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1柴油機的工作原理【摘要】在柴油機氣缸內(nèi)，活塞在一部分工作循環(huán)壓縮氣體，而在另一部分工作循環(huán)氣缸內(nèi)混合氣體燃燒膨脹使活塞頂面承受高溫（約 569°C）高壓（約116～120Kgf/cm 2）氣體的作用，并把壓力通過活塞銷、連桿傳給曲軸。可見，活塞是在高溫高壓下作長時間連續(xù)變負荷的往復(fù)運動，它的負荷和工作環(huán)境很惡劣。在本設(shè)計中將對活塞的加工工藝進行設(shè)計，以保證活塞長久穩(wěn)定工作?，F(xiàn)將設(shè)計中所做的工作簡要介紹如下：柴油機活塞加工工藝合理性是很重要的，通過對零件的作用及工藝方案分析，擬定毛坯的制造形式及工藝路線，通過分析、比較，采用了相對集中加工工藝方案，最終確定比較合理的機械加工工藝路線。制定工藝路線時主要考慮粗、精加工安排、加工方法選擇、工序集中與分散、加工順序等方面的要求。接著確定加工余量、工序尺寸，經(jīng)過對工序特點的分析，恰當選擇相應(yīng)加工設(shè)備和工藝裝備。接下來經(jīng)過計算查表確定活塞各主要工序的切削用量并繪制工序卡片，最后設(shè)計夾具。設(shè)計夾具時，要多方面考慮，嚴格要求，機床夾具的好壞直接影響工件加工表面的位置精度。所以，機床夾具設(shè)計是裝備設(shè)計中的一項重要的工作，是加工過程中最活躍的因素之一。在本畢業(yè)設(shè)計中特別設(shè)計了定位準確、結(jié)構(gòu)簡單和使用方便的精鏜銷孔夾具。關(guān)鍵字：活塞；工藝路線；加工設(shè)備；切削用量；夾具任何通過燃料在氣缸中燃燒，使燃油的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能，從而獲得動力的引擎都成為內(nèi)燃機。最常見的內(nèi)燃機有四種：奧托循環(huán)式發(fā)動機，柴油機，轉(zhuǎn)子發(fā)動機和煤氣機。根據(jù)這四種發(fā)動機的優(yōu)點，把它們應(yīng)用于不同的工況。奧托循環(huán)式發(fā)動機，是根據(jù)其發(fā)明者，德國機械師尼古拉斯.奧格事特.奧托的名字來命名的。是飛機上很常見的一種發(fā)動機；而柴油機是由法籍德國工程師 Rudolf Christian Karl Diesel 命名的。它是一種用柴油作為燃料的先進的發(fā)動機。普遍用在電子控機械、戰(zhàn)斗機、公共汽車、貨車以及一些小車上。奧托式發(fā)動機和柴油機的工作方式都是二沖程或者四沖程。奧托式發(fā)動機和柴油機的基本構(gòu)造都是一樣的。壓縮燃燒室是由一個一段由缸蓋另一端由活塞之間的空間所形成?；钊纳舷逻\動使得氣缸與活塞間的空間發(fā)生大小變化，從而改變壓縮空間的大小?；钊c曲軸之間通過連桿相互連接。曲軸將活塞的運動轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)式的運動。多氣缸式發(fā)動機的曲軸，在每一個氣缸處都會多一個稱為曲拐的結(jié)構(gòu)部分。這樣每個氣缸的動力才能很好的傳遞給曲軸，是曲軸的轉(zhuǎn)動平穩(wěn)。曲軸上接有飛輪并有平衡坑。這樣能夠使曲軸運動的慣性最小化，達到平衡的目的。不同的發(fā)動機會有一個到二十四個等的氣缸。內(nèi)燃機的燃料供給系統(tǒng)又油箱、油泵、和分油管以及使液體燃料霧化的機構(gòu)組成。在奧托式發(fā)動機上，并不是靠化油器來進行燃油霧化的，而是利用燃油的直接噴入，一直到現(xiàn)在都是如此。在大多數(shù)發(fā)動機上，燃料都是通過化油器霧化后通過壓氣機進入進氣管道。在部分發(fā)動機的排氣系統(tǒng)中，也會用到類似的裝置來通過利用廢氣的能2量對進氣充量進行壓縮。燃料平均分配給各個汽缸，而廢氣則通過排氣門排出。進排氣門的開閉都是通過凸輪軸的轉(zhuǎn)動從而牽動氣門彈簧作用到挺桿，在正確的時間是氣門開閉。在上世紀 80 年代，缸內(nèi)直噴技術(shù)開始用于內(nèi)燃機領(lǐng)域，從很大程度上代替了傳統(tǒng)的燃油與空氣相混合的技術(shù)。在有直噴裝置的發(fā)動機上，燃料會通過噴射系統(tǒng)在正確的時刻噴入汽缸或者進氣管。這樣燃料就會在汽缸里混合，這比化油器混合更充分，污染更小。所有的發(fā)動機上，火花塞的位置都必須適宜。比如奧托式發(fā)動機的點火系統(tǒng)包括低壓電源，即具有變壓性質(zhì)的初級線圈，從而導(dǎo)出直流電。電流會被一個機械式的定時調(diào)節(jié)器在一秒鐘內(nèi)方向發(fā)生多次變化。初級線圈中電流的擾動會產(chǎn)生脈沖，從而會在次級線圈中產(chǎn)生高壓電流。這個高壓電流會被分電器分配到各個汽缸，件叫做火花，一個安裝在汽缸頂部被叫做火花塞的零件。在火花塞末端的兩極間有一個間隙，高壓電流會擊穿這個點火間隙，從而點燃汽缸中的混合氣體。由于燃燒室的溫度太高，所有的發(fā)動機都必須有相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)。一些飛機、汽車、和船只上的舷外發(fā)動機采用風冷。這些采用風冷的發(fā)動機都必須有很多散熱片，一邊有較大的散熱面積，從而很好的帶走汽缸的熱量。除此之外的還有水冷系統(tǒng)，它是在發(fā)動機的汽缸中設(shè)有水套來達到冷卻的目的。在汽車上，冷卻液借助水泵的壓力在水套中流動，帶走熱量。還有一些汽車是利用風冷，海上船只則是用海水作為冷卻的介質(zhì)。與蒸汽機和渦輪機不同，內(nèi)燃機在發(fā)動時并不會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，并且扭矩的輸出必須要靠曲軸的轉(zhuǎn)動才行。汽車發(fā)動機的啟動要靠一個與曲軸箱嚙合的摩擦片，通過摩擦片的分離才能向外輸出力矩。小型的發(fā)動機有時需要手動的進行多次使離合器的松脫才能發(fā)動。有時候在大型發(fā)動機上，會有慣性啟動裝置，或者是借助手工輸入力矩知道驅(qū)動能量能使曲軸轉(zhuǎn)動。一邊帶動增壓器工作，來增加發(fā)動機的功率。一般，慣性啟動裝置和爆炸性質(zhì)的裝置都是在飛機上采用的。普通的奧托式發(fā)動機都是四沖程，也就是說，每一個工作循環(huán)中，活塞會有四個行程，兩個離缸蓋最近，另外兩個離缸蓋距離最遠。在第一個行程時，活塞遠離缸蓋，同時進氣門打開?；钊谶@個過程中的運動，使得燃料和空氣進入燃燒室混合。接著的行程，就是將混合后的氣體壓縮到燃燒室里。當活塞上行到最高點時，燃燒室的體積達到最小，火花塞就會點燃混合氣體，燃燒產(chǎn)生的膨脹壓力會作用在活塞上，使活塞遠離缸蓋，這就是第三個行程。在最后一個行程中，排氣門打開，活塞的上行會對燃燒后的氣體進行擠壓，是廢氣排出燃燒室，做好下一循環(huán)的準備。發(fā)動機的效率會受到很多因素的限制，例如冷卻損失以及摩擦損失。通常，發(fā)動機的效率是由其壓縮比決定的?，F(xiàn)在發(fā)動機的壓縮比一般在 8---10 之間。更高的壓縮比可以達到 15，效率的提高也可以通過采用辛烷值較高的燃料來實現(xiàn)?，F(xiàn)在，好的發(fā)動機的效率在 20％--25％，也就是說，只有這部分能量真正用于產(chǎn)生機械能量。理論上，柴油周期相比奧托循環(huán)的區(qū)別在于，它的壓縮過程是等容、等壓的。大多數(shù)柴油機都是采用四沖程，但卻與奧托式四沖程不一樣。首先，在進氣時，活塞向下運動，并通3過進氣門將空氣吸進燃燒室。其次，在壓縮時，活塞將空氣壓縮到比先前小很多倍的體積，并在這個過程中使空氣的溫度達到 440℃（等同于華氏 820℉） 。在壓縮結(jié)束的時候，蒸發(fā)的燃油被噴入汽缸，由于汽缸中的氣體高溫作用而立即燃燒。一些發(fā)動機上設(shè)有電子噴射輔助系統(tǒng)，在發(fā)動機發(fā)動直到加熱完成期間進行燃油噴射。這樣的壓縮過程為活塞進行第三個沖程提供強大的動力。第四個沖程跟奧托式四沖程發(fā)動機一樣，都是排氣過程。柴油機的效率，跟一般的奧托式發(fā)動機是受同樣的因素所影響的，但是稍好于奧托式發(fā)動機。事實上，現(xiàn)在發(fā)動機中，基本的效率都不會超過 40％。事實上，柴油機的曲軸轉(zhuǎn)速的 100—750 轉(zhuǎn)每分鐘，這等同于奧托式發(fā)動機的 2500—5000轉(zhuǎn)每分鐘。但是也有一些柴油機的轉(zhuǎn)速達到了 2000 轉(zhuǎn)每分鐘。因為柴油機的壓縮比高達 14 或者 15，這使得它們的體積較奧托式大，這個缺點正體現(xiàn)出柴油機的到效率和高燃油經(jīng)濟特性。好的設(shè)計一般采用奧托式循環(huán)或者二沖程的方式來代替四沖程的方式。因為同樣體積的發(fā)動機，二沖程的效率是四沖程的兩倍。二沖程的有點在于，縮短了燃料壓縮的時間，并且減少了燃料的浪費以及用半個沖程完成了四沖程發(fā)動機的一個壓縮沖程。在最簡單的二沖程發(fā)動機上，排氣門被廢氣管代替了。在二沖程循環(huán)中，燃料和空氣的混合氣體在活塞在汽缸中下行時進入曲軸箱。緊接著，燃料開始壓縮，并在活塞到達上至點是點燃。這是活塞在燃氣壓力的作用下下行，廢棄就會從排氣口由汽缸內(nèi)向外排出去。上世紀 50 年代，德國機械師菲利克斯.王科爾開發(fā)了一種新型的發(fā)動機。在這種發(fā)動機上，活塞和汽缸被一個在橢圓形燃燒室里旋轉(zhuǎn)的三角轉(zhuǎn)子所代替。混合燃料通過進氣口進入，然后分流到有轉(zhuǎn)子表面與端面形成的燃燒室里?；旌蠚怏w通過轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)得到壓縮，最后被火花塞點燃。然后，廢棄就會隨著轉(zhuǎn)子的運動從排氣口排出。循環(huán)過程中，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)一周，會出有三個沖程，而且在轉(zhuǎn)子的正反兩面產(chǎn)生壓力。正因為轉(zhuǎn)子發(fā)動機與柴油機相比，結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕，因而在汽車發(fā)動機中作用很大。另外，它簡單的結(jié)構(gòu)使得生產(chǎn)成本低，冷卻系統(tǒng)質(zhì)量輕，另外它的重心低，使得他的安全性得到了增加。在上世紀 70 年代初期，一條轉(zhuǎn)子發(fā)動機的生產(chǎn)線在日本落成。很多美國的汽車制造商都很看好這個項目。但是，由于轉(zhuǎn)子發(fā)動機的低燃料經(jīng)濟性很高污染性，最后沒能得到繼續(xù)的發(fā)展。日本的汽車制造商—馬自達，繼續(xù)了改善轉(zhuǎn)子發(fā)動機燃油經(jīng)濟性的設(shè)計和研發(fā)。發(fā)動機采用火花點火的改進方式，進行分層點火稀薄燃燒，幫助沒有使用廢氣再循環(huán)和催化轉(zhuǎn)換器的發(fā)動機減小排放量。它的特點在于在一個汽缸中有兩個燃燒室，當沖入的混合氣體過多是，備用燃燒室就會將多余的混合氣體儲存起來。火花塞會先點燃多余部分的混合氣，在將另一部分點燃。這樣最高火焰溫度就會比較合適，從而很好的限制 NOx 化合物的生成量以及 CO和 HC 的排放量。4