柴油機(jī)工作原理
博聞網(wǎng)最受歡迎的文章之一是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理。這篇文章介紹了內(nèi)燃的基本原理，論述了四沖程循環(huán)和有助于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)其功能的所有子系統(tǒng)。此文章發(fā)表后的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，讀者反饋?zhàn)疃嗟膯?wèn)題是“汽油機(jī)與柴油機(jī)的不同之處是什么”。
如果您沒有讀過(guò)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理一文，您可能先要閱讀這篇文章以了解內(nèi)燃的基本原理。不過(guò)請(qǐng)盡快回到本文——它將為您解開柴油機(jī)的奧秘并介紹一些最新發(fā)展。
魯?shù)婪?/b>·狄賽爾提出了柴油機(jī)這一概念，并于1892年在德國(guó)申請(qǐng)到專利。其目標(biāo)是生產(chǎn)一種高效發(fā)動(dòng)機(jī)。汽油機(jī)發(fā)明于1876 年，效率并非很高，尤其在當(dāng)時(shí)。
汽油機(jī)和柴油機(jī)的主要差異是：
下圖是柴油循環(huán)的動(dòng)畫演示。可將其與汽油機(jī)的動(dòng)畫演示比較一下，看看有哪些地方不同：
Baris Mengutay供圖
注意柴油機(jī)沒有火花塞，它吸入并壓縮空氣，然后將燃油直接噴入燃燒腔（直噴式）。其實(shí)是壓縮空氣產(chǎn)生的熱量點(diǎn)燃了柴油機(jī)的燃油。
柴油機(jī)的噴油器是其最為復(fù)雜的部件，并且曾經(jīng)是大量試驗(yàn)的課題。因?yàn)榫唧w到每一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，其噴油器的位置都可能各不相同。噴油器應(yīng)當(dāng)能夠承受氣缸內(nèi)部的溫度和壓力，同時(shí)使噴出的燃油呈細(xì)密的霧狀。使氣缸內(nèi)部循環(huán)的油霧能夠均勻分布也是一個(gè)問(wèn)題，因此一些柴油機(jī)采用特殊的感應(yīng)閥、預(yù)燃燒腔或其他裝置，以使氣流在燃燒腔內(nèi)呈旋渦狀，或者改進(jìn)點(diǎn)火和燃燒過(guò)程。
柴油機(jī)與汽油機(jī)之間一項(xiàng)很大的差異是其注入步驟不同。大多數(shù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)（汽油機(jī)）采用油口噴射或使用化油器，而不采用直噴。因此在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，全部燃油在進(jìn)氣沖程期間被注入到氣缸中，然后被壓縮。燃油與空氣的混合物的壓縮限制了發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，因?yàn)槿绻^(guò)度壓縮空氣，燃油與空氣的混合物將自行點(diǎn)燃并導(dǎo)致爆震。而柴油機(jī)僅壓縮空氣，因此壓縮比可比汽油機(jī)高出許多。壓縮比越高，產(chǎn)生的馬力也就越大。
一些柴油機(jī)包含某種預(yù)熱塞（圖內(nèi)未顯示）。當(dāng)柴油機(jī)溫度較低時(shí)，壓縮過(guò)程無(wú)法將空氣升至燃油的燃點(diǎn)。預(yù)熱塞是一個(gè)電熱線圈（想象在烤箱里看到的熱線圈），它可在發(fā)動(dòng)機(jī)低溫時(shí)點(diǎn)燃燃油，從而起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。克雷•布萊斯頓是一位經(jīng)驗(yàn)豐富的重型設(shè)備技師，他認(rèn)為：
現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的全部功能均通過(guò)ECM與復(fù)雜傳感器組的通信進(jìn)行控制，這些傳感器測(cè)量包括R.P.M.、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液和機(jī)油的溫度，以及發(fā)動(dòng)機(jī)位置（即T.D.C.）等所有數(shù)據(jù)。如今的大型發(fā)動(dòng)機(jī)很少采用預(yù)熱塞。ECM檢測(cè)環(huán)境溫度并使發(fā)動(dòng)機(jī)在寒冷天氣下延遲計(jì)時(shí)，因此噴油器會(huì)延時(shí)噴油。氣缸內(nèi)的空氣受到的壓縮程度越高，就會(huì)產(chǎn)生更多輔助起動(dòng)的熱量。
較小的發(fā)動(dòng)機(jī)以及沒有先進(jìn)計(jì)算機(jī)控制的發(fā)動(dòng)機(jī)采用預(yù)熱塞解決冷起動(dòng)問(wèn)題。
柴油
如果將柴油與汽油作比較，您會(huì)發(fā)現(xiàn)它們是不同的。它們聞起來(lái)不同。柴油更重，油性也更大。柴油汽化比汽油慢很多，實(shí)際上它的沸點(diǎn)比水的沸點(diǎn)要高出許多。
如果將柴油與汽油作比較，您會(huì)發(fā)現(xiàn)它們是不同的。它們聞起來(lái)不同。柴油更重，油性也更大。柴油汽化比汽油慢很多，實(shí)際上它的沸點(diǎn)比水的沸點(diǎn)要高出許多。
由于柴油較重，所以蒸發(fā)很慢。比起汽油來(lái)，它含有更多更長(zhǎng)的碳原子鏈（汽油一般是C9H20，而柴油一般是C14H30）。生產(chǎn)柴油時(shí)的精煉過(guò)程較少，所以柴油比汽油便宜。
柴油比汽油有更高的能量密度。平均算來(lái)，3.8升的柴油含有約155x106焦耳能量，而3.8升的汽油含有132x106焦耳。這一優(yōu)勢(shì)結(jié)合柴油機(jī)更高的效率，說(shuō)明了柴油機(jī)比汽油機(jī)里程費(fèi)用低的原因。
二沖程柴油機(jī)工作原理
柴油機(jī)工作原理一文介紹了汽車和卡車中常見的四沖程柴油機(jī)。二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理一文介紹了在鏈鋸、輕便摩托車和游艇中使用的小型二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。在機(jī)車、大型輪船和發(fā)電設(shè)備中使用的大型柴油機(jī)通常將柴油機(jī)技術(shù)與二沖程循環(huán)結(jié)合使用。
在本篇博聞網(wǎng)文章中，我們將探討二沖程柴油機(jī)技術(shù)，同時(shí)了解使用該技術(shù)的大型發(fā)動(dòng)機(jī)。
二沖程柴油機(jī)的循環(huán)
如果您閱讀過(guò)二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理，就會(huì)了解二沖程與四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)之間一個(gè)很大的區(qū)別在于發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的功率不同。二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)中火花塞的點(diǎn)火次數(shù)是四沖程的兩倍——二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)中的曲軸旋轉(zhuǎn)一周點(diǎn)火一次，而在四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)中曲軸旋轉(zhuǎn)兩周才點(diǎn)火一次。也就是說(shuō)，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)能夠產(chǎn)生的功率是同等容積四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)功率的兩倍。
這篇關(guān)于二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的文章還說(shuō)明了汽油與空氣進(jìn)行混合和壓縮的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)對(duì)于二沖程式設(shè)計(jì)并不是一個(gè)最好的解決辦法。問(wèn)題就在于每次給氣缸添加空氣和燃油的混合物時(shí)總會(huì)泄漏一些未充分燃燒的燃油。
柴油機(jī)的方法是先只壓縮空氣，然后將燃油直接噴入壓縮空氣中。此方法更適合于二沖程循環(huán)。因此很多大型柴油機(jī)的生產(chǎn)廠商使用這種方法制造大馬力的發(fā)動(dòng)機(jī)。
下圖所示為典型的二沖程柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)圖：
氣缸頂部是同時(shí)開放的排氣門，一般有兩個(gè)或四個(gè)。還有一個(gè)柴油機(jī)燃料的噴射器（上圖黃色部分所示）。與二沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，活塞被拉伸以起到入口閥的作用。活塞在到達(dá)其行程底端時(shí)進(jìn)氣口被打開。渦輪增壓器或增壓器（淺藍(lán)色部分）會(huì)對(duì)進(jìn)入的空氣進(jìn)行壓縮。與四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，曲軸箱是密封的并且里面裝有汽油。
二沖程柴油機(jī)的循環(huán)過(guò)程如下：
1. 當(dāng)活塞在其行程頂端時(shí)，氣缸會(huì)儲(chǔ)滿高壓氣體。用噴油器將柴油噴入氣缸，缸體內(nèi)的高溫和高壓使得柴油立即點(diǎn)燃。該過(guò)程與柴油機(jī)工作原理中所描述的過(guò)程相同。
2. 燃料燃燒所產(chǎn)生的壓力驅(qū)動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)。這就是動(dòng)力沖程。
3. 當(dāng)活塞接近沖程底端時(shí)，所有的排氣門都打開。廢氣排出缸體，氣壓降低。
4. 當(dāng)活塞到達(dá)行程底端時(shí)，就打開了進(jìn)氣口。受壓空氣填充氣缸，并排出剩余廢氣。
5. 關(guān)閉排氣門，活塞上移，重新關(guān)閉進(jìn)氣口并且壓縮新充入的空氣。這就是壓縮沖程。
6. 當(dāng)活塞接近缸頂時(shí)，該循環(huán)將重復(fù)步驟1。
根據(jù)本說(shuō)明，可以看出二沖程柴油機(jī)和二沖程汽油機(jī)之間的巨大差異：在柴油機(jī)中，向氣缸注入的只有空氣，而不是油氣混合體。這意味著二沖程柴油機(jī)不會(huì)產(chǎn)生困擾二沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)境問(wèn)題。另外，二沖程柴油機(jī)必須有渦輪增壓器或增壓器，這意味著在鏈鋸中不會(huì)安裝二沖程柴油機(jī)，因?yàn)槟菢犹嘿F了。
通用EMD發(fā)動(dòng)機(jī)
通用EMD發(fā)動(dòng)機(jī)是一種典型的二沖程柴油機(jī)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)是在20世紀(jì)30年代發(fā)明的，美國(guó)的大量柴油機(jī)車采用了這種發(fā)動(dòng)機(jī)。EMD生產(chǎn)線有三種系列的產(chǎn)品：567系列、645系列和710系列。數(shù)字指的是每個(gè)氣缸的立方英寸數(shù)，通常一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)有16個(gè)氣缸（總排量相當(dāng)于163.9 升！）。如果您認(rèn)為汽車中的5升發(fā)動(dòng)機(jī)就非常大了，那么這種EMD發(fā)動(dòng)機(jī)更是巨大無(wú)比!
以下是EMD 645E3發(fā)動(dòng)機(jī)的一些技術(shù)指標(biāo)：
這些發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率一般為4,300匹馬力！
汽油、煤油、柴油的區(qū)別是什么？
從地下抽出的原油是一種黑色的液體，稱為石油。 這種液體包含脂肪族碳?xì)浠衔?/span>，或者僅由氫和碳組成的碳?xì)浠衔铩Ｌ荚渔溄釉谝黄穑纬刹煌L(zhǎng)度的碳鏈。
實(shí)踐證明，不同長(zhǎng)度的烴分子的特性各不相同。 例如，只有一個(gè)碳原子(CH4) 的鏈?zhǔn)亲钶p的鏈，我們稱之為甲烷。甲烷是一種氣體，它的質(zhì)量很輕，可以像氦一樣漂浮在空氣中。隨著鏈變長(zhǎng)，它們也將變得更重一些。
前四種鏈（CH4（甲烷）、C2H6（乙烷）、C3H8（丙烷）和C4H10（丁烷））都是氣體，它們的沸點(diǎn)分別是-107、-67, -43 和-18℃。 從C18H32開始以上的鏈，在室溫下均為液體，而C19以上的鏈在室溫下則全都是固體。
不同長(zhǎng)度的碳鏈，其沸點(diǎn)將隨長(zhǎng)度升高，因此可以通過(guò)蒸餾的方式將它們分離。 這就是在煉油廠所要進(jìn)行的處理，對(duì)原油進(jìn)行加熱，不同長(zhǎng)度的碳鏈將在各自的汽化溫度時(shí)被分離出來(lái)。（有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參見如何進(jìn)行石油精煉。）
在C5、C6和C7范圍內(nèi)的碳鏈都是非常輕、極易蒸發(fā)的清澈液體，稱為石腦油。它們將用作溶液，如干洗液就可以用它來(lái)制造，還可以將其制成油漆溶劑和其他快干產(chǎn)品。
從C7H16到C11H24的碳鏈混合在一起，可用作汽油。 所有這些碳鏈的蒸發(fā)溫度都低于水的沸點(diǎn)。這就是為什么當(dāng)我們將汽油灑在地上時(shí)，它便會(huì)快速蒸發(fā)的原因。
煤油在C12到C15的范圍內(nèi)，后面緊跟著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）。
接下來(lái)是潤(rùn)滑油。這些油在常溫下不會(huì)蒸發(fā)。 例如，機(jī)油可以長(zhǎng)時(shí)間在121℃的條件下運(yùn)行而不蒸發(fā)。這些油當(dāng)中，既包含非常輕（如3合1油）的油，也包含不同粘稠度的車用機(jī)油，還包含非常粘稠的齒輪油以及半固體潤(rùn)滑脂。 凡士林也屬于這類油。
高于C20范圍的碳鏈將形成固體，從石蠟開始，然后是焦油，最后是用于鋪設(shè)瀝青路面的瀝青。
以上這些不同的物質(zhì)全都源于原油。它們之間的唯一區(qū)別就是碳鏈的長(zhǎng)度不一樣！
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