柴油機(jī)工作原理

1、第一節(jié)第一節(jié) 柴油機(jī)的工作原理工作原理 一、柴油機(jī)的基本概念 二、四沖程柴油機(jī)的工作原理 三、二沖程柴油機(jī)的工作原理 四、二、四沖程柴油機(jī)的比較 五、增壓柴油機(jī) 二、四沖程柴油機(jī)的工 作原理 1、四沖程柴油機(jī)工作過程 2、四沖程柴油機(jī)的定時 3、四沖程柴油機(jī)的氣閥重疊角 四沖程柴油機(jī)工作原理四沖程柴油機(jī)工作原理 第一沖程第一沖程進(jìn)氣沖程進(jìn)氣沖程 （suction stroke） 為了使柴油機(jī)作功更完善，必須在進(jìn)氣 過程盡可能多吸入新鮮空氣。進(jìn)氣閥開 啟始點至上上點的曲柄轉(zhuǎn)角叫做進(jìn)氣提 前角。下止點到進(jìn)氣閥關(guān)閉位置的曲柄 轉(zhuǎn)角叫做進(jìn)氣延遲角（利用慣性進(jìn)氣）。 整個進(jìn)氣過程所占的總角度約為220

2、250CA。 第二沖程第二沖程壓縮沖程壓縮沖程 （compression stroke） 活塞上行，氣缸容積減少，缸內(nèi)氣體壓 力和溫度隨之升高，到達(dá)壓縮終點時， 壓力增高到 36MPa，溫度升至 600 700（柴油的自燃溫度為270左右）， 通常壓縮終點的氣體壓力和溫度分別用 Pc和tc表示。 四沖程機(jī)壓縮過程所占的總角度約為 140160CA。 第三沖程第三沖程燃燒和膨脹沖程燃燒和膨脹沖程 （combustion and expansion stroke） 在活塞到達(dá)上止點前，燃油經(jīng)噴油器以 霧狀噴入氣缸的高溫高壓空氣中，并與 其混合，在上止點附近自燃，由于燃油 強(qiáng)烈燃燒，使氣缸內(nèi)氣體溫度

3、迅速上升 到14001800或更高些，壓力增加至 58MPa，甚至15MPa以上。燃燒產(chǎn)生的 最高壓力稱最高爆發(fā)壓力，用Pz表示， 最高溫度tz表示。 四沖程機(jī)燃燒膨脹過程所占的總角度約 為130160CA。 第四沖程第四沖程排氣沖程排氣沖程 （exhaust stroke） 這一階段，要求廢氣排得越干凈越好， 所以與進(jìn)氣閥啟閉一樣，排氣閥也是提 前開啟，延遲關(guān)閉。排氣閥開啟時，活 塞尚在下行，廢氣靠氣缸內(nèi)外壓力差進(jìn) 行自由排氣。從排氣閥開啟到下止點的 曲柄轉(zhuǎn)角叫做排氣提前角。 四沖程機(jī)排氣沖程所占的總角度約為 210240CA。 四沖程柴油機(jī)的定時四沖程柴油機(jī)的定時 四沖程柴油機(jī)的氣閥重疊角

4、四沖程柴油機(jī)的氣閥重疊角 氣閥重疊角（氣閥重疊角（valve overlap angle） 由圖可以看出，在進(jìn)氣上止點前后進(jìn)排 氣閥同時開啟著，這段重疊的曲柄轉(zhuǎn)角 稱為氣閥重疊角。適當(dāng)?shù)臍忾y重疊角不 僅不會使廢氣倒灌入進(jìn)氣管，而且還有有 利于廢氣的清除和新空氣的充入。新鮮利于廢氣的清除和新空氣的充入。新鮮 的空氣對燃燒室壁面能起到冷卻作用的空氣對燃燒室壁面能起到冷卻作用。 增壓柴油機(jī)的氣閥重疊角大于非增壓柴增壓柴油機(jī)的氣閥重疊角大于非增壓柴 油機(jī)油機(jī)。 三、二沖程柴油機(jī)的工三、二沖程柴油機(jī)的工 作原理作原理 1、二沖程柴油機(jī)工作原理、二沖程柴油機(jī)工作原理 2、二沖程柴油機(jī)的定時、二沖程柴油機(jī)的

5、定時 3、二沖程柴油機(jī)的換氣型式、二沖程柴油機(jī)的換氣型式 二沖程柴油機(jī)工作原理二沖程柴油機(jī)工作原理 第一沖程第一沖程掃氣及壓縮沖程掃氣及壓縮沖程 （scavenging and compression stroke） 活塞由下止點向上移動，活塞在遮住掃 氣口之前，由掃氣泵供給儲存在掃氣箱 內(nèi)的空氣，通過掃氣口進(jìn)入氣缸，氣缸 中的殘存廢氣被進(jìn)入氣缸的空氣通過排 氣口掃出氣缸?；钊^續(xù)上行，逐漸遮 住掃氣口，當(dāng)掃氣口完全關(guān)閉后，空氣 停止充入，排氣還在進(jìn)行，這階段稱為 “過后排氣階段”。 第一沖程第一沖程掃氣及壓縮沖程掃氣及壓縮沖程 排氣口關(guān)閉時，氣缸中的空氣就開始被 壓縮。當(dāng)壓縮至上止點前點時，

6、噴油器 將燃油噴入氣缸，與高溫高壓的空氣相 混合，自行著火燃燒。 第二沖程第二沖程燃燒膨脹及排氣沖程燃燒膨脹及排氣沖程 （combustion expansion and exhaust stroke） 活塞在高溫高壓燃?xì)獾耐苿酉?，由?止點向下運動，對外膨脹作功，活塞 下行直至排氣口打開，膨脹作功結(jié)束。 第二沖程第二沖程燃燒膨脹及排氣沖程燃燒膨脹及排氣沖程 活塞下行直至排氣口打開，膨脹作功結(jié) 束，氣缸內(nèi)大量廢氣靠自身壓力從排氣 口排入到排氣管。當(dāng)氣缸內(nèi)的壓力降至 接近掃氣壓力時，下行活塞把掃氣口打 開，掃氣空氣進(jìn)入氣缸，同時把氣缸內(nèi) 的廢氣經(jīng)排氣口趕出氣缸?；钊\行到 下止點，本沖程結(jié)束。

7、二沖程柴油機(jī)的定時二沖程柴油機(jī)的定時 二沖程的基本換氣型式二沖程的基本換氣型式 在二沖程柴油機(jī)中，借助于掃、排氣口 （閥）之間的壓力差，用新鮮空氣將廢 氣驅(qū)趕出氣缸的過程稱為掃氣過程。按 掃氣過程中新鮮空氣流動路線特點，二 沖程柴油機(jī)的換氣型式分為彎流換氣和 直流換氣兩大類。彎流式分為橫流和回 流兩種。 直流式分為氣口一氣閥式和氣 口一氣口式，目前多用前者。 1）橫流換氣（cross scavenging） 橫流換氣式二沖程柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)特點是 氣缸蓋上沒有排氣閥機(jī)構(gòu)，進(jìn)、排氣都 是經(jīng)過氣缸下部的掃、排氣口進(jìn)行的。 掃、排氣口相對地布置在氣缸下部圓周 的兩側(cè)，排氣口高于掃氣口。 橫橫 流流 換換

8、 氣氣 1）橫流換氣 這種換氣型式結(jié)構(gòu)簡單，管理方便。但因 氣體在氣缸內(nèi)流動路線長且需要轉(zhuǎn)向，所 以換氣質(zhì)量較差；氣缸下部掃排口側(cè)受熱 不均勻，容易變形；氣口的相對且高低的 布置，造成換氣時損失部分新鮮空氣，并 對采用廢氣渦輪增壓時使增壓系統(tǒng)布置困 難。 2）回流換氣（loop scavenging） 回流換氣的二沖程柴油機(jī)氣缸蓋上也沒有 排氣閥機(jī)構(gòu)。進(jìn)氣和排氣也是經(jīng)過氣缸下 部的掃、排氣口進(jìn)行的。掃氣口和排氣口 均處于氣缸下部的同一側(cè)、排氣口在掃氣 口的上方。 回回 流流 換換 氣氣 彎流換氣彎流換氣 彎流換氣的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、管理方便。缺 點是掃氣空氣流動路線長且彎曲，流動損失 大，新氣和

9、廢氣容易摻混，缸內(nèi)存有掃氣死 角，殘留廢氣較多，換氣質(zhì)量較差，近年來 已被直流換氣所取代。 直流換氣（直流換氣（uniflowuniflow scavenging scavenging） 在氣缸蓋上裝有排氣閥（一閥或多閥）， 由氣閥機(jī)構(gòu)控制其動作。在氣缸套下部 均勻布置著一圈掃氣口，掃氣口的啟閉 由氣缸內(nèi)的活塞控制。 直直 流流 換換 氣氣 氣口氣口氣口直流換氣氣口直流換氣 2 2、直流換氣、直流換氣 直流掃氣的主要優(yōu)點是：排氣干凈，換 氣質(zhì)量好；缸套下部受熱均勻不易變形； 可通過調(diào)整排氣閥定時使排氣閥及時關(guān) 閉，避免掃氣口關(guān)閉后的過后排氣損失， 相反可以實現(xiàn)排氣閥關(guān)閉后的少量充氣 （稱為“過

10、后充氣”）。這種換氣型式 的主要缺點是排氣閥機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，管 理維修麻煩，但該種型式應(yīng)用較多。 四、二沖程柴油機(jī)與四沖程四、二沖程柴油機(jī)與四沖程 柴油機(jī)的比較柴油機(jī)的比較 1 1、二沖程柴油機(jī)的優(yōu)點：、二沖程柴油機(jī)的優(yōu)點： 功率較大（1.6-1.7倍） 回轉(zhuǎn)較均勻 結(jié)構(gòu)較簡單 2 2、二沖程柴油機(jī)的缺點：、二沖程柴油機(jī)的缺點： 換氣質(zhì)量差、熱效率低 熱負(fù)荷較高 四、二沖程柴油機(jī)與四沖程四、二沖程柴油機(jī)與四沖程 柴油機(jī)的比較柴油機(jī)的比較 3 3、二沖程柴油機(jī)特點：、二沖程柴油機(jī)特點： 二沖程柴油機(jī)凸輪軸轉(zhuǎn)速與曲軸轉(zhuǎn)速相 同；而四沖程柴油機(jī)凸輪軸轉(zhuǎn)速是曲軸 轉(zhuǎn)速的一半，即1:2。 一個工作循環(huán)中，

11、二沖程柴油機(jī)下行對 外作功，上行則靠外力驅(qū)動，而四沖程 機(jī)除燃燒膨脹沖程對外作功外，其它三 個沖程都是耗功沖程。 四、二沖程柴油機(jī)與四沖程柴四、二沖程柴油機(jī)與四沖程柴 油機(jī)的比較油機(jī)的比較 3 3、二沖程柴油機(jī)特點：、二沖程柴油機(jī)特點： 二沖程柴油機(jī)進(jìn)排氣重疊角大約為80 100，四沖程柴油機(jī)的氣閥重疊角較小，約 為2560。 一般四沖程柴油機(jī)用表示缸內(nèi)空氣被壓縮程 度，而絕大多數(shù)二沖程柴油機(jī)則用有效壓縮 比e表示。 c h s c hsc e V V V VV )1 (1 )1 ( 第二節(jié)第二節(jié) 柴油機(jī)的熱力循環(huán)熱力循環(huán) 一、內(nèi)燃機(jī)理論循環(huán)的基本形式及其特點一、內(nèi)燃機(jī)理論循環(huán)的基本形式及其特

12、點 二、柴油機(jī)的理論循環(huán)和實際循環(huán)的差別二、柴油機(jī)的理論循環(huán)和實際循環(huán)的差別 一、內(nèi)燃機(jī)理論循環(huán)的基本形式及其一、內(nèi)燃機(jī)理論循環(huán)的基本形式及其 特點特點 1、研究理論循環(huán)的目的、研究理論循環(huán)的目的 u用公式說明各參數(shù)的關(guān)系，以明確提用公式說明各參數(shù)的關(guān)系，以明確提 高理論循環(huán)熱效率和平均壓力的有效途高理論循環(huán)熱效率和平均壓力的有效途 徑。徑。 u確定循環(huán)熱效率的理論極限，以判斷確定循環(huán)熱效率的理論極限，以判斷 實際循環(huán)的完善程度。實際循環(huán)的完善程度。 u比較各種熱力循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性和動力性。比較各種熱力循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性和動力性。 2對內(nèi)燃機(jī)的理想循環(huán)作了如對內(nèi)燃機(jī)的理想循環(huán)作了如 下的簡化假定下的簡化

13、假定 工質(zhì)為一理想氣體(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的純空氣)。在整 個循環(huán)中工質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)保持不變。 在整個循環(huán)中，工質(zhì)數(shù)量保持不變，不更換， 故無進(jìn)、排氣過程及漏氣損失。 壓縮與膨脹過程為絕熱過程，與外界沒有熱交 換，也不存在摩擦。 不考慮燃燒過程，用假想的定容放熱和定容或 定壓加熱來代替實際的換氣和燃燒過程。 3.內(nèi)燃機(jī)理論循環(huán)的三種基本形式 -定容加熱循環(huán)Otto，圖a，適用于汽油機(jī)。 -定壓加熱循環(huán)Diesel，圖b，適用于現(xiàn)代高增 壓柴油機(jī)。 -混合加熱循環(huán)Sabathe，圖c，適用于一般柴油 機(jī)。 4、混合加熱理想循環(huán)的熱效率、混合加熱理想循環(huán)的熱效率 稱為壓縮比；稱為壓縮比； 稱為壓力升高比

14、，稱為壓力升高比， 定容加熱量越大，定容加熱量越大，就越大；就越大； ， 稱為預(yù)脹比，表示絕熱膨脹過程前氣稱為預(yù)脹比，表示絕熱膨脹過程前氣 體的膨脹系數(shù)。體的膨脹系數(shù)。 結(jié)論：結(jié)論：熱效率隨壓縮比熱效率隨壓縮比、壓力升高比、壓力升高比 、工質(zhì)絕熱指數(shù)、工質(zhì)絕熱指數(shù)k的增加而提高的增加而提高,隨初隨初 期膨脹比期膨脹比的增加而降低。的增加而降低。 2 3 p p 3423 15 1 TTkTT TT 1) 1( 1 1 1 k k k 2 1 v v 3 4 v v 結(jié)論 k t t 三種理論循環(huán)熱效率比較: -若最高爆發(fā)壓力和吸熱量相同,則定 壓加熱循環(huán)熱效率最高,混合次之; -若壓縮比和吸熱

15、量相同,則定容加熱 循環(huán)熱效率最高,混合次之. 定容定容 定壓定壓 混合混合 定容定容 定壓定壓 混合混合 實際循環(huán)比理想循環(huán)熱效率低、平均壓力 低,是因為它存在許多不可避免的損失: 傳 熱 損 失 時 間 損 失 換 氣 損 失 燃 燒 損 失 漏 泄 損 失 工 質(zhì) 變 化 其 他 損 失 二、柴油機(jī)的理論循環(huán)和實際循 環(huán)的差別 理論循環(huán)中工質(zhì)是理想氣體，而實際循環(huán)理論循環(huán)中工質(zhì)是理想氣體，而實際循環(huán) 中的工質(zhì)是空氣和燃燒產(chǎn)物的混合物中的工質(zhì)是空氣和燃燒產(chǎn)物的混合物 。 工 質(zhì) 變 化 工質(zhì)成分的變化工質(zhì)成分的變化 工質(zhì)比熱的變化工質(zhì)比熱的變化 工質(zhì)的高溫分解工質(zhì)的高溫分解 工質(zhì)分子數(shù)的變

16、化工質(zhì)分子數(shù)的變化 理論循環(huán)中工質(zhì)是理想氣體，而實際循環(huán)理論循環(huán)中工質(zhì)是理想氣體，而實際循環(huán) 中的工質(zhì)是空氣和燃燒產(chǎn)物的混合物中的工質(zhì)是空氣和燃燒產(chǎn)物的混合物 。 工 質(zhì) 變 化 工質(zhì)成分的變化工質(zhì)成分的變化 工質(zhì)比熱的變化工質(zhì)比熱的變化 工質(zhì)的高溫分解工質(zhì)的高溫分解 工質(zhì)分子數(shù)的變化工質(zhì)分子數(shù)的變化 燃燒前的工質(zhì)是燃燒前的工質(zhì)是 新鮮空氣和上以循環(huán)新鮮空氣和上以循環(huán) 殘留在壓縮容積里的殘留在壓縮容積里的 燃燒氣體的混合物；燃燒氣體的混合物； 燃燒后工質(zhì)為燃燒產(chǎn)燃燒后工質(zhì)為燃燒產(chǎn) 物，物， 其各個時期的成其各個時期的成 分是變化的，不僅于分是變化的，不僅于 燃油成分有關(guān)，還與燃油成分有關(guān)，還與

17、 過量空氣系數(shù)和燃燒過量空氣系數(shù)和燃燒 溫度有關(guān)。溫度有關(guān)。 理論循環(huán)中工質(zhì)是理想氣體，而實際循環(huán)理論循環(huán)中工質(zhì)是理想氣體，而實際循環(huán) 中的工質(zhì)是空氣和燃燒產(chǎn)物的混合物中的工質(zhì)是空氣和燃燒產(chǎn)物的混合物 。 工 質(zhì) 變 化 工質(zhì)成分的變化工質(zhì)成分的變化 工質(zhì)比熱的變化工質(zhì)比熱的變化 工質(zhì)的高溫分解工質(zhì)的高溫分解 工質(zhì)分子數(shù)的變化工質(zhì)分子數(shù)的變化 空氣和燃?xì)獾谋葻岫伎諝夂腿細(xì)獾谋葻岫?隨溫度上升而增大，而多隨溫度上升而增大，而多 原子氣體原子氣體(C02、H20、 SO2）的比熱值又比雙原）的比熱值又比雙原 子氣體（子氣體（ 02、H2 、空氣、空氣 ） 大，實際循環(huán)中，三原子大，實際循環(huán)中，三原

18、子 氣體增加，再加上最高燃?xì)怏w增加，再加上最高燃 燒溫度很高，實際循環(huán)中燒溫度很高，實際循環(huán)中 工質(zhì)的比熱必然隨溫度升工質(zhì)的比熱必然隨溫度升 高而增大。這意味著在同高而增大。這意味著在同 樣的加熱量下，實際循環(huán)樣的加熱量下，實際循環(huán) 所引起的壓力和溫度的增所引起的壓力和溫度的增 長要比理論循環(huán)時低得多，長要比理論循環(huán)時低得多， 其結(jié)果是實際循環(huán)的熱效其結(jié)果是實際循環(huán)的熱效 率低，作功能力下降，工率低，作功能力下降，工 質(zhì)比熱的變化對循環(huán)的熱質(zhì)比熱的變化對循環(huán)的熱 效率影響顯著。效率影響顯著。 理論循環(huán)中工質(zhì)是理想氣體，而實際循環(huán)理論循環(huán)中工質(zhì)是理想氣體，而實際循環(huán) 中的工質(zhì)是空氣和燃燒產(chǎn)物的混

19、合物中的工質(zhì)是空氣和燃燒產(chǎn)物的混合物 。 工 質(zhì) 變 化 工質(zhì)成分的變化工質(zhì)成分的變化 工質(zhì)比熱的變化工質(zhì)比熱的變化 工質(zhì)的高溫分解工質(zhì)的高溫分解 工質(zhì)分子數(shù)的變化工質(zhì)分子數(shù)的變化 溫度超過溫度超過10001000，燃燒產(chǎn)，燃燒產(chǎn) 物將物將 以一定的數(shù)量發(fā)生高溫分以一定的數(shù)量發(fā)生高溫分 解，同時吸收相當(dāng)熱量保持化解，同時吸收相當(dāng)熱量保持化 學(xué)平衡，即在高溫下易引起如學(xué)平衡，即在高溫下易引起如 下的可逆反應(yīng)。下的可逆反應(yīng)。 高溫分解與壓力和溫高溫分解與壓力和溫 度有關(guān)。高溫低壓時反應(yīng)向右度有關(guān)。高溫低壓時反應(yīng)向右 進(jìn)行，并吸收熱量；在膨脹行進(jìn)行，并吸收熱量；在膨脹行 程中由于溫度降低，反應(yīng)向左程

20、中由于溫度降低，反應(yīng)向左 進(jìn)行而放出熱量。進(jìn)行而放出熱量。 高溫分解需要吸收熱量，高溫分解需要吸收熱量， 使燃燒階段的壓力、溫度增加使燃燒階段的壓力、溫度增加 較少，也使實際循環(huán)的熱效率較少，也使實際循環(huán)的熱效率 和作功能力下降和作功能力下降 理論循環(huán)中工質(zhì)是理想氣體，而實際循環(huán)理論循環(huán)中工質(zhì)是理想氣體，而實際循環(huán) 中的工質(zhì)是空氣和燃燒產(chǎn)物的混合物中的工質(zhì)是空氣和燃燒產(chǎn)物的混合物 。 工 質(zhì) 變 化 工質(zhì)成分的變化工質(zhì)成分的變化 工質(zhì)比熱的變化工質(zhì)比熱的變化 工質(zhì)的高溫分解工質(zhì)的高溫分解 工質(zhì)分子數(shù)的變化工質(zhì)分子數(shù)的變化 燃油燃燒后使工燃油燃燒后使工 質(zhì)的分子數(shù)增加，不質(zhì)的分子數(shù)增加，不 同柴

21、油機(jī)在全負(fù)荷時同柴油機(jī)在全負(fù)荷時 的過量空氣系數(shù)的過量空氣系數(shù) 在在1 12 22 20 0之間，之間， 分子變更系數(shù)分子變更系數(shù)( (工質(zhì)工質(zhì) 燃燒后與燃燒前摩爾燃燒后與燃燒前摩爾 數(shù)的比值數(shù)的比值) )約為約為 1 103- 103- 1005005，這，這 對提高柴油機(jī)的效率對提高柴油機(jī)的效率 有利，但影響極小。有利，但影響極小。 在在壓縮壓縮過程初期，氣缸壁溫度較高使空氣被加熱；而在后期，過程初期，氣缸壁溫度較高使空氣被加熱；而在后期， 由于氣體溫度超過缸壁溫度，便發(fā)生從氣體到缸壁相反的熱量傳由于氣體溫度超過缸壁溫度，便發(fā)生從氣體到缸壁相反的熱量傳 遞。實際壓縮過程是一個多變過程，平均

22、壓縮多變指數(shù)遞。實際壓縮過程是一個多變過程，平均壓縮多變指數(shù)n n1 1約為約為 1 132321 137(37(低速增壓柴油機(jī)低速增壓柴油機(jī)) )。實際壓縮過程。實際壓縮過程總趨勢是工質(zhì)向總趨勢是工質(zhì)向 缸壁散熱缸壁散熱，因此壓縮終點壓力必然，因此壓縮終點壓力必然低于低于絕熱壓縮終點壓力。絕熱壓縮終點壓力。 膨脹膨脹過程是一個更復(fù)雜的多變膨脹過程。膨脹初期由于后燃過程是一個更復(fù)雜的多變膨脹過程。膨脹初期由于后燃 以及原來高溫時已分解的燃燒產(chǎn)物的重新復(fù)合反應(yīng)，使工質(zhì)為加以及原來高溫時已分解的燃燒產(chǎn)物的重新復(fù)合反應(yīng)，使工質(zhì)為加 熱膨脹；膨脹后期，由于后燃結(jié)束及復(fù)合反應(yīng)的減弱使工質(zhì)為散熱膨脹；膨脹后期，由于后燃結(jié)束及復(fù)合反應(yīng)的減弱使工質(zhì)為散 熱膨脹。整個膨脹過程是一個以平均膨脹多變指數(shù)熱膨脹。整個膨脹過程是一個以平均膨脹多變指數(shù)n n2 2為代表的多為代表的多 變膨脹過程，通常變膨脹過程，通常n n2 2約為約為1 115-115-13030，即整個膨脹過程是一個即整個膨脹過程是一個 工質(zhì)被加熱工質(zhì)被加熱的多變過程。膨脹終點缸內(nèi)壓力的多變過程。膨脹終點缸內(nèi)壓力高高于絕熱膨脹壓力。于絕熱膨脹壓力。 實際循環(huán)中工質(zhì)與缸壁之間始終實際循環(huán)中工質(zhì)與缸壁之間始終 存在熱交換，