柴油发动机的基本类型

对通用柴油机基本类型的工作过程重新分类，看来是有 必要的：对于单缸或多缸发动机，按活塞行程分为四或二冲 程，按活塞作功方式分为单动式和双动式(指活塞的两头都 作功一—译注)。在汽车界，最常用的是直列式，四缸或六 缸四冲程发动机。 

1.2.1 四冲程柴油机 

a)进气，空气被吸人气缸，

b)压缩，空气被压缩并变热，

c) 喷射，雾 状燃料进人热空气户点火及燃烧。高压力推动活塞下行，

d) 排气燃烧 后废气被排出

图1-5为四冲程柴油机运转程序，当活塞下行使气缸容 积增大时，进气阀开启，空气被吸入气缸中。 进、排气阀关闭后，活塞压缩空气，空气温度升高。当活塞几乎到达气缸最小容积位置上止点 (T,D.C.) 时，燃 料以细散状态喷入燃烧宣的热漩流空气中。经过短暂的延迟 期后发生点灭，燃气压力急剧上升并产生压力波。 当活塞移动至气缸最大容积位置下止点 (B.D.C.) 时 ， 燃气压力对活塞作功完毕。在膨胀或作功行程的过程中，燃 气温度和压力下降。 当活塞接近下止点时，排气阀开启。在活塞向上止点运 行的过程中，气缸中的燃烧生成物通过排气阀排出，当活塞 接近上止点时，进气阀再开启，于是进入下一个循环。 发动机曲轴每转动两转，即完成一次四行程循环。

1.2.2 二冲程柴油机

见图1-6,当气缸壁上的进、排气口未被活塞覆盖时，空气从扫气通道经进气口进入气缸，同时气缸内废气经排气 口排出。 活塞移动，减少气缸容积，并关闭进、排气口，空气被 压缩；燃料喷射并自发着火。 随着活塞移动，气缸容积增大，燃气做功。活塞运行至 接近气缸最大容积时，排气口和进气口相继露出，又开始下一个循环。 曲轴每转动一转，完成一次二行程循环。

1.2.3 多种燃料柴油机

设计这种柴油机主要是供军队使用。但对一般柴油供应 不足地区的民用车辆也是有意义的。 通常，这种发动机是增压、对置活塞二行程式，其运转 条件是按容易获得的多种液体燃料(如柴油，汽油和煤油 等)进行设计的。 多种燃料发动机的燃烧室，必须能使用性能相差较大的 一些燃料，同时也要对空气流动和压缩过程中绝热损失做精 细考虑。 这里有必要将柴油机与汽油机主要优缺点进行比较。 

1.2.4 与汽油机比较柴油机的有利因素 

(a) 由于压缩比较高，因此有较低的比油耗；滑行时不 消耗燃料，怠速燃料消耗也很少。 (b) 因每缸供给等量燃料，故每缸的功率输出等同。同 时，气缸间压力变化亦小。 

(c)由于无化油器，换气节流限制很小，因此低转速时 有较高的扭矩。 

(d) 由于燃气作功(膨胀)行程较长，故排气温度较低， 汽油机平均排气温度约900℃,而柴油机约550℃。 

(e) 废气中一氧化碳含量低，汽油机为3%,而柴油机 仅为0.2%。 

(f) 与汽油相比，柴油的易燃性极小，故着火危险性也 低。 

1.2.5 柴油机的不利因素 

(a) 空气利用率较低，其原因是为了要保证完全燃烧，需要供给过量空气，结果，单位气缸工作容积的平 均有效制动压力较低。因此，要达到给定的输出功 率，通常要求柴油机有较大的气缸尺寸。 

(b) 气缸最高压力值较高，随之扭矩波动范围较宽，因 需要坚固和较重的零件。结果减低了功率、重量之比。 

(c) 噪声较高。不过重新设计后可能使其减弱。

1.3 柴油机的燃烧 

在一个运转的柴油发动机中，其连续发生的瞬时燃烧过 程，基本上可以通过如图1-7所示的压力 曲柄角图来表 示。

在a 点上，喷油器开始把燃料喷入燃烧室，经过有限时 间 (a、b), 油滴达到点火温度，这时，在第一阶段喷人的 大部分燃料自燃点火，从而使b 点的压力急剧上升(第二阶 段)。在第三阶段，其余喷人的燃料一进入燃烧室就立即燃 烧掉。

用理想循环作为参考进行分析，可以看到，如果所有的燃料在第二阶段(在定容下)燃烧，就会产生最大的热效 率，当然，实际上这种燃烧会加大发动机的振动和噪声。 

由于输出功率靠调节喷入燃料量来控制，因此，在有效 压缩比几乎保持不变的条件下，将产生最好的部分负荷效 率。 

图1-7所示的传统的柴油机压缩压力和燃烧压力图已被 证明是一种令人满意的形式，其将瞬时燃烧过程大致分为三 个主要阶段。 

第一阶段：在这一阶段中燃料喷雾进入气缸内的热空气 中，油摘被加热，然后汽化。汽化的燃料与空气混合，因而 可燃混合气在发火延迟后即准备燃烧。这就是说，在上述过 程中，燃料和空气混合引起了物理和化学变化。事实上，这 一阶段是十分重要的，因为它是所谓的柴油机‘爆震’的基 础。这是众所周知的发火延迟期。 

第二阶段1 在第一阶段喷人并准备燃烧的燃料立刻开始 燃烧，并产生典型的柴油机燃烧爆震。该爆震是由于在发火 延迟期积聚起来的燃料突然燃烧，使压力急剧上升而引起 的。 由此可见，第二阶段实际上是根据第一阶段的情况来决 定的。 

第三阶段：第一阶段的调制混合气燃烧完毕，接着第二 和第三阶段喷入的燃料发生燃烧。因此，第三阶段的情况是 由这一阶段继续喷入的燃料和空气的混合来控制。 

一般说来，在上述阶段中所包括的过程虽然还不完全清 楚，但可分为两个部分：物理部分，燃料喷射，喷油雾化， 液体燃料穿入空气，燃料汽化以及汽化燃料与空气混合。化 学部分，发生早燃反应。大体上，早燃反应的特点是预燃氧化和碳氢化合物的热分矿或高洞分解。 

更重要的是调制混合气的形成和喷射过程、如喷射时 间，喷射范围，燃油喷束的雾化，气缸中空气的密度，以及 相应的速度和温度，这些都有省重来意义。

总之，通过燃烧摄影(使用透明窗孔)和对测得的气缸 压力图的分析(使用压电式传感器),使我们能够了解到柴 油机的燃烧过程。从这些研究看来，利用简化的燃烧型式来 计算气缸内压力、周间的变化是可能的。最著名的柴油机燃 烧型式是由本森 (R.S.Benson) 提出的：

(a) 单层燃烧型式 使用林(Lyn) 方法和怀特豪斯(Whitehouse-Way) 方法。

(b) 双层燃烧型式 使用锥形的一环形的燃烧层型式和涡流壁喷射燃烧层型式。

(c) 多层燃烧型式

(d) 紊流前置型式 

在所有这些型式中，最重要的出发点是要有一种适于燃 料喷射、汽化和继后点火以释放燃料能量的型式。基本上所 喷入的液体燃料，都被处置成细小油滴或喷雾束，或者是二 者的结合。在这方面，许多研究者都发表了非常有用的油滴 和喷雾燃烧理论，特别是林 (Lyn), 帕 克 斯 (P<rk3), 登特 (Dent), 迈尔斯 (Myers), 费思 (Faeth), 怀特豪 斯和本森等人。

这些燃烧形式大多数都包括有一定数量的半经验公式。 这些半经验公式是通过透明窗孔和专门的纹影法照明技术与 高速摄影C¹1)相结食、观察发动租燃烧过程得到的经验结果。

这一点已在图1-8中说明。这些研究为证实理论上已开发的 燃烧型式，提供了重要信息。