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新闻主题	四冲程柴油机工作特点与结构简图

 

摘要：柴油发动机在工作原理上与汽油发动机十分相似。大多数柴油发动机是四冲程的，但也有二冲程的柴油发动机结构的。因为柴油发动机的特点，它经常被用于那些需要较大载荷和转矩的发电机组上。四冲程柴油机是压燃式柴油发动机，而不是点燃发动机。柴油发动机上有许多零部件与典型的汽油发动机相同。柴油发动机有活塞、气门、曲轴、燃油系统、冷却系统、起动和充电系统，以及污染控制系统。因为柴油发动机用于较大负荷，这些系统比汽油发动机上的更加结实，更加强劲。柴油发动机与汽油发动机之间的一个较大区别是柴油发动机的压缩比较高外，柴油喷射系统使用的是高压喷射，而汽油发动机使用的是低压燃油喷射系统。

 

一、柴油机工作过程

 

      柴油机是一种压缩发火的往复式内燃机。它的基本工作原理是使燃油直接在发动机的气江中燃烧，将燃油的化学能转变成热能，从而主成高温高压的燃气，因燃气膨胀，推动活塞云动，通过曲柄连杆对外做功，将热能转变为机械能。柴油机必须经过进气、压缩、燃烧（膨胀）和排气四个过程才能完成了一个工作循环。然舌不断重复进行这些过程，使柴油机持续工作。

1．进气冲程

      进气冲程如图1（a）所示。活塞在曲轴带动下，从上止点移动到下止点，这时进气门打开，排气门关闭。由于汽缸内容积增大，使汽缸内的压力低于大气压，在汽缸内外压力差的作用下，外界新鲜空气通过进气门吸入汽缸。由于进气系统有阻力，空气进入汽缸后的压力低于大气压力。进气终了时汽缸内的压力约为0.8～0.9大气压。汽缸内空气的温度则高于大气温度，一般温度在40℃～70℃。

      进气过程对柴油机工作影响很大，进气冲程结束时，汽缸内充气量越多，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。

2．压缩冲程

      压缩冲程如图1（b）所示。活塞从下止点移动到上止点，进、排气门都处于关闭状态，活塞便逐渐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。压缩终了时，汽缸内空气温度约在500℃～700℃范围内，压力为27～49个大气压。

3．做功冲程

      做功冲程如图1（c）所示。活塞从上止点移动到下止点，进、排气门仍然关闭。在压缩冲程接近终了时，喷油器将高压燃油喷入汽缸与高温高压空气混合，由于超过柴油自燃点温度，便自行着火燃烧，产生大量热能，使汽缸内温度和压力急剧升高。高温高压气体推动活塞下移，经连杆带动曲轴旋转，对外做功。这一冲程最高燃烧压力约为60～90个大气压，温度最高可达1700℃～2000℃。随着膨胀作用的进行，热能变成了机械能，汽缸内气体的压力、温度急剧下降，到膨胀终了时，汽缸内的压力已下降到四个大气压，温度降到600℃～900℃。

4．排气冲程

      排气冲程如图1（d）所示。活塞从下止点移动到上止点，此时进气门关闭，排气门打开。膨胀终了的气体已失去做功的能力，变成了废气。为了使新鲜空气重新进入汽缸就必须排除废气。废气经活塞上行的排挤压，经排气门排出缸外。排气终了时，汽缸内的压力约为1.03～1.08大气压，温度约为350℃～600℃。

      当排气终了时，活塞又回到上止点，至此，单缸四冲程柴油机完成了一个工作循环。曲轴在这一工作循环中转动两圈，即720（曲轴转角），活塞则经过四个冲程：进、压、工、排。应当指出，以上讲的是理论上柴油机的工作过程，但实际上柴油机工作过程很复杂，进、排气门并不在上、下止点时打开或关闭，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，这里不再讲述。

      从上述四个工作过程中可以看出，只有第程全是辅助过程，是需要消耗能量的，这个问题在单缸柴油机上是利用飞轮储存的能量来解决，在多缸柴油机上则主要靠其他缸的做功冲程来供给。工作循环开始时（即柴油机起动时），需要用外力先使曲轴转动，完成辅助过程，使柴油机起动，柴油机才能正常运转，即四个工作过程依次不断地重复出现。图2为四冲程柴油机内部运行简易演示图。

 

图1  四冲程柴油机工作过程

图2  四冲程柴油机内部运行简易演示图

 

二、结构组成

 

      四冲程柴油发动机三维侧视图如图3所示，结构组成如图4所示。

1、固定部件

      主要由气缸盖、气缸套、机体、机座、主轴承等构成柴油机本体和运动件的支承，并和有关运动部件配合构成柴油机的工作空间。

2、运动部件

      主要由活塞、活塞销、连杆，连杆螺栓、曲轴等组成。它们与固定部件配合完成空气压缩及热能到机械能的转换。

3、配气系统  

      它包括进气系统和排气系统。

（1）进气系统主要由空气滤清器、进气管件、气缸盖内的进气道、进气阀、气阀弹簧、摇臂、顶杆、凸轮轴和凸轮轴传动机构等所组成，用来在规定的时间内向气缸内充入足够的新鲜空气。

（2）排气系统主要由排气阀、气阀弹簧、摇臂、顶杆、凸轮轴和传动机构以及排气管、排气消音器等组成。用来在规定时间内将气缸内作功后的废气排入大气。

4、燃油系统

      包括供应和喷射两个系统。前者由日用油柜、燃油滤清器，输油泵等组成，后者由喷油泵、高压油管和喷油器组成。其功用是供给柴油机燃烧作功所需的燃油。

5、润滑系统

      主要作用是润滑摩擦表面，以减少机件的磨损，延长使用寿命，降低摩擦功率损失，提高机械效率。

6、冷却系统

      主要作用是维持柴油机受热零部件在合适的温度状态下工作。

7、起动系统

      柴油机本身无自行起动能力。起动系统的任务就是使柴油机从停车状态发动起来。

8、调速装置

      调速装置的作用是使柴油机能按外界阻力矩的变化而自动改变喷油泵的喷油量，从而使柴油机在选定转速下稳定运转。此外，船舶柴油机还设有换向装置，并将起动、调速、换向和停车集中控制组成操纵系统。多数柴油机还设有增压系统，用于进一步提高柴油机作功能力。

 

图3  柴油发动机侧视图

图4  康明斯QSB5.9型柴油发动机结构图

 

三、柴油机和汽油机的比较

 

      表1中给出了四冲程柴油发动机和汽油发动机之间的一般比较：

（1）汽油发动机的进气是空气和燃油混合气，而柴油发动机在进气冲程只吸入空气。

（2）因为汽油发动机的压缩比较低，所以压缩压力较小，压缩温度也较低。

（3）汽油发动机中空气和燃油的混合点在化油器处或由喷油器完成，而柴油发动机的混合点在上止点（TDC）附近或稍前一点。

（4）汽油发动机的燃烧是由火花塞引发的，而柴油发动机是压燃的。

（5）汽油发动机在做功冲程产生大约460 psi的压力，而柴油发动机在做功冲程产生的压力接近1200 psi。柴油发动机产生的能量比汽油发动机更大。

（6）汽油发动机的排气温度远远高于柴油发动机，因为在排气冲程仍然有部分汽油在燃烧。汽油发动机的废气中一氧化碳的含量也很高。

（7）柴油发动机的一个主要缺点是氮氧化物（NO_x）的排放量大。因为内部温度较高，与汽油发动机相比，柴油发动机会产生更多的氮氧化物。氮氧化物被认为是温室效应气体（引起大气温度稍稍升高，使我们的环境变得像温室一样的气体），氮氧化物也是导致光化学烟雾的主要气体之一，尽管发动机制造商在不断改进，降低排放。

（8）柴油发动机的效率比汽油发动机大约高10％。原因是柴油发动机的压缩比更高，并且1gal的柴油中含有的能量比1gal的汽油更高。

表1    汽油发动机和柴油发动机的比较

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