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柴油機工作原理、特點和示功圖 |
摘要：要解決柴油機故障的問題，必須了解柴油機基本結(jié)構(gòu)、柴油機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理、柴油機系統(tǒng)的組成和分類、柴油機系統(tǒng)傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理等基本知識；同時掌握噴油器的校正、功能測試、更換以及柴油機怠速不穩(wěn)故障的診斷與維修方法。康明斯公司在本文中詳細講述了柴油機的工作原理、特點、燃燒過程以及柴油的特性的相關(guān)常識。
一、柴油機工作原理及特點
1．基本術(shù)語
柴油發(fā)動機基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，常用術(shù)語位置如圖2所示。
（1）上止點
上止點指活塞頂部離曲軸中心最遠處。
（2）下止點
下止點指活塞頂部離曲軸中心最近處。
（3）缸徑
缸徑指發(fā)動機氣缸的直徑。
（4）行程
行程指上、下止點間的距離。
（5）工作容積
工作容積指活塞從上止點到下止點所掃過的容積。
（6）排量
排量指所有氣缸工作容積之和。
（7）燃燒室容積
燃燒室容積指活塞在上止點時活塞頂上面空間的容積。
（8）氣缸總?cè)莘e
氣缸總?cè)莘e指活塞在下止點時，活塞上部空間的容積。氣缸總?cè)莘e等于工作容積與燃燒室容積之和。
（9）壓縮比
壓縮比指氣缸總?cè)莘e與燃燒室容積之比。
（10）曲柄半徑
曲柄半徑指連桿大頭中心到曲軸中心的距離。
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圖1 康明斯QSL9型柴油發(fā)動機左側(cè)圖 |
圖2 發(fā)動機的常用術(shù)語 |
2．柴油機的工作原理簡述
（1）進氣行程
如圖3左圖所示。起動機通電帶動曲軸旋轉(zhuǎn)，曲軸的轉(zhuǎn)動使活塞自上而下運動，這時，排氣門關(guān)閉，進氣門打開，新鮮空氣進入氣缸和燃燒室。
（2）壓縮行程
如圖3右圖所示。活塞從下止點向上運動，這時，進氣門和排氣門均關(guān)闊，吸入氣缸內(nèi)的空氣受到活塞的壓縮，壓力提高，溫度也隨之升高。
（3）做功行程
如圖4左圖所示。當活塞壓縮到上止點，噴油器向燃燒室噴入霧狀柴油，油霧與壓縮空氣充分混合，形成高溫高壓的燃氣，并開始自行著火燃燒，混合氣膨脹做功，推動活塞向下運動，從而推動曲軸轉(zhuǎn)動，對外輸出功。
（4）排氣行程
如圖4右圖所示。活塞從下止點往上運動，這時，進氣門關(guān)閉，排氣門打開，燃燒廢氣在活塞的推動下排出燃燒室，完成一個工作行程，這時曲軸轉(zhuǎn)動兩周。
當柴油機完成排氣行程后，在曲軸飛輪總成的慣性力作用下，又重復(fù)上述工作循環(huán)過程，使柴油機連續(xù)運轉(zhuǎn)對外輸出功率。
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圖3 柴油機工作原理圖 |
圖4 柴油機做功原理圖 |
3．柴油機特點
（1）功率大、經(jīng)濟性能好。
（2）燃料是柴油，其黏度比汽油大，不易蒸發(fā)，而其自燃溫度卻較汽油低-安全。
（3）混合氣是壓燃的，而不是點燃的-不需點火系統(tǒng)。
（4）柴油機的可靠性要比汽油機的好-系統(tǒng)少。
（5）柴油機壓縮比很高，熱效率和經(jīng)濟性都要好于汽油機。
（6）工作壓力大，要求各有關(guān)零件具有較高的結(jié)構(gòu)強度和剛度，所以柴油機比較笨重，體積較大。
（7）柴油機的噴油泵與噴油器制造精度要求高，所以成本較高。
（8）工作粗暴，振動噪聲大。
（9）柴油不易蒸發(fā)，冬季冷車時起動困難。
二、柴油機的燃料特性
1．柴油燃料
（1）柴油可根據(jù)餾分的輕重分為輕柴油（沸點范圍約180～370℃）和重柴油（沸點范圍約350～410℃）。不同類型柴油機對柴油的要求：
① 轉(zhuǎn)速在1000r/min以上的高速柴油機使用輕柴油；
② 轉(zhuǎn)速在500～1000r/min的中速柴油機和轉(zhuǎn)速低于500r/min的低速柴油機使用重柴油。
（2）柴油是將十六烷（自燃性好）與α-甲基萘（自燃性差）按一定比例調(diào)配而成的混合物，其中十六烷含量的百分數(shù)稱為十六烷值。汽車用的柴油十六烷值要求高于50。
2．柴油燃料特性
（1）發(fā)火性
發(fā)火性表示柴油的自燃能力，用十六烷值評定，十六烷值越大，發(fā)火性越好。但是十六烷值越高，柴油的燃燒性能越好，其凝點也較高，這樣影響著火質(zhì)量。
（2）蒸發(fā)性
蒸發(fā)性表示柴油蒸發(fā)汽化的能力，用餾程（餾出某一百分比的溫度范圍）和沸點表示。餾程：50％（300℃）、90％（355℃）、95％（365℃）餾出溫度。沸點低適合寒冷氣候，但十六烷值低，潤滑性差，增加磨損。沸點高，碳煙產(chǎn)物增加和噴油器結(jié)焦。沸點一般在350℃。
（3）閃點
閃點是指在一定試驗條件下，當柴油蒸氣與周圍空氣形成的混合氣接近火焰時，開始出現(xiàn)閃火的溫度。閃點低，蒸發(fā)性好。
（4）低溫流動性
低溫流動性用凝點和冷濾點評定。
（5）凝點
凝點是指柴油失去流動性，開始凝固時的溫度。
（6）冷濾點
冷濾點是指在特定試驗條件下，在1min內(nèi)柴油開始不能流過濾清器20mL時的最高溫度。
3．柴油的使用條件
輕柴油按凝點分為以下7個牌號：10、5、0、-10、-20、-35、-50。
（1）10號輕柴油適用于有預(yù)熱設(shè)備的柴油機。
（2）5號輕柴油適用于風(fēng)險率為10％的最低氣溫在8℃以上的地區(qū)使用。
（3）0號輕柴油適用于風(fēng)險率為10％的最低氣溫在4℃以上的地區(qū)使用。
（4）-10號輕柴油適用于風(fēng)險率為10％的最低氣溫在-5℃以上的地區(qū)使用。
（5）-20號輕柴油適用于風(fēng)險率為10％的最低氣溫在-14℃以上的地區(qū)使用。
（6）-35號輕柴油適用于風(fēng)險率為10％的最低氣溫在-29℃以上的地區(qū)使用。
（7）-50號輕柴油適用于風(fēng)險率為10％的最低氣溫在-44℃以上的地區(qū)使用。
三、 柴油機燃燒過程
柴油機混合氣的燃燒過程按壓力溫度變化分為4個階段，如圖5、圖6所示。
1、備燃期
噴入氣缸的燃料經(jīng)過一系列的物理化學(xué)的變化過程，包括燃料的霧化、加熱、蒸發(fā)，與空氣混合等準備階段，雖然時間比較短，但對于整個燃燒過程的影響很大。
2、速燃期
燃料快速燃燒，氣缸壓力急劇增加。壓力的升高速度決定了柴油機運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，如果壓力升高速度太大，則柴油機工作粗暴，運動零件受到很大負荷。為了保證平穩(wěn)性，壓力升高比不超過0.4MPa/曲軸轉(zhuǎn)角。
3、緩燃期
在氣體工作容積不斷增加的時候開始，如果能夠保持燃燒的快速性，才能使氣缸內(nèi)的壓力保持不變或稍有上升。所以，只有在緩燃期加速空氣混合，才能使燃料迅速燃燒。
4、后燃期
后燃期的能量對發(fā)動機的做功作用不大，但增加零件的熱負荷，燃燒情況不好，排放惡化。因此，盡量減少過后燃燒。
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圖5 柴油機燃燒過程 |
圖6 柴油機燃燒過程示意圖 |
四、發(fā)動機工作示功圖
柴油機的工作循環(huán)有進氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣5個過程，圖7所示為柴油機工作循環(huán)原理圖。在往復(fù)活塞式發(fā)動機的一個循環(huán)中，氣缸內(nèi)氣體壓力隨活塞位移（或氣缸內(nèi)容積）而變化形成一條循環(huán)曲線。循環(huán)曲線所包圍的面積可表示機器所做的功或所消耗的功，故稱為示功圖，如圖8所示。
（1）進氣（ra曲線）
終了時刻氣體狀態(tài)，壓力為80～95kPa；溫度為30～75℃。
（2）壓縮（ac曲線）
終了時刻氣體狀態(tài)，壓力為3～6MPa；溫度為480～680℃。
（3）燃燒（c＇z'曲線）
終了時刻氣體狀態(tài)，壓力為6～9MPa；溫度為1800～2200℃。
（4）膨脹（z＇b曲線）
終了時刻氣體狀態(tài)，壓力為0.2～0.4MPa；溫度為700～900℃。
（5）排氣（br曲線）
終了時刻氣體狀態(tài)，壓力為105～120kPa；溫度為450～650℃。
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圖7 柴油發(fā)動機工作原理圖 |
圖8 柴油機示功圖 |
總結(jié)：
柴油機是以柴油為燃料，屬于壓縮點燃式發(fā)動機，柴油機在工作時，新鮮空氣被吸入柴油機氣缸內(nèi)，因活塞的運動而受到高強度的壓縮，高溫達到500~700℃。燃油在高壓油泵的作用下以霧狀噴入高溫空氣中，與高溫空氣形成可燃混合氣，自動著火燃燒。燃燒中釋放的巨大能量作用在活塞頂面上，推動活塞并通過連桿和曲軸轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機械能。因此，柴油機在發(fā)電機組中廣泛應(yīng)用，因為柴油機的燃油效率高，維護成本低，適合長時間運行。
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