四冲程柴油发动机的工作机理(图文)

柴油机是内燃机的一种，将柴油喷射到气缸内与空气混合，燃烧得到热能转变为机械能的热力发动机，即依靠燃料燃烧时的燃气膨胀推动活塞作直线运动，通过曲柄连杆系统使曲轴旋转，从而输出机械功。cummins发电机公司以四冲程柴油机为例，对柴油机作业机理进行引荐，重点叙说了四冲程柴油机进气、压缩、作功和排气的四个冲程定义，同时简单浅聊

      以燃烧油料（汽油或柴油）的内燃机为动力，驱动发电机发电的技术，已有近百年的历史。随着社会经济及科学技术的发展，虽然以核能、燃煤、水力为能源的大型电站及其电力网的建设与普及日益完善。然而仍有一些电力网还未能到达或电力供给不太可靠的地区，需要用油机发电机组为生活和设备供应电能。这就使它们以其自成一体，移动、操作方便，发出与电网性质一样的电能，直接带动负荷、操作简易等特性成为电力网的得力配角。

      柴油机和发电机技术经过不断地选取新技术，使其自身更加趋于完善和成熟。发电机组的输出功率从0.5kVA到2500kVA，形成了系列化的产品，可满足各方面的需要。一般以燃烧汽油的内燃机为动力的发电机组称为“汽油发电机组”。因为汽油内燃机的特性，使其实用组成的功率从0.5kVA到20kVA，输出电压以单相220V为主的发电机组。而以燃烧柴油的内燃机为动力构造的“康明斯发电机组”，以其特性可以组成容量30kVA至2500kVA.输出电压为三相380V的中、大型机组，作为备载电源，大都采用的是它们。

      柴油机是用柴油作燃料的内燃机，内部工作步骤如图1所示。柴油机属于压缩点火式发动机，它又常以详细发明者狄塞尔的名字被称为狄塞尔引擎。柴油机在工作时，吸入柴油机汽缸内的空气，因活塞的运动而受到偏高程度的压缩，达到500～700℃的发热。然后将燃油以雾状喷入发热空气中，与发热空气混合形成可燃混合气，自动着火燃烧。燃烧中释放的能量功能在活塞顶面上，推动活塞并通过连杆和主轴切换为旋转的机械功

      而正时相位图是用来辨认柴油机所有四个冲程是何时产生的方法。在相位图上画出了四冲程发动机的各个程序，如图2所示。在相位图顶部，活塞正优点在上止点（TDC）位置。TDC之前发生的步骤称为BTDC（上止点前），上止点后发生的称为ATDC（上止点后）。相位图的底部是活塞处于下止点（BDC）位置。

      柴油机的基本作业机理是选用压缩发火，使燃料在汽缸内部燃烧，以过热、高压的燃气工质在汽缸中膨胀推动活塞作往复运动，再通过活塞-连杆-曲柄将往复运动变成曲轴的回转运动，从而带动工作机械。根据发动机的工作特点，把四行程发动机的工作循环分为进气、压缩、燃烧、膨胀、排气等程序，如图3所示。示功图表示各个流程和气缸内气体压力随容积而变化的状况，如图4所示。用四个行程（曲轴回转两转）完成一个工作循环的柴油机称四冲程柴油机，曲轴与凸轮轴速度之比为2/1。

      它的任务是使气缸内充满新鲜空气。当进气冲程开始时，活塞位于上止点，气缸内的燃烧室中还留有一些废气。当主轴旋转肘，连杆使活塞由上止点向下止点移动，同时，利用与主轴相联的传动装置使进气阀打开。

      随着活塞的向下运动，汽缸内活塞上面的容积逐渐增大，造成汽缸内的空气压力低于进气管内的压力，因此外面空气就不断地充入汽缸。进气结束时气缸内的压力约为0.8～0.9MPa，温度在40～70℃。此流程结束时，气缸内充其量越多，可以喷入的燃油量也越多，燃烧程序放出的能量就越多，柴油机发出的容量就越大。

       如示功图5所示（以自然吸气发动机为例），进气行程用曲线ra表示。曲线ra位于大气压力线以下，它与大气压力线纵坐标之差即表示汽缸内的真空度。自然吸气发动机动力输出平顺，不会因发动机速度的变化而出现骤然加速。而且发动机使用时限长，修理简单。

      活塞从下止点移动到上止点，进、排烟门都处于关闭状态，活塞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。此过程结束时，汽缸内空气温度约在500～700℃，压力为27～49个大气压。

      如示功图6所示，压缩行程用曲线ac表示。压缩终了时可燃混合气的压力和温度取决于压缩比，压缩比越大，燃烧速度越快，因而发动机发出的功率便越大，经济性越好。但压缩比过度时，不仅无法进一步 改进燃烧现象，反而会产生爆燃和表面点火等异常燃烧状况。

      活塞从上止点移动到下止点，进、排气门都处于关闭，压缩步骤结束时，喷油器将高压燃油喷人气缸，与过热高压空气混合，因为温度高于柴油自燃点，发生大量热能，使汽缸内温度和压力急剧升高。发烫高压气体推动活塞下移、经连杆带动主轴旋转，对外做功，此程序较高燃烧压力约为60～90个大气压、温度较高达到1700～2000℃。随着膨胀作用的进行，热能转变为机械能，气缸内气体的压力、温度急剧下降，到膨胀结束时，气缸内的压力下降至4个大气压，温度降到600～900℃。

      如示功图7所示，曲线Zb表示活塞向下移动时汽缸内容积增加，气体压力和温度都在降低。在做功行程终了的b点，压力降到0.3 ~0.5MPa，温度则降为1300 ~ 1600K。

      排烟冲程活塞从下止点移动到上止点，此时进气门关闭，排气门打开。膨胀结束后，气缸内气体已失去做功的能力，称为废气。为了使新鲜空气重新进入汽缸，需将废气排出。废气在活塞上行的排挤下，经过排气门到出缸外。排期结束时，汽缸内的压力约为1.03～1.08个大气压，温度约为350～600℃。至此，活塞又回到上止点，单缸四冲程柴油机完成一个工作循环，主轴转动两圈。此外，实际情形下，柴油机的进、排气门动作的时间并非活塞移动到上、下止点，而是进气门在上止点前打开，下止点后关闭；排烟门在下止点前打开，上止点后关闭。

      如示功图8所示，用曲线br表示。由于排气装置存在排烟阻力，故而在排气终了时，汽缸内压力稍高于大气压力，为0.105 ~0.120MPa，废气温度为900 ~ 1100K。因燃烧室占有一定容积，故排气终了时，不可能将废气排尽，留下的这一部分废气称为残余废气。

      尽管柴油机的种类很多，其构造也不尽相同，但是它们有连杆、配气、燃油供给、润滑和冷却。柴油机的三个主要部件是连杆装置、配气机构和供油装置，它们相互协作，共同完成作业，并将其转化为能源。在实际运用中，三种技术状态的优劣以及它们的配合是否合理直接关系到发动机的运转。另外润滑系和冷系是发动机的辅助系统，对发动机的长时间运转起着至关重要的用途。若润滑装置或冷却机构无法作业，则会引起发动机失效。因此，在柴油机的运行中，应对上述各个环节给予足够的关注，而无法忽略其中的一个环节，否则不仅无法保证其正常作业，还可能导致发动机的重大磨耗。

      要想使柴油机每个冲程作业都很好，整机都处于低损耗、有效率、高可靠的工作状态，必须建立必要的供油、供气、散热、排气、润滑等**机构。以下为柴油机的基础构造：

      由油管将燃油箱康明斯柴油发电机型号大全、输油泵、柴油滤清器（粗滤和细滤）、喷油泵、喷油嘴、溢流阀等部件构造一个闭合循环供油机构。

      在这里，柴油先被输油泵从油箱抽出，经过粗滤去除油中的杂质后到达精滤器，再次滤除油中的细小杂质、气泡。然后进入由喷油泵、燃油轨或燃油集合管、喷油器及电子调速板构成的燃油喷射系统。燃油被加压、计量、定期和控制，再经喷油器以雾化的柴油气喷人气缸。剩余的燃油则经溢流阀流回油箱。

      燃油喷射系统较重要的作用是保证喷油器正时、定量地将柴油雾化气喷射到气缸中。柴油机能否精确地调速，燃油能否充分燃烧，整机效率怎生全靠它的调控。所以燃油喷射系统是柴油机的控制中心或心脏。以电子调速板为核心的燃油喷射装置即电喷技术，其特性是将精滤以后的燃油经喷油泵加压后送入燃油集合管或燃油轨，而所有气缸的喷油器均由它们统一供油，喷油嘴的喷嘴是由电子速度控制器控制的电磁阀。柴油机作业时，燃油油温、油压、速度等实时数据，被电子探头采集并输入电子调速板进行解析处理。然后它以较佳的程序控制柴油泵转速以调节集合管或油轨内燃油的压力、供给量，同时以较佳的时间开启喷油器电磁阀，并控制其雾化喷油量。从而使燃油在气缸内得以充分地燃烧，发出较大容量，并减少了排放气体中有害物质的含量。

      柴油机的配气系统有进气和排气两个部分，其组成3D模型如图9所示。油机正常作业必须有充足的新鲜空气（含氧量多)供给气缸使燃油充分燃烧。燃烧后气缸内的废气必须及时排出机外，这也称为柴油机的呼吸。

     柴油机输出容量的大小，取决于进入汽缸的燃油雾气和空气的数量及热能的有效利用率。因此增加进入气缸的空气密度，就会增强柴油机的输出容量。然而，空气的密度与压力成正比，与温度成反比。故而就采取增加进气压力，减少进气温度的举措提升进气密度。空气经过滤清器去除其中的灰尘，然后经过利用排出废气推动的涡轮增压器被增压，再通过冷却器降温，有一定压力和降温的新鲜空气经过汽缸上盖的进气门就可以多地压入气缸。从而增加了进入气缸内的空气度（提升含氧量）。这样可使柴油机的输出功率提30%～100%以上。

      柴油机的排烟系统是由汽缸上盖的排烟门开始的。燃烧后的废气从气缸穿过排气门冲出，其温度为500～600℃，利用它的巨大能量推动涡轮增压器，既可对进气加压又可降低废气的温度和压力，可谓一举两得。剩余的废气经过消音器排出。

      汽缸工作流程中，其外壁温度很高，活塞、气缸盖、气门等部件长期处于高温下持续作业，因此必须选择降温举措。使其保持在65～85℃适宜温度环境中。散热降温的程序一般有风冷和循环水冷。

      风冷方法简单，就是用风扇吹汽缸及周围部件达到散热降温的效果。适合于小型柴油机。

      水冷方式较复杂，当柴油机工作时，循环水泵将水箱散热器及管路内的水箱宝流动起来，流动的水经过机油冷却器、气缸外壁、上盖等部位的管路将热量带走。热水流动到散热水箱时经过许多散热细管，这些细管后面是吹风扇，细管内的热水被吹风降温，然后又循环去减小气缸的温度。

      柴油机工作过程中，各运动零件之间表面相互磨擦，发生大量的损耗，减小整机的效率和使用期限。因此必须加以润滑，使其相对运动零件表面覆盖一层润滑油（俗称机油）以减小磨擦损耗。

      机油储存在柴油机底部的曲轴箱内，既可散热，又可沉淀滤除一些铁粉。机油泵可将机油抽出并且加压，机油一部分经过离心式精滤器过滤后流回机油盘，另一路被刮片式粗滤器过滤后进入机油冷却器降温，然后经管路去润滑曲轴、连杆、活塞、气门装置等柴油发电机组，剩余的机油再经管路流回机油盘。

      柴油机由静止变为运行必须依靠外力帮助，故而启动方法有人力启动、电动机起动、辅助小汽油机启动、压缩空气起动等多种方式。人力启动常用于农业机械，例如手扶拖拉机。辅助小汽油机起动主用于大型拖拉机、坦克等。压缩空气起动方式常用于大型柴油机，用压缩空气驱动气动马达带动曲轴转动。

      电机起动方法是主用的，柴油机带有电瓶组（通常主用24V）供给起动电动机作业。起动电动机的轴端装有离合机构，它通过齿轮与柴油机的曲轴飞轮的外齿圈相啮合。开机时，起动电动机接通蓄电池而转动。从而带动柴油机曲轴旋转，当柴油机着火作业起来以后，起动电动机的离合机构自动与飞轮脱开，启动电动机也停止工作。柴油机工作起来以后还附带着小发电机给电瓶充电。

      曲柄连杆系统的构造是由缸体组、活塞连杆组、主轴飞轮组结构，其3D模型如图10所示。曲柄连杆系统的主要功用：

      曲柄连杆机构是内燃机实现作业循环，完成能量转换的传动装置，用来传递力和改变运动步骤，其是通过曲柄和滑块的连接、转动带动滑块左右移动。曲柄连杆系统具有耐过热、耐高压、耐高速、耐化学腐蚀的作用。

      综上所述，在四冲程柴油机中，要经历进气、压缩、膨胀、排烟等四个行程才完成一个作业循环；与此相应的是主轴回转两转，即720?曲轴转角。而且，在四个行程中，只有膨胀行程才作功，其余三个行程都要消耗功。因此，在单缸柴油机中，必须有一个足够大的飞轮来供给这三个行程所需的能量；而在多缸柴油机中，则藉助于其他气缸膨胀作功流程来供给。此外柴油机常见故障分析及处理，柴油机由停车状态进入作业状态，必须藉助外源能量的驱动使其启动运行，直至喷入汽缸的燃油自发火燃烧，柴油机才能自行运转。