柴油机的问世与工作原理

22　柴油机的问世

活塞式内燃机起源于用火药爆炸获取动力，但因火药燃烧难以控制而未获成功。1794年，英国人斯特里特提出从燃料的燃烧中获取动力，并且第一次提出了燃料与空气混合的概念。1833年，英国人赖特提出了直接利用燃烧压力推动活塞作功的设计。

之后人们又提出过各种各样的内燃机方案，但在十九世纪中叶以前均未付诸实用。直到1860年，法国的勒努瓦模仿蒸汽机的结构，设计制造出第一台实用的煤气机。这是一种无压缩、电点火、使用照明煤气的内燃机。勒努瓦首先在内燃机中采用了弹力活塞环。这台煤气机的热效率为4％左右。

英国的巴尼特曾提倡将可燃混合气在点火之前进行压缩，随后又有人著文论述对可燃混合气进行压缩的重要作用，并且指出压缩可以大大提高勒努瓦内燃机的效率。1862年，法国科学家罗沙对内燃机热力过程进行理论分析之后，提出提高内燃机效率的要求，这就是最早的四冲程工作循环。

1876年，德国发明家奥托运用罗沙的原理，创制成功第一台往复活塞式、单缸、卧式、3.2千瓦(4.4马力)的四冲程内燃机，仍以煤气为燃料，采用火焰点火，转速为156.7转/分，压缩比为2.66，热效率达到14％，运转平稳。在当时，无论是功率还是热效率，它都是最高的。

奥托内燃机获得推广，性能也在提高。1880年单机功率达到11～15千瓦(15～20马力)，到1893年又提高到150千瓦。由于压缩比的提高，热效率也随之增高，1886年热效率为15.5％，1897年已高达20％～26％。1881年，英国工程师克拉克研制成功第一台二冲程的煤气机，并在巴黎博览会上展出。

随着石油的开发，比煤气易于运输携带的汽油和柴油引起了人们的注意，首先获得试用的是易于挥发的汽油。1883年，德国的戴姆勒创制成功第一台立式汽油机，它的特点是轻型和高速。当时其他内燃机的转速不超过200转/分，它却一跃而达到800转/分，特别适应交通动输机械的要求。1885～1886年，汽油机作为汽车动力运行成功，大大推动了汽车的发展。同时，汽车的发展又促进了汽油机的改进和提高。不久汽油机又用作了小船的动力。

1892年，德国工程师狄塞尔受面粉厂粉尘爆炸的启发，设想将吸入气缸的空气高度压缩，使其温度超过燃料的自燃温度，再用高压空气将燃料吹入气缸，使之着火燃烧。他首创的压缩点火式内燃机(柴油机)于1897年研制成功，为内燃机的发展开拓了新途径。

狄塞尔开始力图使内燃机实现卡诺循环，以求获得最高的热效率，但实际上做到的是近似的等压燃烧，其热效率达26％。压缩点火式内燃机的问世，引起了世界机械业的极大兴趣，压缩点火式内燃机也以发明者而命名为狄塞尔引擎。

这种内燃机以后大多用柴油为燃料，故又称为柴油机。1898年，柴油机首先用于固定式发电机组，1903年用作商船动力，1904年装于舰艇，1913年第一台以柴油机为动力的内燃机车制成，1920年左右开始用于汽车和农业机械。

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四冲程柴油机的工作原理

柴油机的工作是由进气、压缩、燃烧膨胀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。活塞经过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。其工作理原理为：

1.进气冲程。

第一冲程——进气。它的任务是使气缸内充满新鲜空气。当进气冲程开始时，活塞位于上止点，气缸内的燃烧室中还留有一些废气。

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使进气阀打开。(www.xing528.com)

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。

进气过程中气缸内气体压力随着气缸的容积变化。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，气体仍能充入气缸。

2.压缩冲程。

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。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。

3.燃烧膨胀冲程

第三冲程——燃烧膨胀。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。

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。

4.排气冲程

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，所以在排气冲程开始时，气缸内的气体压力加比大气压力高0.025～0.035MPa，其温度Tb＝1000～1200K。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，称为气阀重迭角。

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，利用飞轮的转动惯性，使曲轴在四个冲程中连续而均匀地运转。