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船用柴油机的工作原理

       二冲程柴油机的工作原理Two stroke diesel engine work principle   

通过活塞的两个冲程完成一个工作循环Working cycle的柴油机称为二冲程柴油机,油机完成一个工作循环曲轴只转一圈,与四冲程柴油机相比,它提高了作功 能力,在具体结构及工作原理方面也存在较大差异。    二冲程柴油机与四冲程柴油机基本结构相同,主要差异在配气机构Distribution device方面。二冲程柴油机没有进气阀Inlet valve,有的连排气阀Exhaust valve也没有,而是在气缸下部开设扫气口Scavenging  port及排气口vent; 或设扫气口与排气阀机构Exhaust valve mechanism。并专门设置一个由运动件Moving parts带动的扫气泵Scavenging pump及贮存压力空气 的扫气箱Scavenging box,利用活塞与气口的配合完成配气distribution,从而简化了柴油机结构。  

       燃烧膨胀及排气冲程Combustion expansion and exhaust stroke:  
燃油在燃烧室Combustion chamber内着火燃烧,生成高温高压燃气。活塞在燃气的推动下,由上止点 向下运动,对外作功。活塞下行直至排气口打开,下行活塞把扫气口打开,扫气空气进入气缸,同时把气缸内的废气经排气口赶出气缸。活塞运行到下止点,本冲程结束,但扫气过程一直持续到下一个冲程排气口关闭。 
扫气及压缩冲程Scavenging and compression stroke:    活塞由下止点向上移动,活塞在遮住扫气口之前,由扫气泵Scavenging pump供给储存在扫气箱内的空气,通过扫气口进入气缸,气缸中的残存废气被进入气缸的空气通过排气口扫出气缸。活塞继续上行,逐渐遮住扫气口,当扫气口完全关闭后,空气停止充人,排气还在进行,这阶段称为“过后排气阶段”。排气口关闭时,气缸中的空气就开始被压缩。当压缩至上止点前时, 喷油器将燃油喷人气缸,与高温高压的空气相混合,随即在上止点附近发火,自行着火燃烧。本冲程结束,并与前一冲程形成一个完整的工作循环。  
        二冲程柴油机与四冲程柴油机相比具有一些明显优点,当然也存在本身固有的缺点。  
四冲程柴油机的工作原理Four stroke diesel engine work principle    柴油机的工作是由吸气、压缩、做功和排气这四个过程来完成的,这四个过程构成了一个工作循环。活塞走四个过程才能完成一个工作循环的柴油机称为四冲程柴油机。。  
  一. 吸气冲程Suction stroke  
  第一冲程——吸气,它的任务是使气缸内充满新鲜空气。当吸气冲程开始时,活塞位于上止点Top dead center,气缸内的燃烧室中还留有一些废气Exhaust gas。  
  当曲轴旋转肘,连杆使活塞由上止点向下止点移动,同时,利用与曲轴相联的传动机构Drive mechanism使吸气阀打开。  
  随着活塞的向下运动,气缸内活塞上面的容积逐渐增大:造成气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气缸。在进气过程中由于空气通过进气管和进气阀时产生流动阻力,所以进气冲程的气体压力低于大气压力,其值为0.085~0.095MPa,在整个进气过程中,气缸内气体压力大致保持不变。当活塞向下运动接近下止点时,冲进气缸的气流仍具有很高的速度,惯性很大,为了利用气流的惯性来提高充气量,进气阀在活塞过了下止点以后才关闭。虽然此时活塞上行,但由于气流的惯性,气体仍能充人气缸。  
       压缩冲程Compression stroke 
第二冲程——压缩。压缩时活塞从下止点向上止点运动,这个冲程的功用有二,一是提高空气的温度,为燃料自行发火作准备:二是为气体膨胀作功创造条件。当活塞上行,进气阀关闭以后,气缸内的空气受到压缩,随着容积的不断细小,空气的压力和温度也就不断升高,压缩终点的压力和湿度与空气的压缩程度有关,即与压缩比有关,一般压缩终点的压力和温度为:Pc=4~8MPa,Tc=750~950K。  
柴油的自燃温度约为543—563K,压缩终点的温度要比柴油自燃的温度高很多,足以保证喷入气缸的燃油自行发火燃烧。  
  喷入气缸的柴油,并不是立即发火的,而且经过物理化学变化之后才发火,这段时间大约有0.001~0.005秒,称为发火延迟期Ignition delay。因此,要在曲柄转至上止点前10~35°曲柄转角时开始将雾化的燃料喷入气缸,并使曲柄在上止点后5~10°时,在燃烧室内达到最高燃烧压力,迫使活塞向下运动。  
燃烧膨胀冲程Combustion expansion stroke 
  第三冲程——做功。在这个冲程开始时,大部分喷入燃烧室内的燃料都燃烧了。燃烧时放出大量的热量,因此气体的压力和温度便急剧升高,活塞在高温高压气体作用下向下运动,并通过连秆使曲轴转动,对外作功。所以这一冲程又叫作功或工作冲程Working stroke。  
  随着活塞的下行,气缸的容积增大,气体的压力下降,工作冲程在活塞行至下止点,排气阀打开时结束。  
排气冲程Exhaust stroke 
  第四冲程——排气。排气冲程的功用是把膨胀后的废气排出去,以便充填新鲜空气,为下一个循环的进气作准备。当工作冲程活塞运动到下止点附近时,排气阀开起,活塞在曲轴和连杆的带动下,由下止点向上止点运动,并把废气排出气缸外。由于排气系统存在着阻力,为了减少排气时活塞运动的阻力,排气阀在下止点前就打开了。排气阀一打开,具有一定压力的气体就立即冲出缸外,缸内压力迅速下降,这样当活塞向上运动时,气缸内的废气依靠活塞上行排出去。为了利用排气时的气流惯性使废气排出得干净,排气阀在上止点以后才关闭。由于进、排气阀都是早开晚关的;所以在排气冲程之末和进气冲程之初,活塞处于上止点附近时,有一段时间进、排气阀同时开起,这段时间用曲轴转角来表示,称为气阀重叠角。排气冲程结束之后,又开始了进气冲程,于是整个工作循环就依照上述过程重复进行。由于这种柴油机的工作循环由四个活塞冲程即曲轴旋转两转完成的,故称四冲程柴油机。  
  在四冲程柴油机的四个冲程中,只有第三冲程即工作冲强才产生动力对外作功,而其余三个冲程都是消耗功的准备过程。为此在单缸柴油机上必须安装飞轮flywheel,利用飞轮的转动惯性Rotational inertia,使曲轴在四个冲程中连续而均匀地运转。

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