发动机培训讲义五柴油发动机教材.docx

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发动机培训讲义五柴油发动机教材

发动机知识培训讲义（五）

柴油发动机

1.柴油机工作原理

柴油发动机是一种压燃式发动机,压燃式发动机吸入气缸的是纯净的空气,并被压缩到很高的温度,柴油经喷射装置以高压喷入气缸并与高温空气混合着火燃烧,对外作功，从而将化学能转变为机械能。

柴油发动机的优点是：

燃油消耗低，较低的有害废气排放。

柴油发动机有四冲程也有二冲程的，汽车使用的柴油机多为四冲程。

柴油机工作循环（四冲程）

第一冲程活塞由上死点向下运动，将空气经打开的进气门吸入气缸，故而称之为进气冲程。

第二冲程活塞由下死点向上运动，进、排气门关闭，气缸内的空气以14:

1-24:

1的压缩比被压缩，空气升温至800℃，在压缩行程结束时，喷油器以接近1500巴的压力将柴油喷入气缸。

该冲程称之为压缩冲程。

第三冲程在一定的发火延迟后，雾化的燃油与空气混合自行发火燃烧，气缸内空气压力迅速升高，推动活塞下行对外作功。

该冲程称之为作功冲程。

第四冲程活塞向上运动，排气门打开，燃烧的废气被排出气缸。

该冲程称之为排气冲程。

然后，新鲜的空气再次被吸入，一个新的工作循环由开始了。

2.柴油发动机的总体构造

柴油机由许多机构和装置组成,其机构型式很多,不同机型每一种机构的机构不一定相同,但这些机构的共同的目的是使发动机能很好的进行工作循环,将燃烧产生的热能转变为机械能,保证发动机长期正常工作。

发动机由下列机构和系统组成：

1．机体机体构成发动机的骨架，所有的运动件都装在它上面，而且其本身的许多部分又分别为曲柄连杆机构、配气机构、供给系、冷却系、润滑系的组成部分。

汽缸盖和汽缸壁共同组成燃烧室的一部分，是承受高温与高压的机件。

2．曲柄连杆机构曲柄连杆机构是发动机的主要运动件，它们的作用是将活塞在气缸中往复运动转变为曲轴的旋转运动，在膨胀行程中气缸内气体对活塞顶的压力通过曲柄连杆机构的传递变成扭矩输出，因此它是往复式发动机传递动力的机构。

3．配气机构配气机构的作用是使新鲜空气及时冲入气缸并从气缸及时排出废气。

4．供给系柴油机供给系的作用是把经过过滤的柴油在规定的时间内以一定的压力喷入气缸。

5．冷却系冷却系的作用是利用冷却水或空气作为介质，将受热零件所接受的热量及时传递出去，保证发动机在高温环境中正常工作。

6．润滑系润滑系的作用是将机油送到发动机运动件的摩擦表面，以减少运动件的摩擦阻力，并部分地冷却摩擦表面，清洗摩擦表面。

7．起动系起动系的作用是依靠起动机的外力作用，使发动机由静止状态转入工作状态。

3.柴油发动机原理及与汽油发动机对比

KARNOT循环

为实现理想KARNOT循环，必须有这么一个气缸，它能导热同时也绝热，这可以在原理图中用简单的方法描述。

下面PV图所示循环过程包括两个恒温过程和绝热过程。

活塞在气缸中无摩擦运动，实现工况变化。

KARNOT循环图

燃料空气混合气分两步压缩。

从点1至点2的第一个过程是恒温过程。

这时必须散热，气缸必须是导热的。

压缩产生的热量必须无损失地传入冷却液中。

整个过程温度不变，压力升高，体积减小。

下一个压缩阶段为绝热过程，它意味着压力和温度升高，气缸在这时是绝热的。

压缩过程后，高温高压气体从点3开始膨胀。

点3至点4的第一阶段是恒温的，它从外界接受热量。

从点4至点1继续膨胀，这是绝热过程，压力和温度降低。

整个循环过程能实现极高的热效率。

热效率与压缩最高温度和环境温度之差有关。

当允许膨胀至绝对零度-273K,热效率将达到100%。

Otto循环过程

Otto燃烧过程也被称为定容燃烧。

工况变化通过对压缩燃料空气混合气外部点火导入。

正如从图中看到的，在点2和点3之间压力升高而没有容积变化。

点火时火焰前沿在气缸内快速前进（15-20m/s），压力迅速升高。

OTTO循环图

我们现在根据PV图跟踪循环过程：

点1活塞到达气缸下止点，进气行程结束。

活塞继续上行，压力和温度升高，混合气被绝热压缩。

在点2，混合气压缩达到其最高值。

现在通过外部点火，燃烧导入。

压力迅速升高，同时没有容积的变化。

图中点3温度和压力达到最高点。

膨胀过程开始。

系统做功，活塞从上止点到下止点向下移动。

点3至点4之间的膨胀过程是绝热的，压力和温度降低。

在点4至点1之间排出膨胀气体的剩余能量，大约1/3的机械能损失。

此理论等容图被称作示功图。

用传感器能测量不同转速时示功图，通过它们能清楚看出机器的燃料利用程度和功率特性。

下图是一个实际示功图和理论循环图的对比。

OTTO实际示功图和理论循环对比图

几乎所有实际工况和理论工况都有偏差。

这意味着功率的损失。

可分为如下几方面：

·燃烧延迟

·热量散失至冷却液中

·气缸中的涡流

·排气和进气负功以及

·机械损失

如果把燃料能量看作100%，那么只有1/3转换成机械功，1/3由排气带走，另外1/3由冷却液带走。

为利用排气中的能量，人们引入了排气涡轮增压的概念。

实际示功图中循环过程下面一个回路，在大气压力线各有很窄的一部分。

对内燃机来说，整个回路都是负功。

今天的Otto发动机约有30%的热效率。

柴油发动机循环图

柴油机原理，同样以KARNOT循环为基础。

通过与理论循环过程较好的近似，效率得以提高。

与Otto发动机相比，自燃发动机在缸内形成混合气，这意味空气能被压缩到很高温度（约700至900℃），柴油通过喷嘴喷入燃烧室，引起燃烧。

人们称柴油机循环过程为恒压过程。

燃烧，这里叫热量输送，近似于等压过程。

我们来仔细看看柴油机理论循环过程图：

柴油发动机理论循环图

点1为进气行程结束点，活塞处在气缸下止点。

吸入的空气被活塞从下止点绝热压缩至上止点。

工况变化时气体与环境不发生热交换，压力和温度升高。

点2和点3之间，燃油喷入高度压缩的热空气中，并通过自燃燃烧。

喷入燃油的数量如此限定，活塞回程开始时压力保持不变（恒压）。

点3为喷射结束点，达到最高燃烧温度。

点3和4之间为绝热膨胀，压力和温度降低。

点4对应曲轴的某一位置，在这点排气门打开。

在近似于等容的过程中，温度和压力迅速降低。

在此图中没有给出大气压力上下的回路，同Otto发动机一样都是负功。

循环过程阴影部分面积为理论功W。

效率与压缩比和喷油量有关。

理论上如压缩比无限升高，将得到最高的效率。

实际上将受材料热负荷以及机器的装配尺寸的限制。

柴油机的实际循环图与Otto发动机一样，只是近似于理论循环。

工况变化为多变过程。

柴油发动机实际循环图

柴油发动机和Otto发动机对比

柴油机与Otto发动机相比，比较省油，HC和CO排放值小。

但Nox和颗粒排放增加，噪声排放也增加。

但柴油机排放一个重要的优势是它能保持长时间的稳定。

汽油机使用3元催化转化器，排放特性容易随时间而恶化。

四个冲程的对比

吸气行程

压缩行程

作功行程

排气行程

汽油机

吸入汽油空气混合气

混合气被压缩至11-18bar,温度400-600℃

通过火花塞点燃混合气

排出燃烧完的气体

柴油机

吸入空气

空气被压缩至30-60bar,温度700-900℃

柴油喷入高度压缩的空气里，产生自燃

排出燃烧完的气体

特征值比较

汽油机柴油机

压缩比6–11：

121–30：

1

压缩压力bar11–1830-60

压缩温度℃400-600700-900

燃烧最高压力bar40-6065-90

全负荷排气温度℃700-1000500-600

转速（平均值）l/min5000-60004000

低速扭矩小大

升功率kW/l高低

总效率%15–3025-40

点火方式外部点火自燃

4.柴油发动机燃烧方法

柴油发动机混合气形成是在气缸内不均匀形成的，柴油以喷射油束的形式进入缸内，与现存空气混合成可燃混合气。

这种混合气形成方式使质量调节成为可能，既转速和负荷只由喷入气缸内的燃油质量控制，而不象汽油机一样通过进气节流调节（数量调节）。

混合气形成

空燃比将通过过量空气系数λ描述：

λ=吸入的空气量/理论空气需要量

1千克柴油完全燃烧需要14，5千克空气，这时过量空气系数λ=1。

燃烧能够发生，混合气应处在0，3〈λ〈1，5范围内。

柴油发动机喷油后形成的不均匀混合气覆盖了λ=∞（油束区域外的纯净空气）至λ=0（油束中心的纯燃油）。

为了在气缸内尽可能大的区域形成可燃混合气，需通过扩散和紊流形成质量传递。

喷入的油雾和空气之间的相对速度越大，通过扩散形成混合气的过程完成得越快。

这就要求高的喷射速度和喷射压力，以及空气在燃烧室中形成强的涡流（Verwirelung）。

优化的燃烧室形状和活塞的运动如挤气间隙将决定紊流（Turbulenzen）的形成。

·燃烧过程

柴油发动机燃烧方式从根本上决定了其热力学品质和噪声特性。

燃油喷入燃烧室后到一个可测量的压力升高（燃烧开始），存在一个约几个微秒的滞后。

这就是点火滞后，由混合气的制备，空气的温度和压力决定。

燃油的质量同样对其有影响。

柴油发动机燃烧过程

随后的燃烧可分为两个阶段：

第一阶段：

在点火延迟期间喷入的燃油挥发，随后突然燃烧。

这种燃烧导致了一个很陡的压力升高，这就是著名的‘柴油机敲击’，噪声污染的源泉。

原因是点火延迟期间建立的易燃混合气。

点火延迟时间的缩短，如通过进气预热，增压和高压缩比，将有利于噪声特性的改善。

第二阶段：

压燃后喷入的燃油与空气混合并燃烧。

这个过程的

长短取决于压燃后喷入的燃油形成混合气的情况。

这个阶段的燃烧几乎只由混合过程决定，较差的混合气建立过程将导致碳烟的形成。

柴油机燃烧过程的最后阶段，也被称为‘后燃’，相对来说燃油转换成可燃混合气的过程较慢。

原因是气体温度的降低，燃烧室内紊流空气运动速度的减慢和燃烧终了阶段氧气含量的降低。

它将对燃油消耗和碳烟的形成产生负面影响。

为了实现与此相关的较佳的发动机性能，最终燃烧应该尽可能早和快。

通过适当的措施，决定噪声特性、有害物质排放和经济性的燃烧过程能够优化。

原则是第一阶段的转换应尽可能弱，以达到一个较佳的噪声特性。

但要注意的是，不能由此使燃烧终了阶段太迟，以避免烟度排放升高。

这可以通过在点火延迟期间燃油喷射和空气运动的优化调整来实现。

第一阶段除点火需要的部分外，燃油应比较浓，由此保持惰性，第二阶段可通过燃烧自身产生的附加空气运动，最大程度加速混合的过程。

理想的燃烧过程可通过合适的燃烧方法实现。

5.捷达SDI用轴向分配泵（VerteilereinspritzpumpeVE）

与直列泵相反，多缸发动机用的VE分配泵只有一个泵缸体和一个泵柱塞。

泵柱塞将所需燃油通过一个分配螺母分配至发动机相应各缸。

在分配泵密封的壳体内有下列功能组件：

△带分配器的高压泵，

△转速调节器，

△喷油起始调节器

△低压输送泵-叶轮室和

△燃油切断装置。

如图给出了VE泵的结构组件和它们的任务。

分配泵驱动轴处于

泵室里。

它上面外部布置有低压输送泵-叶轮室。

滑轮环在驱动轴后

面，它不和驱动机构相连，同样也布置在泵室里。

通过冲程板

（Hubscheibe）-它用滑轮环上的滑轮支撑并被驱动轴驱动-产生一个

旋转-前后运动，并传递到分配器柱塞上。

VE-E泵：

1.旋转执行电磁铁2.滑套位置传感器3.与控制单元连接插口4.转轴5.泵头6.供油起始时刻控制电磁阀7.滑套8.正时装置

分配泵燃油输送是一个动态过程，它分成几个冲程。

喷射需要的压力由柱塞泵产生。

如图所示，分配泵柱塞的运动将燃油分配至

一个缸。

这里例如对四缸机，柱塞从下死点至上死点的运动，分配

泵柱塞转1/4转完成一次，对六缸机为1/6转。

分配泵输送过程

燃油输送共分为4步：

a.进油－－在下止点，燃油通过进油管道和阀孔口进入高压室

b.燃油输送－－随着轴向运动，分配柱塞关闭进油管道，使高压室中的燃油保持一定压力。

随着旋转运动，分配槽开启,

接通与发动机汽缸相对应的出油管。

c.泄压－－一旦调节块打开控制孔，燃油输送结束。

d.进油－－在柱塞回到下止点时，通过旋转－径向运动，控制孔关闭。

高压室重新注油。

燃油分配泵拆卸和安装

1-燃油分配泵驱动轮固定螺栓

·注意不同的零件（零件号不一样）不同的安装力矩

2-燃油分配泵驱动轮

3-轮毂螺母

·无论什么情况都不能松动。

分配泵的基本调整已经完成。

4-连接管

·用于进油管。

力矩28Nm。

5-密封环

·更换

6-燃油切断控制阀

·力矩20Nm。

7-连接管

·用于回油管。

力矩28Nm。

8-回油管

·至燃油滤清器

9-压紧螺母

·25Nm。

10-高压油管

·拧紧力矩25Nm

·弯曲形状不能改变

11-连接管

·带压力阀

·拧紧力矩45Nm

12-螺栓

·拧紧力矩25Nm

13-喷油嘴

·3缸带针阀升程传感器-G80

·拆装和检验

14-压板螺栓

·拧紧力矩20Nm

15-压板

16-支架轴承

17-隔热垫

·更换

18-螺栓

·拧紧力矩12Nm

19-喷油起始控制阀-N108

20-O型环

21-滤网

22-螺栓

·拧紧力矩30Nm

23-轴套

·带螺母

24-分配泵支架

25-固定螺栓

·拧紧力矩30Nm