發(fā)動機培訓講義五(柴油發(fā)動機)

1、15/15發(fā)動機知識培訓講義(五)柴油發(fā)動機1. 柴油機工作原理柴油發(fā)動機是一種壓燃式發(fā)動機,壓燃式發(fā)動機吸入氣缸的是純凈的空氣,并被壓縮到很高的溫度,柴油經噴射裝置以高壓噴入氣缸并與高溫空氣混合著火燃燒,對外作功，從而將化學能轉變?yōu)闄C械能。柴油發(fā)動機的優(yōu)點是：燃油消耗低，較低的有害廢氣排放。柴油發(fā)動機有四沖程也有二沖程的，汽車使用的柴油機多為四沖程。柴油機工作循環(huán)（四沖程）第一沖程 活塞由上死點向下運動，將空氣經打開的進氣門吸入氣缸，故而稱之為進氣沖程。第二沖程 活塞由下死點向上運動，進、排氣門關閉，氣缸內的空氣以14:1-24:1的壓縮比被壓縮，空氣升溫至800，在壓縮行程結束時，噴油器以

2、接近1500巴的壓力將柴油噴入氣缸。該沖程稱之為壓縮沖程。第三沖程 在一定的發(fā)火延遲后，霧化的燃油與空氣混合自行發(fā)火燃燒，氣缸內空氣壓力迅速升高，推動活塞下行對外作功。該沖程稱之為作功沖程。第四沖程 活塞向上運動，排氣門打開，燃燒的廢氣被排出氣缸。該沖程稱之為排氣沖程。然后，新鮮的空氣再次被吸入，一個新的工作循環(huán)由開始了。2.柴油發(fā)動機的總體構造柴油機由許多機構和裝置組成,其機構型式很多,不同機型每一種機構的機構不一定相同,但這些機構的共同的目的是使發(fā)動機能很好的進行工作循環(huán),將燃燒產生的熱能轉變?yōu)闄C械能,保證發(fā)動機長期正常工作。發(fā)動機由下列機構和系統組成：1 機體 機體構成發(fā)動機的骨架，所有

3、的運動件都裝在它上面，而且其本身的許多部分又分別為曲柄連桿機構、配氣機構、供給系、冷卻系、潤滑系的組成部分。汽缸蓋和汽缸壁共同組成燃燒室的一部分，是承受高溫與高壓的機件。2 曲柄連桿機構 曲柄連桿機構是發(fā)動機的主要運動件，它們的作用是將活塞在氣缸中往復運動轉變?yōu)榍S的旋轉運動，在膨脹行程中氣缸內氣體對活塞頂的壓力通過曲柄連桿機構的傳遞變成扭矩輸出，因此它是往復式發(fā)動機傳遞動力的機構。3 配氣機構 配氣機構的作用是使新鮮空氣及時沖入氣缸并從氣缸及時排出廢氣。4 供給系 柴油機供給系的作用是把經過過濾的柴油在規(guī)定的時間內以一定的壓力噴入氣缸。5 冷卻系 冷卻系的作用是利用冷卻水或空氣作為介質，將受

4、熱零件所接受的熱量及時傳遞出去，保證發(fā)動機在高溫環(huán)境中正常工作。6 潤滑系 潤滑系的作用是將機油送到發(fā)動機運動件的摩擦表面，以減少運動件的摩擦阻力，并部分地冷卻摩擦表面，清洗摩擦表面。7 起動系 起動系的作用是依靠起動機的外力作用，使發(fā)動機由靜止狀態(tài)轉入工作狀態(tài)。3.柴油發(fā)動機原理及與汽油發(fā)動機對比KARNOT循環(huán) 為實現理想KARNOT循環(huán)，必須有這么一個氣缸，它能導熱同時也絕熱，這可以在原理圖中用簡單的方法描述。下面PV圖所示循環(huán)過程包括兩個恒溫過程和絕熱過程?；钊跉飧字袩o摩擦運動，實現工況變化。KARNOT循環(huán)圖 燃料空氣混合氣分兩步壓縮。從點1至點2的第一個過程是恒溫過程。這時必須散

5、熱，氣缸必須是導熱的。壓縮產生的熱量必須無損失地傳入冷卻液中。整個過程溫度不變，壓力升高，體積減小。下一個壓縮階段為絕熱過程，它意味著壓力和溫度升高，氣缸在這時是絕熱的。壓縮過程后，高溫高壓氣體從點3開始膨脹。點3至點4的第一階段是恒溫的，它從外界接受熱量。從點4至點1繼續(xù)膨脹，這是絕熱過程，壓力和溫度降低。 整個循環(huán)過程能實現極高的熱效率。熱效率與壓縮最高溫度和環(huán)境溫度之差有關。當允許膨脹至絕對零度-273K,熱效率將達到100%。Otto循環(huán)過程 Otto燃燒過程也被稱為定容燃燒。工況變化通過對壓縮燃料空氣混合氣外部點火導入。正如從圖中看到的，在點2和點3之間壓力升高而沒有容積變化。點火時

6、火焰前沿在氣缸內快速前進(15-20m/s)，壓力迅速升高。OTTO循環(huán)圖 我們現在根據PV圖跟蹤循環(huán)過程：點1活塞到達氣缸下止點，進氣行程結束?；钊^續(xù)上行，壓力和溫度升高，混合氣被絕熱壓縮。在點2，混合氣壓縮達到其最高值?，F在通過外部點火，燃燒導入。壓力迅速升高，同時沒有容積的變化。圖中點3溫度和壓力達到最高點。膨脹過程開始。系統做功，活塞從上止點到下止點向下移動。點3至點4之間的膨脹過程是絕熱的，壓力和溫度降低。在點4至點1之間排出膨脹氣體的剩余能量，大約1/3的機械能損失。 此理論等容圖被稱作示功圖。用傳感器能測量不同轉速時示功圖，通過它們能清楚看出機器的燃料利用程度和功率特性。下圖是

7、一個實際示功圖和理論循環(huán)圖的對比。OTTO實際示功圖和理論循環(huán)對比圖 幾乎所有實際工況和理論工況都有偏差。這意味著功率的損失。可分為如下幾方面：·燃燒延遲·熱量散失至冷卻液中·氣缸中的渦流·排氣和進氣負功以及·機械損失 如果把燃料能量看作100%，那么只有1/3轉換成機械功，1/3由排氣帶走，另外1/3由冷卻液帶走。為利用排氣中的能量，人們引入了排氣渦輪增壓的概念。實際示功圖中循環(huán)過程下面一個回路，在大氣壓力線各有很窄的一部分。對內燃機來說，整個回路都是負功。今天的Otto發(fā)動機約有30%的熱效率。柴油發(fā)動機循環(huán)圖 柴油機原理，同樣以KARNO

8、T循環(huán)為基礎。通過與理論循環(huán)過程較好的近似，效率得以提高。與Otto發(fā)動機相比，自燃發(fā)動機在缸內形成混合氣，這意味空氣能被壓縮到很高溫度（約700至900），柴油通過噴嘴噴入燃燒室，引起燃燒。人們稱柴油機循環(huán)過程為恒壓過程。燃燒，這里叫熱量輸送，近似于等壓過程。我們來仔細看看柴油機理論循環(huán)過程圖：柴油發(fā)動機理論循環(huán)圖 點1為進氣行程結束點，活塞處在氣缸下止點。吸入的空氣被活塞從下止點絕熱壓縮至上止點。工況變化時氣體與環(huán)境不發(fā)生熱交換，壓力和溫度升高。點2和點3之間，燃油噴入高度壓縮的熱空氣中，并通過自燃燃燒。噴入燃油的數量如此限定，活塞回程開始時壓力保持不變（恒壓）。點3為噴射結束點，達到最高

9、燃燒溫度。點3和4之間為絕熱膨脹，壓力和溫度降低。點4對應曲軸的某一位置，在這點排氣門打開。在近似于等容的過程中，溫度和壓力迅速降低。在此圖中沒有給出大氣壓力上下的回路，同Otto發(fā)動機一樣都是負功。循環(huán)過程陰影部分面積為理論功W。效率與壓縮比和噴油量有關。理論上如壓縮比無限升高，將得到最高的效率。實際上將受材料熱負荷以及機器的裝配尺寸的限制。 柴油機的實際循環(huán)圖與Otto發(fā)動機一樣，只是近似于理論循環(huán)。工況變化為多變過程。柴油發(fā)動機實際循環(huán)圖柴油發(fā)動機和Otto發(fā)動機對比 柴油機與Otto發(fā)動機相比，比較省油，HC和CO排放值小。但Nox和顆粒排放增加，噪聲排放也增加。但柴油機排放一個重要的

10、優(yōu)勢是它能保持長時間的穩(wěn)定。汽油機使用3元催化轉化器，排放特性容易隨時間而惡化。四個沖程的對比吸氣行程壓縮行程作功行程排氣行程汽油機吸入汽油空氣混合氣混合氣被壓縮至11-18 bar,溫度400- 600通過火花塞點燃混合氣排出燃燒完的氣體柴油機吸入空氣空氣被壓縮至30-60 bar,溫度700- 900柴油噴入高度壓縮的空氣里，產生自燃排出燃燒完的氣體特征值比較汽油機柴油機壓縮比 6 11：1 21 30：1壓縮壓力bar 11 18 30 - 60壓縮溫度 400-600 700-900燃燒最高壓力bar 40-60 65 - 90全負荷排氣溫度 700-1000 500-600轉速（平均

11、值）l/min 5000-6000 4000低速扭矩小 大升功率kW/l 高 低總效率% 15 30 25 - 40點火方式 外部點火 自燃 4.柴油發(fā)動機燃燒方法 柴油發(fā)動機混合氣形成是在氣缸內不均勻形成的，柴油以噴射油束的形式進入缸內，與現存空氣混合成可燃混合氣。這種混合氣形成方式使質量調節(jié)成為可能，既轉速和負荷只由噴入氣缸內的燃油質量控制，而不象汽油機一樣通過進氣節(jié)流調節(jié)（數量調節(jié)）?；旌蠚庑纬?空燃比將通過過量空氣系數描述：=吸入的空氣量/理論空氣需要量 1千克柴油完全燃燒需要14，5千克空氣，這時過量空氣系數=1。燃燒能夠發(fā)生，混合氣應處在0，31，5范圍內。柴油發(fā)動機噴油后形成的不

12、均勻混合氣覆蓋了=（油束區(qū)域外的純凈空氣）至=0（油束中心的純燃油）。為了在氣缸內盡可能大的區(qū)域形成可燃混合氣，需通過擴散和紊流形成質量傳遞。噴入的油霧和空氣之間的相對速度越大，通過擴散形成混合氣的過程完成得越快。這就要求高的噴射速度和噴射壓力，以及空氣在燃燒室中形成強的渦流（Verwirelung）。優(yōu)化的燃燒室形狀和活塞的運動如擠氣間隙將決定紊流(Turbulenzen)的形成。·燃燒過程 柴油發(fā)動機燃燒方式從根本上決定了其熱力學品質和噪聲特性。燃油噴入燃燒室后到一個可測量的壓力升高（燃燒開始），存在一個約幾個微秒的滯后。這就是點火滯后，由混合氣的制備，空氣的溫度和壓力決定。燃油

13、的質量同樣對其有影響。柴油發(fā)動機燃燒過程 隨后的燃燒可分為兩個階段： 第一階段：在點火延遲期間噴入的燃油揮發(fā)，隨后突然燃燒。這種燃燒導致了一個很陡的壓力升高，這就是著名的柴油機敲擊，噪聲污染的源泉。原因是點火延遲期間建立的易燃混合氣。點火延遲時間的縮短，如通過進氣預熱，增壓和高壓縮比，將有利于噪聲特性的改善。第二階段：壓燃后噴入的燃油與空氣混合并燃燒。這個過程的長短取決于壓燃后噴入的燃油形成混合氣的情況。這個階段的燃燒幾乎只由混合過程決定，較差的混合氣建立過程將導致碳煙的形成。柴油機燃燒過程的最后階段，也被稱為后燃，相對來說燃油轉換成可燃混合氣的過程較慢。原因是氣體溫度的降低，燃燒室內紊流空氣

14、運動速度的減慢和燃燒終了階段氧氣含量的降低。它將對燃油消耗和碳煙的形成產生負面影響。為了實現與此相關的較佳的發(fā)動機性能，最終燃燒應該盡可能早和快。 通過適當的措施，決定噪聲特性、有害物質排放和經濟性的燃燒過程能夠優(yōu)化。原則是第一階段的轉換應盡可能弱，以達到一個較佳的噪聲特性。但要注意的是，不能由此使燃燒終了階段太遲，以避免煙度排放升高。這可以通過在點火延遲期間燃油噴射和空氣運動的優(yōu)化調整來實現。第一階段除點火需要的部分外，燃油應比較濃，由此保持惰性，第二階段可通過燃燒自身產生的附加空氣運動，最大程度加速混合的過程。理想的燃燒過程可通過合適的燃燒方法實現。5.捷達SDI用軸向分配泵(Vertei

15、lereinspritzpumpe VE)與直列泵相反，多缸發(fā)動機用的VE分配泵只有一個泵缸體和一個泵柱塞。泵柱塞將所需燃油通過一個分配螺母分配至發(fā)動機相應各缸。在分配泵密封的殼體內有下列功能組件： 帶分配器的高壓泵， 轉速調節(jié)器， 噴油起始調節(jié)器 低壓輸送泵-葉輪室和 燃油切斷裝置。如圖給出了VE泵的結構組件和它們的任務。分配泵驅動軸處于泵室里。它上面外部布置有低壓輸送泵-葉輪室。滑輪環(huán)在驅動軸后面，它不和驅動機構相連，同樣也布置在泵室里。通過沖程板(Hubscheibe)-它用滑輪環(huán)上的滑輪支撐并被驅動軸驅動-產生一個旋轉-前后運動，并傳遞到分配器柱塞上。VE-E泵：1.旋轉執(zhí)行電磁鐵 2

16、.滑套位置傳感器 3.與控制單元連接插口 4.轉軸 5.泵頭 6.供油起始時刻控制電磁閥 7.滑套 8.正時裝置分配泵燃油輸送是一個動態(tài)過程，它分成幾個沖程。噴射需要的壓力由柱塞泵產生。如圖所示，分配泵柱塞的運動將燃油分配至一個缸。這里例如對四缸機，柱塞從下死點至上死點的運動，分配泵柱塞轉1/4轉完成一次，對六缸機為1/6轉。分配泵輸送過程燃油輸送共分為4步：a. 進油在下止點，燃油通過進油管道和閥孔口進入高壓室b. 燃油輸送隨著軸向運動，分配柱塞關閉進油管道，使高壓室中的燃油保持一定壓力。隨著旋轉運動，分配槽開啟, 接通 與發(fā)動機汽缸相對應的出油管。c. 泄壓一旦調節(jié)塊打開控制孔，燃油輸送結束。d. 進油在柱塞回到下止點時，通過旋轉徑向運動，控制孔關閉。高壓室重新注油。燃油分配泵拆卸和安裝1- 燃油分配泵驅動輪固定螺栓·注意不同的零件（零件號不一樣）不同的安裝力矩2- 燃油分配泵驅動輪3- 輪轂螺母·無論什么情況都不能松動。分配泵的基本調整已經完成。4- 連接管·用于進油管。力矩28Nm。5- 密封環(huán)·更換6- 燃油切斷控制閥·力矩20 Nm。7- 連接管 ·用于回油管。力矩28Nm。8- 回油管·至燃油濾清器9- 壓緊螺母·25Nm。10- 高壓油管·擰緊力矩25Nm·彎曲