柴油機的概念與運用
柴油機是用柴油作燃料的內燃機。柴油機屬於壓縮點火式發動機。
柴油在工作時,吸入柴油機氣缸內的空氣,因活塞的運動而受到較高程度的壓縮,達到500~700℃的高温。然後燃油以霧狀噴入高温空氣中,與空氣混合形成可燃混合氣,自動着火燃燒。燃燒中釋放的能量作用在活塞頂面上,推動活塞並通過連桿和曲軸轉換為旋轉的機械功。
法國出生的德裔工程師狄塞爾,在1897年研製成功可供實用的四衝程柴油機。由於它明顯地提高了熱效率而引起人們的重視。起初,柴油機用空氣噴射燃料,附屬裝置龐大笨重,只用於固定作業。二十世紀初,開始用於船舶,1905年製成第一台船用二衝程柴油機。
1922年,德國的博施發明機械噴射裝置,逐漸替代了空氣噴射。二十世紀20年代後期出現了高速柴油機,並開始用於汽車。到了50年代,一些結構性能更加完善的新型系列化、通用化的柴油機發展起來,從此柴油機進入了專業化大量生產階段。特別是在採用了廢氣渦輪增壓技術以後,柴油機已成為現代動力機械中最重要的部分。
柴油機可按不同特徵分類:按轉速分為高速、中速和低速柴油機;按燃燒室的型式分為直接噴射式、渦流室式和預燃室式柴油機等;按氣缸進氣方式分為增壓和非增壓柴油機;按氣體壓力作用方式分為單作用式、雙作用式和對置活塞式柴油機等;按用途分為船用柴油機、機車柴油機等。
柴油機燃料主要是柴油,通常高速柴油機用輕柴油;中、低速柴油機用輕柴油或重柴油。柴油機用噴油泵和噴油器將燃油以高壓噴入氣缸,噴入的燃油呈霧狀,與空氣混合燃燒。因此柴油機可用揮發性較差的重質燃料或劣質燃料,如原油和渣油等。
在燃用原油和渣油時,除須濾除雜質和水分外,還要對供油系統進行預熱保温,降低粘度,以便輸送和噴射。柴油機如採用某種合適的燃燒室也可燃用乙醇、汽油和甲醇等輕質燃料。為了改善輕質燃料的着火性,可加入添加劑提高十六烷值,或與柴油混合使用。一些氣體燃料,如天然氣、液化石油氣、沼氣和發生爐煤氣等也可作為柴油機的燃料,但這時通常以氣體燃料為主,以少量柴油引燃,這種發動機稱為雙燃料內燃機。
柴油發動機的燃燒過程一般分為着火延遲期、速燃期、緩燃期和後燃期四個階段。
着火延遲期是指從燃料開始噴射到着火,其間經過噴散、加熱蒸發、擴散、混合和初期氧化等一系列物理的和化學的準備過程。它是燃燒過程的一個重要參數,對燃燒放熱過程的特性有直接影響。
在着火延遲期內噴入燃燒室的燃料,在速燃期內幾乎是同時燃燒的,所以放熱速度很高,壓力升高也特別快。
緩燃期階段中燃料的燃燒取決於混合的速度。因此,加強燃燒室內的空氣擾動和加速空氣與燃料的混合,對保證燃料在上止點附近迅速而完全地燃燒有重要作用。
柴油機的混合和燃燒時間很短,以致有些燃料不能在上止點附近及時燒完,而拖到膨脹行程的後期放出的熱量不能得到充分利用,因此應儘量避免燃料在後燃期燃燒。
燃燒室的優劣對柴油機的性能有決定性的作用,因此是柴油機設計的關鍵。燃燒室按組織燃燒過程的特點和結構不同分為開式、半開式、預燃室式和渦流室式四類。前兩類屬於直接噴射式燃燒室;後兩類屬於分隔式燃燒室。
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