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柴油機工作原理

博聞網最受歡迎的文章之一是汽車發動機工作原理。這篇文章介紹了內燃的基本原理，論述了四沖程循環和有助于汽車發動機實現其功能的所有子系統。此文章發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動機工作原理一文，您可能先要閱讀這篇文章以了解內燃的基本原理。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展。

魯道夫·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。其目標是生產一種高效發動機。汽油機發明于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：

汽油機吸入燃料與空氣的混合物并將其壓縮，然后通過火花將混合物點燃。柴油機只吸入空氣并將其壓縮，然后將燃油噴入壓縮空氣。壓縮空氣產生的熱量就能將燃油點燃。

汽油機的壓縮比為8:1至12:1，而柴油機的壓縮比為14:1，甚至能達到25:1。由于柴油機具有更高的壓縮比，因此效率也更高。

汽油機通常使用汽化作用，即在空氣進入氣缸或油口之前，空氣與燃油早已混合；或使用油口燃油噴射，即在開始進氣沖程（氣缸外）之前噴射燃油。柴油機采用直噴式，即柴油被直接噴入氣缸。

下圖是柴油循環的動畫演示。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，并且曾經是大量試驗的課題。因為具體到每一臺發動機，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。使氣缸內部循環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。大多數汽車發動機（汽油機）采用油口噴射或使用化油器，而不采用直噴。因此在汽車發動機內部，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，產生的馬力也就越大。

一些柴油機包含某種預熱塞（圖內未顯示）。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），它可在發動機低溫時點燃燃油，從而起動發動機。克雷•布萊斯頓是一位經驗豐富的重型設備技師，他認為：

現代發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.、發動機冷卻液和機油的溫度，以及發動機位置（即T.D.C.）等所有數據。如今的大型發動機很少采用預熱塞。ECM檢測環境溫度并使發動機在寒冷天氣下延遲計時，因此噴油器會延時噴油。氣缸內的空氣受到的壓縮程度越高，就會產生更多輔助起動的熱量。

較小的發動機以及沒有先進計算機控制的發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，您會發現它們是不同的。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動機。在機車、大型輪船和發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結合使用。

在本篇博聞網文章中，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動機。

二沖程柴油機的循環

如果您閱讀過二沖程發動機工作原理，就會了解二沖程與四沖程發動機之間一個很大的區別在于發動機產生的功率不同。二沖程發動機中火花塞的點火次數是四沖程的兩倍——二沖程發動機中的曲軸旋轉一周點火一次，而在四沖程發動機中曲軸旋轉兩周才點火一次。也就是說，二沖程發動機能夠產生的功率是同等容積四沖程發動機功率的兩倍。

這篇關于二沖程發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動機循環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。因此很多大型柴油機的生產廠商使用這種方法制造大馬力的發動機。

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. 燃料燃燒所產生的壓力驅動活塞向下運動。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，該循環將重復步驟1。

根據本說明，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生困擾二沖程汽油發動機的環境問題。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發動機

通用EMD發動機是一種典型的二沖程柴油機。這種發動機是在20世紀30年代發明的，美國的大量柴油機車采用了這種發動機。EMD生產線有三種系列的產品：567系列、645系列和710系列。數字指的是每個氣缸的立方英寸數，通常一個發動機有16個氣缸（總排量相當于163.9 升！）。如果您認為汽車中的5升發動機就非常大了，那么這種EMD發動機更是巨大無比!

以下是EMD 645E3發動機的一些技術指標：

缸徑——23.1厘米

活塞行程——25.4厘米

每個氣缸的排量——10.7升

氣缸數量——16或20個

壓縮比——14.5:1

每個氣缸的排氣門數——4個

發動機重量——

16氣缸：15,661公斤

20氣缸：18,209公斤（相比之下，光是油底盤就重1噸以上！）

怠速——315轉/分

全速——900轉/分