什么是柴油机?

什么是柴油机?

[拼音]：chaiyouji

[外文]：Diesel engine

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R.狄塞尔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，降低粘度，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）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)。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。

（1）ω型燃烧室：一般将活塞顶上的凹坑加深，口部减小（图中b），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。

（2）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）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。

（3）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），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)。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）。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％，有切向通道与主燃烧室相通。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。

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