨胀（z＇b曲线）
终了时刻气体状态，压力为0.2～0.4MPa；温度为700～900℃。
（5）排气（br曲线）
终了时刻气体状态，压力为105～120kPa；温度为450～650℃。
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图7 柴油发动机工作原理图 |
图8 柴油机示功图 |
总结：
柴油机是以柴油为燃料，属于压缩点燃式发动机，柴油机在工作时，新鲜空气被吸入柴油机气缸内，因活塞的运动而受到高强度的压缩，高温达到500~700℃。燃油在高压油泵的作用下以雾状喷入高温空气中，与高温空气形成可燃混合气，自动着火燃烧。燃烧中释放的巨大能量作用在活塞顶面上，推动活塞并通过连杆和曲轴转换为旋转的机械能。因此，柴油机在发电机组中广泛应用，因为柴油机的燃油效率高，维护成本低，适合长时间运行。
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