通過活塞的兩個沖程完成一個工作循環(huán)的柴油機稱為二沖程柴油機,油機完成一個工作循環(huán)曲軸只轉一圈,與四沖程柴油機相比,它提高了作功能力,在具體結構及工作原理方面也存在較大差異。
二沖程柴油機與四沖程柴油機基本結構相同,主要差異在配氣機構方面。二沖
程柴油機沒有進氣閥,有的連排氣閥也沒有,而是在氣缸下部開設掃氣口及排氣口;
或設掃氣口與排氣閥機構。并專門設置一個由運動件帶動的掃氣泵及貯存壓力空氣
的掃氣箱,利用活塞與氣口的配合完成配氣,從而簡化了柴油機結構。
圖是二沖程柴油機工作原理圖。掃氣泵附設在柴油機的一側,它的
轉子由柴油機帶動。空氣從泵的吸入吸入,經(jīng)壓縮后排出,儲存在具有較大容積的
掃氣箱中,并在其中保持一定的壓力?,F(xiàn)以圖說明二沖程柴油機的工作
原理。
燃燒膨脹及排氣沖程:
燃油在燃燒室內(nèi)著火燃燒,生成高溫高壓燃氣?;钊谌細獾耐苿酉?,由上止點
向下運動,對外作功?;钊滦兄敝僚艢饪诖蜷_(此時曲柄在點位置,此時燃氣
膨脹作功結束,氣缸內(nèi)大量廢氣靠自身高壓自由排氣,從排氣口排人到排氣管。
當氣缸內(nèi)壓力降至接近掃氣壓力時(一般掃氣箱中的掃氣壓力為0
12,下行活塞把掃氣口3打開(此時曲柄在點4的位置,掃氣空氣進入氣缸,
同時把氣缸內(nèi)的廢氣經(jīng)排氣口趕出氣缸?;钊\行到下止點,本沖程結束,但掃氣
過程一直持續(xù)到下一個沖程排氣口關閉(此時曲柄在點位置為止。
·4· 342 第三篇船舶柴油機檢修圖二沖程柴油機工作原理示意圖
掃氣及壓縮沖程:
活塞由下止點向上移動,活塞在遮住掃氣口之前,由掃氣泵供給儲存在掃氣箱
內(nèi)的空氣,通過掃氣口進入氣缸,氣缸中的殘存廢氣被進入氣缸的空氣通過排氣口
掃出氣缸。活塞繼續(xù)上行,逐漸遮住掃氣口,當掃氣口完全關閉后(此時曲柄在點
位置,空氣停止充人,排氣還在進行,這階段稱為“過后排氣階段”。排氣口關閉時
(此時曲柄在點位置,氣缸中的空氣就開始被壓縮。當壓縮至上止點前點時,
噴油器將燃油噴人氣缸,與高溫高壓的空氣相混合,隨即在上止點附近發(fā)火,自行著
火燃燒。本沖程結束,并與前一沖程形成一個完整的工作循環(huán)。
二沖程柴油機示功圖見圖,其中,為噴油始點,為活塞上止點,為
燃燒終點。
二沖程柴油機與四沖程柴油機相比具有一些明顯優(yōu)點,當然也存在本身固有的
缺點。
柴油機的工作是由進氣、壓縮、燃燒膨脹和排氣這四個過程來完成的,這四個過程構成了一個工作循環(huán)。活塞走四個過程才能完成一個工作循環(huán)的柴油機稱為四沖程柴油機?,F(xiàn)對照上面的動畫了說明它的工作理原。
一. 進氣沖程
沖程——進氣,它的任務是使氣缸內(nèi)充滿新鮮空氣。當進氣沖程開始時,活塞位于上止點,氣缸內(nèi)的燃燒室中還留有一些廢氣。
當曲軸旋轉肘,連桿使活塞由上止點向下止點移動,同時,利用與曲軸相聯(lián)的傳動機構使進氣閥打開。
隨著活塞的向下運動,氣缸內(nèi)活塞上面的容積逐漸增大:造成氣缸內(nèi)的空氣壓力低于進氣管內(nèi)的壓力,因此外面空氣就不斷地充入氣缸。
進氣過程中氣缸內(nèi)氣體壓力隨著氣缸的容積變化的情況如動畫所示。圖中縱坐標表示氣體壓力P,橫坐標表示氣缸容積Vh(或活塞的沖S),這個圖形稱為示功圖。圖中的壓力曲線表示柴油機工作時,氣缸內(nèi)氣體壓力的變化規(guī)律。從土中我們可以看出進氣開始,由于存在殘余廢氣,所以稍高于大氣壓力P0。在進氣過程中由于空氣通過進氣管和進氣閥時產(chǎn)生流動阻力,所以進氣沖程的氣體壓力低于大氣壓力,其值為0.085~0.095MPa,在整個進氣過程中,氣缸內(nèi)氣體壓力大致保持不變。
當活塞向下運動接近下止點時,沖進氣缸的氣流仍具有很高的速度,慣性很大,為了利用氣流的慣性來提高充氣量,進氣閥在活塞過了下止點以后才關閉。雖然此時活塞上行,但由于氣流的慣性,氣體仍能充人氣缸。
二. 壓縮沖程
第二沖程——壓縮。壓縮時活塞從下止點間上止點運動,這個沖程的功用有二,一是提高空氣的溫度,為燃料自行發(fā)火作準備:二是為氣體膨脹作功創(chuàng)造條件。當活塞上行,進氣閥關閉以后,氣缸內(nèi)的空氣受到壓縮,隨著容積的不斷細小,空氣的壓力和溫度也就不斷升高,壓縮終點的壓力和濕度與空氣的壓縮程度有關,即與壓縮比有關,一般壓縮終點的壓力和溫度為:Pc=4~8MPa,Tc=750~950K。
柴油的自燃溫度約為543—563K,壓縮終點的溫度要比柴油自燃的溫度高很多,足以保證噴入氣缸的燃油自行發(fā)火燃燒。
噴入氣缸的柴油,并不是立即發(fā)火的,而且經(jīng)過物理化學變化之后才發(fā)火,這段時間大約有0.001~0.005秒,稱為發(fā)火延遲期。因此,要在曲柄轉至上止點前10~35°曲柄轉角時開始將霧化的燃料噴入氣缸,并使曲柄在上止點后5~10°時,在燃燒室內(nèi)達到燃燒壓力,迫使活塞向下運動。
三. 燃燒膨脹沖程
第三沖程——燃燒膨脹。在這個沖程開始時,大部分噴入燃燒室內(nèi)的燃料都燃燒了。燃燒時放出大量的熱量,因此氣體的壓力和溫度便急劇升高,活塞在高溫高壓氣體作用下向下運動,并通過連稈使曲軸轉動,對外作功。所以這一沖程又叫作功或工作沖程。
隨著活塞的下行,氣缸的容積增大,氣體的壓力下降,工作沖程在活塞行至下止點,排氣閥打開時結束。
在動畫中,工作沖程的壓力變化這條線上升部分表示燃料在氣缸內(nèi)燃燒時壓力的急劇升高,點表示燃燒壓力Pz,此點的壓力和溫度為:
Pz=6~15MPa, Tz=1800~2200K
燃燒壓力與壓縮終點壓力之比(Pz/Pc),稱為燃燒時的壓力升高比,用λ表示。根據(jù)柴油機類型的不同,在功牢時λ值的范圍如下:λ=Pz/Pc=1.2~2.5。
四. 排氣沖程
第四沖程——排氣。排氣沖程的功用是把膨脹后的廢氣排出去,以便充填新鮮空氣,為下一個循環(huán)的進氣作準備。當工作沖程活塞運動到下止點附近時,排氣閥開起,活塞在曲軸和連桿的帶動下,由下止點向上止點運動,并把廢氣排出氣缸外。由于排氣系統(tǒng)存在著阻力,所以在排氣沖程開始時,氣缸內(nèi)的氣體壓力加比大氣壓力高0.025—0.035MPa,其溫度Tb=1000~1200K。為了減少排氣時活塞運動的阻力,排氣閥在下止點前就打開了。排氣閥一打開,具有一定壓力的氣體就立即沖出缸外,缸內(nèi)壓力迅速下降,這樣當活塞向上運動時,氣缸內(nèi)的廢氣依靠活塞上行排出去。為了利用排氣時的氣流慣性使廢氣排出得干凈,排氣閥在上止點以后才關閉。
在動畫中,排氣沖程曲線表示在排氣過程中,缸內(nèi)的氣體壓力幾乎是不變的,但比大氣壓力稍高一些。排氣沖程終點的壓力Pr約為0.105~0.115MPa,殘余廢氣的溫度Pr約為850~960K。
由于進、排氣閥都是早開晚關的;所以在排氣沖程之末和進氣沖程之初,活塞處于上止點附近時,有一段時間進、排氣閥同時開起,這段時間用曲軸轉角來表示,稱為氣閥重迭角。
排氣沖程結束之后,又開始了進氣沖程,于是整個工作循環(huán)就依照上述過程重復進行。由于這種柴油機的工作循環(huán)由四個活塞沖程即曲軸旋轉兩轉完成的,故稱四沖程柴油機。
在四沖程柴油機的四個沖程中,只有第三沖程即工作沖強才產(chǎn)生動力對外作功,而其余三個沖程都是消耗功的準備過程。為此在單缸柴油機上必須安裝飛輪,利用飛輪的轉動慣性,使曲軸在四個沖程中連續(xù)而均勻地運轉。