柴油机

用柴油作燃料的内燃机。柴油机属于压缩点火式发动机﹐它又常以主要发明者狄塞尔﹐R.的名字被称为狄塞尔引擎。吸入柴油机气缸内的空气因活塞的运动而受到较高程度的压缩﹐达到500～700℃的高温。燃油以雾状喷入高温空气中﹐与空气混合形成可燃混合气(见柴油机喷油系统)﹐自动着火燃烧。燃烧中释放的能量作用在活塞顶面上﹐推动活塞并通过连杆和曲轴转换为旋转的机械功。简史狄塞尔在1897年研制成功可供实用的四冲程柴油机。由于它明显地提高了热效率而引起人们的重视。起初﹐柴油机用空气喷射燃料﹐附属装置庞大笨重﹐只用于固定作业。20世纪初开始用于船舶。1905年制成第一台船用二冲程柴油机。1922年﹐德国的R.A.博施发明机械喷射装置﹐逐渐替代了空气喷射。20年代后期出现了高速柴油机﹐并开始用于汽车。到50年代﹐一些结构﹑性能更加完善的新型系列化﹑通用化的柴油机发展起来﹐从此柴油机进入了专业化大量生产阶段。特别是在采用了废气涡轮增压技术以后﹐柴油机已成为现代动力机械中最重要的部分﹐广泛应用于农业﹑工业﹑国防和交通运输等部门。分类柴油机可按不同特征分类﹕按转速分为高速﹑中速和低速柴油机﹔按燃烧室型式分为直接喷射式﹑涡流室式和预燃室式柴油机等﹔按气缸进气方式分为增压和非增压柴油机﹔按气体压力作用方式分为单作用式﹑双作用式和对置活塞式柴油机等﹔按用途分为船用柴油机﹑机车柴油机等。燃料柴油机燃料主要是柴油。通常﹐高速柴油机用轻柴油﹔中﹑低速柴油机用轻柴油或重柴油。柴油机用喷油泵和喷油器将燃油以高压喷入气缸。喷入的燃油呈雾状﹐与空气混合燃烧。因此柴油机可燃用挥发性较差的重质燃料或劣质燃料﹐如原油和渣油等。在燃用原油和渣油时﹐除须滤除杂质和水分外﹐还要对供油系统进行预热保温﹐降低黏度﹐以便输送和喷射。柴油机如采用某种合适的燃烧室也可燃用乙醇﹑汽油和甲醇等轻质燃料。为了改善轻质燃料的着火性﹐可加入添加剂提高十六烷值﹐或与柴油混合使用。一些气体燃料(如天然气﹑液化石油气﹑沼气和发生炉煤气等)也可作为柴油机的燃料﹐但这时通常以气体燃料为主﹐以少量柴油引燃﹐这种发动机称为双燃料内燃机。燃烧燃烧过程一般分为着火延迟期﹑速燃期﹑缓燃期和后燃期4个阶段。着火延迟期从燃料开始喷射到着火﹐其间经过喷散﹑加热蒸发﹑扩散﹑混合和初期氧化等一系列物理的和化学的准备过程。它是燃烧过程的一个重要参数﹐对燃烧放热过程的特性有直接影响。尤其是高速柴油机燃烧过程时间很短﹐着火延迟期就相对较长﹐易使工作过程粗暴﹐燃烧噪声大。为此﹐需要缩短着火延迟期和减少在此期间内形成的可燃混合气量。速燃期在着火延迟期内喷入燃烧室的燃料﹐在速燃期内几乎是同时燃烧的﹐所以放热速度很高﹐压力升高也特别快。缓燃期在这个阶段中燃料的燃烧取决于混合的速度。因此﹐加强燃烧室内的空气扰动和加速空气与燃料的混合﹐对保证燃料在上止点附近迅速而完全地燃烧有重要作用。后燃期柴油机的混合和燃烧时间很短﹐以致有些燃料不能在上止点附近及时烧完而拖到膨胀行程的后期﹐放出的热量未能得到充分利用﹐因此应尽量避免燃料在后燃期燃烧。燃烧室燃烧室的优劣对柴油机的性能有决定性的作用﹐因此它是柴油机设计的关键。燃烧室(见图柴油机燃烧室)按组织燃烧过程的特点和结构不同分为开式﹑半开式﹑预燃室式和涡流室式4类。前2类属于直接喷射式燃烧室﹔后2类属于分隔式燃烧室。开式燃烧室低速柴油机和部分中﹑高速柴油机主要用无涡流的开式燃烧室(图中a柴油机燃烧室)。燃烧室由气缸盖底面和活塞顶面形成具有一定形状的整体空间。用多孔喷油器(6～10孔)能使燃油雾化良好﹐并均匀分布在燃烧室空间。因此﹐开式燃烧室中的燃烧属于典型的空间式燃烧过程﹐要求燃烧室与油束形状和分布相配合。它的优点是燃料消耗率低﹐起动容易﹔缺点是燃料雾化要求高﹐难于适应变转速工作。半开式燃烧室小型高速柴油机大多采用有涡流的半开式燃烧室。这种燃烧室又分为多种类型﹐主要有ω型燃烧室﹑油膜式燃烧室和复合式燃烧室等。ω型燃烧室﹕一般将活塞顶上的凹坑加深﹐口部减小(图中b柴油机燃烧室)﹐喷油器为3～5孔。切向进气道或螺旋进气道造成进气涡流﹐在压缩行程中使大部分有涡流的空气进入燃烧室内增强涡流﹐促进混合气的形成和燃烧。这种燃烧室能适应高速和变速工作﹐并且燃料消耗率低﹐起动容易。但工作较粗暴﹐排气中氮氧化物NOX含量较多﹐对喷油系统要求也高。油膜式燃烧室﹕1956年由联邦德国的J.S.莫勒所发明。燃烧室位于活塞顶内﹐呈球形(图中c柴油机燃烧室)燃料喷向燃烧室壁面﹐大部分燃油在强涡流作用下喷涂在燃烧室壁面上﹐形成很薄的油膜﹐小部分燃油雾化分布在燃烧室空间并首先着火﹐随后即引燃从壁面上蒸发的燃料。这种燃烧室也称为油膜式燃烧系统﹐其中的燃烧过程又称为M燃烧过程。M燃烧过程可使工作过程柔和﹐燃烧完全﹐声轻无烟﹐并可使用轻质燃料。缺点是低温时起动较困难﹐低负荷时油膜蒸发困难﹐故排气中未燃的碳氢化合物含量略高。复合式燃烧室﹕1964年由中国的史绍熙等发明。燃烧室在活塞顶内呈深盆形﹐口部略有收缩(图中d柴油机燃烧室)﹐用特殊形状的进气道形成进气涡流﹐采用单孔轴针式喷油器。喷油器轴线与燃烧室壁面基本平行。燃料喷向燃烧室的周边空间。在涡流作用下﹐粗大的油粒散落在燃烧室壁面上形成油膜﹐细小的油粒在空间与空气混合。“油膜”部分和“空间”混合部分的比例可随柴油机工况而变化。当转速较高时﹐燃烧室涡流速度高﹐壁面上的油膜燃料量增多﹐具有油膜燃烧的特点﹔而在低转速和起动时﹐涡流速度低﹐空间混合的燃料量增多﹐这时具有空间式燃烧的特点﹐能改善冷起动性能。复合式燃烧室把油膜蒸发混合燃烧与空间混合燃烧合理地结合起来﹐兼有两者的优点﹐故又称为复合式燃烧系统﹐其工作过程柔和﹐可燃用多种燃料﹐对喷油系统要求低﹐而且起动容易。缺点是低负荷排气中未燃的碳氢化物含量较高。预燃室式燃烧室由预燃室和主燃烧室两部分组成(图中e柴油机燃烧室)。预燃室在气缸盖内﹐占压缩容积的25～40％﹐有一个或数个通孔与主燃烧室连通。燃料喷入预燃室中﹐着火后部分燃料燃烧﹐将未燃的混合物高速喷入主燃烧室﹐与空气进一步混合燃烧。这种燃烧室适用于中小功率柴油机。涡流室式燃烧室由涡流室和主燃烧室组成(图中f柴油机燃烧室)。涡流室位于气缸盖上﹐呈球形或倒钟形﹐占总压缩容积的50～80％﹐有切向信道与主燃烧室相通。在压缩行程时压入涡流室的空气产生强烈的涡流运动﹐促使喷入其中的燃料与空气混合。着火后混合物流入主燃烧室﹐形成二次流动﹐进一步与主燃烧室内的空气混合燃烧。涡流室燃烧室和预燃室燃烧室都用轴针式喷油器﹐喷油压力较低﹐工作可靠﹔由于涡流室内涡流随转速增高而加强﹐柴油机高转速时柴油和空气仍能很好地混合。涡流室式柴油机的转速可达4000转/分以上﹐工作过程柔和﹐排气中有害成分较少。但散热损失和气体流动损失大﹐而且后燃较严重﹐故燃料消耗率较高﹔冷车起动困难﹐往往需要加装预热塞。现状和发展柴油机具有热效率高的显著优点﹐其应用范围越来越广。70年代以来﹐最大的柴油机为船用低速二冲程柴油机﹐气缸直径达1060毫米﹐功率为40600千瓦﹐重达2000吨。大型化为制造﹑安装和维修带来困难﹐因此现代趋向于发展中速柴油机﹐气缸直径不超过650毫米﹐功率可达24000千瓦。中小功率柴油机的高速化﹐使柴油机可应用于轿车上﹐转速达4000～5000转/分﹐活塞平均速度在12～13米/秒以下。一般非增压柴油机的平均有效压力可达0.75～0.85兆帕﹐增压柴油机则最高可达2.1兆帕以上﹐70年代研制的超压比增压柴油机甚至达3.0兆帕。随着强化程度的提高﹐柴油机单位功率的重量也显著降低﹐轻型汽车用柴油机已达3.35～4.7千克/千瓦。为了节能﹐各国都在注重改善燃烧过程﹐研究燃用低质燃油和非石油制品燃料。此外﹐降低摩擦损失﹑广泛采用废气涡轮增压并提高增压度﹑进一步轻量化﹑高速化﹑低油耗﹑低噪声和低污染﹐都是柴油机的重要发展方向。参考书目西安交通大学内燃机教研室编﹕《内燃机原理》﹐中国农业机械出版社﹐北京﹐1981。