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柴油机的原理

放大字体  缩小字体        发布日期:2012-08-11   来源:   浏览次数:1363
柴油机工作原理
博闻网最受欢迎的文章之一是汽车发动机工作原理。这篇文章介绍了内燃的基本原理,论述了四冲程循环和有助于汽车发动机实现其功能的所有子系统。此文章发表后的很长一段时间里,读者反馈最多的问题是“汽油机与柴油机的不同之处是什么”。
 
如果您没有读过汽车发动机工作原理一文,您可能先要阅读这篇文章以了解内燃的基本原理。不过请尽快回到本文——它将为您解开柴油机的奥秘并介绍一些最新发展。
鲁道夫·狄赛尔提出了柴油机这一概念,并于1892年在德国申请到专利。其目标是生产一种高效发动机。汽油机发明于1876 年,效率并非很高,尤其在当时。
 
汽油机和柴油机的主要差异是
*       汽油机吸入燃料与空气的混合物并将其压缩,然后通过火花将混合物点燃。柴油机只吸入空气并将其压缩,然后将燃油喷入压缩空气。压缩空气产生的热量就能将燃油点燃。
*       汽油机的压缩比为8:1至12:1,而柴油机的压缩比为14:1,甚至能达到25:1。由于柴油机具有更高的压缩比,因此效率也更高。
*       汽油机通常使用汽化作用,即在空气进入气缸或油口之前,空气与燃油早已混合;或使用油口燃油喷射,即在开始进气冲程(气缸外)之前喷射燃油。柴油机采用直喷式,即柴油被直接喷入气缸。
下图是柴油循环的动画演示。可将其与汽油机的动画演示比较一下,看看有哪些地方不同:

 
Baris Mengutay供图
注意柴油机没有火花塞,它吸入并压缩空气,然后将燃油直接喷入燃烧腔(直喷式)。其实是压缩空气产生的热量点燃了柴油机的燃油。
柴油机的喷油器是其最为复杂的部件,并且曾经是大量试验的课题。因为具体到每一台发动机,其喷油器的位置都可能各不相同。喷油器应当能够承受气缸内部的温度和压力,同时使喷出的燃油呈细密的雾状。使气缸内部循环的油雾能够均匀分布也是一个问题,因此一些柴油机采用特殊的感应阀、预燃烧腔或其他装置,以使气流在燃烧腔内呈旋涡状,或者改进点火和燃烧过程。
柴油机与汽油机之间一项很大的差异是其注入步骤不同。大多数汽车发动机(汽油机)采用油口喷射或使用化油器,而不采用直喷。因此在汽车发动机内部,全部燃油在进气冲程期间被注入到气缸中,然后被压缩。燃油与空气的混合物的压缩限制了发动机的压缩比,因为如果过度压缩空气,燃油与空气的混合物将自行点燃并导致爆震。而柴油机仅压缩空气,因此压缩比可比汽油机高出许多。压缩比越高,产生的马力也就越大。
一些柴油机包含某种预热塞(图内未显示)。当柴油机温度较低时,压缩过程无法将空气升至燃油的燃点。预热塞是一个电热线圈(想象在烤箱里看到的热线圈),它可在发动机低温时点燃燃油,从而起动发动机。克雷•布莱斯顿是一位经验丰富的重型设备技师,他认为:
现代发动机的全部功能均通过ECM与复杂传感器组的通信进行控制,这些传感器测量包括R.P.M.、发动机冷却液和机油的温度,以及发动机位置(即T.D.C.)等所有数据。如今的大型发动机很少采用预热塞。ECM检测环境温度并使发动机在寒冷天气下延迟计时,因此喷油器会延时喷油。气缸内的空气受到的压缩程度越高,就会产生更多辅助起动的热量。
较小的发动机以及没有先进计算机控制的发动机采用预热塞解决冷起动问题。
柴油
如果将柴油与汽油作比较,您会发现它们是不同的。它们闻起来不同。柴油更重,油性也更大。柴油汽化比汽油慢很多,实际上它的沸点比水的沸点要高出许多。
由于柴油较重,所以蒸发很慢。比起汽油来,它含有更多更长的碳原子链(汽油一般是C9H20,而柴油一般是C14H30)。生产柴油时的精炼过程较少,所以柴油比汽油便宜。
柴油比汽油有更高的能量密度。平均算来,3.8升的柴油含有约155x106焦耳能量,而3.8升的汽油含有132x106焦耳。这一优势结合柴油机更高的效率,说明了柴油机比汽油机里程费用低的原因。
二冲程柴油机工作原理
柴油机工作原理一文介绍了汽车和卡车中常见的四冲程柴油机。二冲程发动机工作原理一文介绍了在链锯、轻便摩托车和游艇中使用的小型二冲程发动机。在机车、大型轮船和发电设备中使用的大型柴油机通常将柴油机技术与二冲程循环结合使用。
在本篇博闻网文章中,我们将探讨二冲程柴油机技术,同时了解使用该技术的大型发动机。
二冲程柴油机的循环

如果您阅读过二冲程发动机工作原理,就会了解二冲程与四冲程发动机之间一个很大的区别在于发动机产生的功率不同。二冲程发动机中火花塞的点火次数是四冲程的两倍——二冲程发动机中的曲轴旋转一周点火一次,而在四冲程发动机中曲轴旋转两周才点火一次。也就是说,二冲程发动机能够产生的功率是同等容积四冲程发动机功率的两倍。
这篇关于二冲程发动机的文章还说明了汽油与空气进行混合和压缩的汽油发动机循环对于二冲程式设计并不是一个最好的解决办法。问题就在于每次给气缸添加空气和燃油的混合物时总会泄漏一些未充分燃烧的燃油。
柴油机的方法是先只压缩空气,然后将燃油直接喷入压缩空气中。此方法更适合于二冲程循环。因此很多大型柴油机的生产厂商使用这种方法制造大马力的发动机。
下图所示为典型的二冲程柴油机的结构图
气缸顶部是同时开放的排气门,一般有两个或四个。还有一个柴油机燃料的喷射器(上图黄色部分所示)。与二冲程汽油发动机一样,活塞被拉伸以起到入口阀的作用。活塞在到达其行程底端时进气口被打开。涡轮增压器增压器(浅蓝色部分)会对进入的空气进行压缩。与四冲程发动机一样,曲轴箱是密封的并且里面装有汽油。
二冲程柴油机的循环过程如下:
1.     当活塞在其行程顶端时,气缸会储满高压气体。用喷油器将柴油喷入气缸,缸体内的高温和高压使得柴油立即点燃。该过程与柴油机工作原理中所描述的过程相同。
2.      燃料燃烧所产生的压力驱动活塞向下运动。这就是动力冲程。
3.     当活塞接近冲程底端时,所有的排气门都打开。废气排出缸体,气压降低。
4.     当活塞到达行程底端时,就打开了进气口。受压空气填充气缸,并排出剩余废气。
5.     关闭排气门,活塞上移,重新关闭进气口并且压缩新充入的空气。这就是压缩冲程。
6.     当活塞接近缸顶时,该循环将重复步骤1。
根据本说明,可以看出二冲程柴油机和二冲程汽油机之间的巨大差异:在柴油机中,向气缸注入的只有空气,而不是油气混合体。这意味着二冲程柴油机不会产生困扰二冲程汽油发动机的环境问题。另外,二冲程柴油机必须有涡轮增压器增压器,这意味着在链锯中不会安装二冲程柴油机,因为那样太昂贵了。
通用EMD发动机
通用EMD发动机是一种典型的二冲程柴油机。这种发动机是在20世纪30年代发明的,美国的大量柴油机车采用了这种发动机。EMD生产线有三种系列的产品:567系列、645系列和710系列。数字指的是每个气缸的立方英寸数,通常一个发动机有16个气缸(总排量相当于163.9 升!)。如果您认为汽车中的5升发动机就非常大了,那么这种EMD发动机更是巨大无比!
以下是EMD 645E3发动机的一些技术指标:
*       缸径——23.1厘米
*       活塞行程——25.4厘米
*       每个气缸的排量——10。7升
*       气缸数量——16或20个
*       压缩比——14。5:1
*       每个气缸的排气门数——4个
*       发动机重量——
*       16气缸:15,661公斤
*       20气缸:18,209公斤(相比之下,光是油底盘就重1吨以上!)
*       怠速——315转/分
*       全速——900转/分
这些发动机的额定功率一般为4,300匹马力!
汽油、煤油、柴油的区别是什么?
从地下抽出的原油是一种黑色的液体,称为石油。 这种液体包含脂肪族碳氢化合物,或者仅由氢和碳组成的碳氢化合物。碳原子链接在一起,形成不同长度的碳链。
实践证明,不同长度的烃分子的特性各不相同。 例如,只有一个碳原子(CH4) 的链是最轻的链,我们称之为甲烷。甲烷是一种气体,它的质量很轻,可以像一样漂浮在空气中。随着链变长,它们也将变得更重一些。
前四种链(CH4(甲烷)、C2H6(乙烷)、C3H8(丙烷)和C4H10(丁烷))都是气体,它们的沸点分别是-107、-67, -43 和-18℃。 从C18H32开始以上的链,在室温下均为液体,而C19以上的链在室温下则全都是固体。
不同长度的碳链,其沸点将随长度升高,因此可以通过蒸馏的方式将它们分离。 这就是在炼油厂所要进行的处理,对原油进行加热,不同长度的碳链将在各自的汽化温度时被分离出来。(有关详细信息,请参见如何进行石油精炼。)
C5C6C7范围内的碳链都是非常轻、极易蒸发的清澈液体,称为石脑油。它们将用作溶液,如干洗液就可以用它来制造,还可以将其制成油漆溶剂和其他快干产品。
C7H16C11H24的碳链混合在一起,可用作汽油。 所有这些碳链的蒸发温度都低于水的沸点。这就是为什么当我们将汽油洒在地上时,它便会快速蒸发的原因。
煤油在C12C15的范围内,后面紧跟着的是柴油燃料和更重的燃料油(例如供房子取暖用的取暖用油)。
接下来是润滑油。这些油在常温下不会蒸发。 例如,机油可以长时间在121℃的条件下运行而不蒸发。这些油当中,既包含非常轻(如3合1油)的油,也包含不同粘稠度的车用机油,还包含非常粘稠的齿轮油以及半固体润滑脂。 凡士林也属于这类油。
高于C20范围的碳链将形成固体,从石蜡开始,然后是焦油,最后是用于铺设沥青路面的沥青。
以上这些不同的物质全都源于原油。它们之间的唯一区别就是碳链的长度不一样!
 
 
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