新聞主題	柴油發動機工作原理及配氣相位的調整

 

導讀：發電用柴油機是以柴油作燃料的壓燃式內燃機。發動機原理是工作時，空氣在氣缸內被壓縮而產生高溫，使噴入的柴油自行著火燃燒，產生高溫、高壓的燃氣，燃氣膨脹推動活塞作功，將熱能轉變為機械功。四沖程柴油機的工作循環由進氣行程、壓縮行程、膨脹作功行程和排氣行程四個過程組成。其優點是四沖程發動機有單獨的進、排氣沖程；有獨立的冷卻系統，換氣充分，使用性能好，排氣和噪音都比二沖程小。 

 

一、柴油機的原理和工作過程

 

      柴油機用密閉的空間壓縮空氣產生高熱，噴入霧化的柴油后燃燒膨脹，推動活塞沿氣缸作向下運動，經活塞銷、連桿、曲軸等組成的曲柄連桿機構，將活塞的直線運動變為曲柄的旋轉運動，飛輪的慣性帶動活塞排氣、吸氣、壓縮循環運動，從而輸出機械功。而對于增壓型柴油發動機的原理是提高柴油機的進氣壓力，可使進氣的密度增加，從而達到在同樣的氣缸容積中充進更多的空氣量，以便噴入燃燒更多的燃油，作出更多的功來。

      用四個行程（曲軸回轉兩轉）完成一個工作循環的柴油機稱四沖程柴油機。圖1是四沖程柴油機的工作原理簡圖，圖2是柴油機工作原理動態圖。從圖3~圖6是表示相對應的氣缸內氣體壓力隨氣缸容積的變化情況，也稱p-V示功圖。

 

圖1  柴油發動機工作原理

柴油發動機原理動態圖

 

1、進氣行程

      活塞從上止點下行，進氣閥打開。由于活塞下行的抽吸作用，新鮮空氣充入氣缸。為了能充入更多的空氣，進氣閥一般在上止點前提前開啟），在下止點后延遲關閉，氣閥開啟的延續角約為220?～250?CA。示功圖如圖3所示。

2、壓縮行程

      活塞從下止點上行，進、排氣閥均關閉。上行的活塞對缸內的空氣進行壓縮，使其溫度和壓力均不斷升高。壓縮終點的壓力p約為3～6MPa；溫度t約為500～700℃。燃油自燃溫度遠低于此值，自燃溫度隨壓縮壓力而變。在上止點（壓縮終點）附近，燃油經噴油器以霧化的狀態噴入燃燒室，并在高溫高壓空氣的作用下，開始自行發火燃燒。示功圖如圖4所示。

3、膨脹行程

      在此行程的初期，燃燒仍在猛烈地進行，使缸內的壓力和溫度都急劇升高，其最大值分別可達6MPa和1500～2000℃左右。在高溫高壓燃氣的作用下，活塞向下運動作功，在上止點后某一時刻，燃燒基本結束，但高溫高壓燃氣繼續膨脹作功推動活塞下行。當活塞到達下止點前某一時刻，排氣閥開啟，排氣過程開始。此時，氣缸內的壓力p約為0.3～0.6MPa，溫度t約為600～700℃。活塞則繼續下行到下止點。示功圖如圖5所示。

4、排氣行程

      活塞由下止點向上運動，排氣閥繼續開啟著，上行的活塞將氣缸內的廢氣強行推擠出去。為了實現充分排氣和減少排氣過程中所消耗的功，排氣閥不但在下止點前提前開啟，而且要在排氣行程結束的上止點后才關閉。排氣閥開啟的延續角度約為230?～260?CA。示功圖如圖6所示。

      綜上所述，在四沖程柴油機中，要經歷進氣、壓縮、膨脹、排氣等四個行程才完成一個工作循環；與此相應的是曲軸回轉兩轉，即720?曲軸轉角。而且，在四個行程中，只有膨脹行程才作功，其余三個行程都要消耗功。因此，在單缸柴油機中，必須有一個足夠大的飛輪來供給這三個行程所需的能量；而在多缸柴油機中，則藉助于其他氣缸膨脹作功過程來供給。

      此外，柴油機由停車狀態進入工作狀態，必須藉助外源能量（如蓄電池）的驅動使其起動運轉，直至噴入氣缸的燃油自發火燃燒，柴油機才能自行運轉。

 

圖3  柴油機壓縮行程示功圖	圖4  柴油機進氣行程示功圖
圖5  柴油機作功行程示功圖	圖6  柴油機排氣行程示功圖

 

二、配氣相位

 

      四沖程柴油機的進、排氣閥的啟閉都不正好在上、下止點，而是在上、下止點前后某一時刻。它們的開啟持續角均大于180?CA。進、排氣閥在上、下止點前后啟閉的時刻稱為氣閥正時（定時），通常氣閥正時用距相應止點的曲軸轉角（?CA）表示。用曲軸轉角表示氣閥正時的圓圖稱氣閥正時（定時）圓圖。

1、排氣閥提前開

      排氣閥開啟初期其通道截面積很小，流動阻力很大。如果排氣閥太接近下止點時才開啟，提前開啟的角度太小，廢氣排出不暢，會造成活塞上行推出廢氣消耗的功增大。殘余廢氣量增加。但排氣閥提前開啟角也不能太大，否則會使氣體膨脹功損失過大。

2、排氣閥滯后關

      排氣閥的滯后關一方面使活塞到達上止點時，排氣閥仍有足夠通道截面，有利于廢氣的排出；另一方面，由于利用了排氣流的慣性，可使廢氣排得更干凈。

3、進氣閥提前開

      進氣閥提前開除了使進氣沖程開始時有較大的通道截面，以減少進氣阻力，增加進氣量，還可形成進排氣閥疊開，對燃燒室進行掃氣，減少剩余廢氣量，增加進氣量。

4、進氣閥滯后關

       進氣閥延遲在下止點后關閉，一方面使活塞在下止點附近時進氣閥仍有足夠開度。另一方面還可充分利用進氣流的慣性而吸入更多空氣。總之，氣閥提前開啟與延后關閉是為了將廢氣排除干凈并增加空氣的吸入量，以利于燃油的燃燒，另外排氣提前還可減少排氣耗功。因此，各機型（對應常用轉速）有一最佳正時。按此正時工作，柴油機充入新氣最多，性能最好。機型不同，正時也不同。正時圓圖在柴油機使用說明書中均有給出，不允許任意改變。經常要以它為依據檢查調整氣閥正時。燃油噴射也有正時要求，也可畫在這個圖上。

       在上止點前后進氣閥與排氣閥同時開啟著，同一氣缸的進、排氣閥同時開啟的曲軸轉角稱為氣閥重疊角。在氣閥疊開期間，進氣管、氣缸、排氣管連通，這樣有助于廢氣的排出和新氣的流入。此時利用廢氣流動慣性的抽吸作用，除可避免廢氣倒沖入進氣管外，尚可將新鮮空氣吸進氣缸，并利用此壓力差用新氣將燃燒室內的廢氣掃出氣缸，實現所謂燃燒室掃氣。此時不但可提高換氣質量，還可利用進氣冷卻燃燒室零件的高溫表面。因而，四沖程柴油機均有一定的氣閥重疊角，而且增壓柴油機的氣閥重疊角均大于非增壓機。如表1所示。

表1    四沖程柴油機氣閥重疊角

 

三、配氣相位測量與調整

 

1、配氣相位的測量

      進、排氣門疊開時升程的測量方法如圖7所示。

（1）先將發動機的各氣門間隙按要求調整好。

（2）轉動發動機的曲軸，使第一缸活塞上行到達排氣行程上止點附近。

（3）在該缸排氣門彈簧座上安裝百分表(注意百分表指針應與氣門平行),并將表置于“0”位。

（4）慢慢地順時針轉動曲軸，至排氣門完全關閉。檢查百分表指針，順時針讀數即為該排氣門在排氣上止點時尚未關閉的降程。

（5）逆時針轉動曲軸至該缸進氣門全閉位置，在其彈簧座上安裝百分表，并將表置于“0”位。

（6）慢慢地順時針轉動曲軸至排氣上止點，檢查百分表指針，逆時針讀數即為進氣門在排氣上止點的降程。

（7）將該缸進、排氣門的升、降程與標準值比較，如果進氣門升程太大，排氣門降程太小，則配氣相位提前；反之，如進氣門升程太小，排氣門降程太大，則配氣相位遲后。

2、配氣相位調整方法

（1）偏移凸輪軸鍵法

      如圖8所示。通過改變正時齒輪與凸輪軸的連接鍵的斷面，可調整氣門的配氣相位。

（2）凸輪軸正時齒輪軸向移動法

      此方法一般是通過改變推力凸緣厚度或正時齒輪輪轂厚度的方法，使正時齒輪獲得軸向位移量而進行調整的。

 

圖7  柴油機配氣相位測量方法

圖8  柴油機配氣相位的調整步驟

 

總結：

      柴油發動機通過壓縮自燃原理，將柴油的化學能轉化為機械能。其工作原理包括進氣階段、壓縮階段、燃燒階段和排氣階段。柴油發動機由汽缸、曲軸、燃油系統、空氣系統、冷卻系統和排氣系統等多個組成部分構成。了解柴油發動機工作原理和配氣相位，有助于更好地理解柴油發電機組性能和運行機制。

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