柴油機工作原理
博聞網(wǎng)最受歡迎的文章之一是汽車發(fā)動機工作原理。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)動機實現(xiàn)其功能的所有子系統(tǒng)。此文章發(fā)表后的很長一段時間里，讀者反饋最多的問題是“汽油機與柴油機的不同之處是什么”。
如果您沒有讀過汽車發(fā)動機工作原理一文，您可能先要閱讀這篇文章以了解內(nèi)燃的基本原理。不過請盡快回到本文——它將為您解開柴油機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這一概念，并于1892年在德國申請到專利。其目標是生產(chǎn)一種高效發(fā)動機。汽油機發(fā)明于1876 年，效率并非很高，尤其在當時。
汽油機和柴油機的主要差異是：
下圖是柴油循環(huán)的動畫演示。可將其與汽油機的動畫演示比較一下，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）。其實是壓縮空氣產(chǎn)生的熱量點燃了柴油機的燃油。
柴油機的噴油器是其最為復雜的部件，并且曾經(jīng)是大量試驗的課題。因為具體到每一臺發(fā)動機，其噴油器的位置都可能各不相同。噴油器應當能夠承受氣缸內(nèi)部的溫度和壓力，同時使噴出的燃油呈細密的霧狀。使氣缸內(nèi)部循環(huán)的油霧能夠均勻分布也是一個問題，因此一些柴油機采用特殊的感應閥、預燃燒腔或其他裝置，以使氣流在燃燒腔內(nèi)呈旋渦狀，或者改進點火和燃燒過程。
柴油機與汽油機之間一項很大的差異是其注入步驟不同。大多數(shù)汽車發(fā)動機（汽油機）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)動機內(nèi)部，全部燃油在進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)動機的壓縮比，因為如果過度壓縮空氣，燃油與空氣的混合物將自行點燃并導致爆震。而柴油機僅壓縮空氣，因此壓縮比可比汽油機高出許多。壓縮比越高，產(chǎn)生的馬力也就越大。
一些柴油機包含某種預熱塞（圖內(nèi)未顯示）。當柴油機溫度較低時，壓縮過程無法將空氣升至燃油的燃點。預熱塞是一個電熱線圈（想象在烤箱里看到的熱線圈），它可在發(fā)動機低溫時點燃燃油，從而起動發(fā)動機。克雷•布萊斯頓是一位經(jīng)驗豐富的重型設備技師，他認為：
現(xiàn)代發(fā)動機的全部功能均通過ECM與復雜傳感器組的通信進行控制，這些傳感器測量包括R.P.M.、發(fā)動機冷卻液和機油的溫度，以及發(fā)動機位置（即T.D.C.）等所有數(shù)據(jù)。如今的大型發(fā)動機很少采用預熱塞。ECM檢測環(huán)境溫度并使發(fā)動機在寒冷天氣下延遲計時，因此噴油器會延時噴油。氣缸內(nèi)的空氣受到的壓縮程度越高，就會產(chǎn)生更多輔助起動的熱量。
較小的發(fā)動機以及沒有先進計算機控制的發(fā)動機采用預熱塞解決冷起動問題。
柴油
如果將柴油與汽油作比較，您會發(fā)現(xiàn)它們是不同的。它們聞起來不同。柴油更重，油性也更大。柴油汽化比汽油慢很多，實際上它的沸點比水的沸點要高出許多。
如果將柴油與汽油作比較，您會發(fā)現(xiàn)它們是不同的。它們聞起來不同。柴油更重，油性也更大。柴油汽化比汽油慢很多，實際上它的沸點比水的沸點要高出許多。
由于柴油較重，所以蒸發(fā)很慢。比起汽油來，它含有更多更長的碳原子鏈（汽油一般是C9H20，而柴油一般是C14H30）。生產(chǎn)柴油時的精煉過程較少，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，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)勢結合柴油機更高的效率，說明了柴油機比汽油機里程費用低的原因。
二沖程柴油機工作原理
柴油機工作原理一文介紹了汽車和卡車中常見的四沖程柴油機。二沖程發(fā)動機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)動機。在機車、大型輪船和發(fā)電設備中使用的大型柴油機通常將柴油機技術與二沖程循環(huán)結合使用。
在本篇博聞網(wǎng)文章中，我們將探討二沖程柴油機技術，同時了解使用該技術的大型發(fā)動機。
二沖程柴油機的循環(huán)
如果您閱讀過二沖程發(fā)動機工作原理，就會了解二沖程與四沖程發(fā)動機之間一個很大的區(qū)別在于發(fā)動機產(chǎn)生的功率不同。二沖程發(fā)動機中火花塞的點火次數(shù)是四沖程的兩倍——二沖程發(fā)動機中的曲軸旋轉(zhuǎn)一周點火一次，而在四沖程發(fā)動機中曲軸旋轉(zhuǎn)兩周才點火一次。也就是說，二沖程發(fā)動機能夠產(chǎn)生的功率是同等容積四沖程發(fā)動機功率的兩倍。
這篇關于二沖程發(fā)動機的文章還說明了汽油與空氣進行混合和壓縮的汽油發(fā)動機循環(huán)對于二沖程式設計并不是一個最好的解決辦法。問題就在于每次給氣缸添加空氣和燃油的混合物時總會泄漏一些未充分燃燒的燃油。
柴油機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的生產(chǎn)廠商使用這種方法制造大馬力的發(fā)動機。
下圖所示為典型的二沖程柴油機的結構圖：
氣缸頂部是同時開放的排氣門，一般有兩個或四個。還有一個柴油機燃料的噴射器（上圖黃色部分所示）。與二沖程汽油發(fā)動機一樣，活塞被拉伸以起到入口閥的作用。活塞在到達其行程底端時進氣口被打開。渦輪增壓器或增壓器（淺藍色部分）會對進入的空氣進行壓縮。與四沖程發(fā)動機一樣，曲軸箱是密封的并且里面裝有汽油。
二沖程柴油機的循環(huán)過程如下：
1. 當活塞在其行程頂端時，氣缸會儲滿高壓氣體。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燃。該過程與柴油機工作原理中所描述的過程相同。
2. 燃料燃燒所產(chǎn)生的壓力驅(qū)動活塞向下運動。這就是動力沖程。
3. 當活塞接近沖程底端時，所有的排氣門都打開。廢氣排出缸體，氣壓降低。
4. 當活塞到達行程底端時，就打開了進氣口。受壓空氣填充氣缸，并排出剩余廢氣。
5. 關閉排氣門，活塞上移，重新關閉進氣口并且壓縮新充入的空氣。這就是壓縮沖程。
6. 當活塞接近缸頂時，該循環(huán)將重復步驟1。
根據(jù)本說明，可以看出二沖程柴油機和二沖程汽油機之間的巨大差異：在柴油機中，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不會產(chǎn)生困擾二沖程汽油發(fā)動機的環(huán)境問題。另外，二沖程柴油機必須有渦輪增壓器或增壓器，這意味著在鏈鋸中不會安裝二沖程柴油機，因為那樣太昂貴了。
通用EMD發(fā)動機
通用EMD發(fā)動機是一種典型的二沖程柴油機。這種發(fā)動機是在20世紀30年代發(fā)明的，美國的大量柴油機車采用了這種發(fā)動機。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)字指的是每個氣缸的立方英寸數(shù)，通常一個發(fā)動機有16個氣缸（總排量相當于163.9 升！）。如果您認為汽車中的5升發(fā)動機就非常大了，那么這種EMD發(fā)動機更是巨大無比!
以下是EMD 645E3發(fā)動機的一些技術指標：
這些發(fā)動機的額定功率一般為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氫化合物，或者僅由氫和碳組成的碳氫化合物。碳原子鏈接在一起，形成不同長度的碳鏈。
實踐證明，不同長度的烴分子的特性各不相同。 例如，只有一個碳原子(CH4) 的鏈是最輕的鏈，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，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。
不同長度的碳鏈，其沸點將隨長度升高，因此可以通過蒸餾的方式將它們分離。 這就是在煉油廠所要進行的處理，對原油進行加熱，不同長度的碳鏈將在各自的汽化溫度時被分離出來。（有關詳細信息，請參見如何進行石油精煉。）
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。這就是為什么當我們將汽油灑在地上時，它便會快速蒸發(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）。
接下來是潤滑油。這些油在常溫下不會蒸發(fā)。 例如，機油可以長時間在121℃的條件下運行而不蒸發(fā)。這些油當中，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油，還包含非常粘稠的齒輪油以及半固體潤滑脂。 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)別就是碳鏈的長度不一樣！
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