柴油機是用柴油作燃料的內(nèi)燃機。柴油機屬于壓縮點火式發(fā)動機，它又常以主要*狄塞爾的名字被稱為狄塞爾引擎。

柴油機在工作時，吸入柴油機氣缸內(nèi)的空氣，因活塞的運動而受到較高程度的壓縮，達到500～700℃的高溫。然后將燃油以霧狀噴入高溫空氣中，與高溫空氣混合形成可燃混合氣，自動著火燃燒。燃燒中釋放的能量作用在活塞頂面上，推動活塞并通過連桿和曲軸轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機械功。


法國出生的德裔工程師狄塞爾，在1897年研制成功可供實用的四沖程柴油機。由于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，只用于固定作業(yè)。二十世紀初，開始用于船舶，1905年制成*臺船用二沖程柴油機。

1922年，德國的博施發(fā)明機械噴射裝置，逐漸替代了空氣噴射。二十世紀20年代后期出現(xiàn)了高速柴油機，并開始用于汽車。到了50年代，一些結(jié)構(gòu)性能更加完善的新型系列化、通用化的柴油機發(fā)展起來，從此柴油機進入了專業(yè)化大量生產(chǎn)階段。特別是在采用了廢氣渦輪增壓技術(shù)以后，柴油機已成為現(xiàn)代動力機械中zui重要的部分。



柴油機可按不同特征分類：按轉(zhuǎn)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。


柴油機種類繁多。①按工作循環(huán)可分為四沖程和二沖程柴油機。②按冷卻方式可分為水冷和風冷柴油機。③按進氣方式可分為增壓和非增壓（自然吸氣）柴油機。④按轉(zhuǎn)速可分為高速（大于1000轉(zhuǎn)／分）、中速（350～1000轉(zhuǎn)／分）和低速（小于350轉(zhuǎn)／分）柴油機。⑤按燃燒室可分為直接噴射式、渦流室式和預燃室式柴油機。⑥按氣體壓力作用方式可分為單作用式、雙作用式和對置活塞式柴油機等。⑦按氣缸數(shù)目可分為單缸和多缸柴油機。⑧按用途可分為船用柴油機、機車柴油機、汽車柴油機、發(fā)電柴油機、農(nóng)用柴油機、工程機械用柴油機等。


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(fā)性較差的重質(zhì)燃料或劣質(zhì)燃料，如原油和渣油等。

在燃用原油和渣油時，除須濾除雜質(zhì)和水分外，還要對供油系統(tǒng)進行預熱保溫，降低粘度，以便輸送和噴射。柴油機如采用某種合適的燃燒室也可燃用乙醇、汽油和甲醇等輕質(zhì)燃料。為了改善輕質(zhì)燃料的著火性，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(fā)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(fā)動機稱為雙燃料內(nèi)燃機。


柴油發(fā)動機的燃燒過程一般分為著火延遲期、速燃期、緩燃期和后燃期四個階段。

著火延遲期是指從燃料開始噴射到著火，其間經(jīng)過噴散、加熱蒸發(fā)、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(shù)，對燃燒放熱過程的特性有直接影響。

在著火延遲期內(nèi)噴入燃燒室的燃料，在速燃期內(nèi)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于混合的速度。因此，加強燃燒室內(nèi)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*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，而拖到膨脹行程的后期放出的熱量不能得到充分利用，因此應盡量避免燃料在后燃期燃燒。


燃燒室的優(yōu)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(guān)鍵。

燃燒室按組織燃燒過程的特點和結(jié)構(gòu)不同分為開式、半開式、預燃室式和渦流室式四類。前兩類屬于直接噴射式燃燒室；后兩類屬于分隔式燃燒室。

低速柴油機和部分中、高速柴油機主要用無渦流的開式燃燒室。燃燒室由氣缸蓋底面和活塞頂面形成，具有一定形狀的整體空間。多孔噴油器（6～10孔）能使燃油霧化良好，并均勻分布在燃燒室空間。因此，開式燃燒室中的燃燒屬于典型的空間式燃燒過程，要求燃燒室與油束形狀和分布相配合。它的優(yōu)點是燃料消耗率低，起動容易；缺點是燃料霧化要求高，難于適應變轉(zhuǎn)速工作。

小型高速柴油機大多采用有渦流的半開式燃燒室。這種燃燒室又分為多種類型，主要有油膜式燃燒室和復合式燃燒室等。

油膜式燃燒室是1956年由德國的莫勒所發(fā)明。燃燒室位于活塞頂內(nèi)，呈球形。燃料噴向燃燒室壁面，大部分燃油在強渦流作用下噴涂在燃燒室壁面上，形成很薄的油膜，小部分燃油霧化分布在燃燒室空間并首先著火，隨后即引燃從壁面上蒸發(fā)的燃料。這種燃燒室可使工作過程柔和，燃燒*，聲輕無煙，并可使用輕質(zhì)燃料；缺點是低溫時起動較困難。

復合式燃燒室是1964年由中國的史紹熙等發(fā)明，燃燒室在活塞頂內(nèi)呈深盆形，口部略有收縮，用特殊形狀的進氣道形成進氣渦流，采用單孔軸針式噴油器。噴油器軸線與燃燒室壁面基本平行，燃料噴向燃燒室的周邊空間。在渦流作用下，粗大的油粒散落在燃燒室壁面上形成油膜，細小的油粒在空間與空氣混合。當轉(zhuǎn)速較高時，燃燒室渦流速度高，壁面上的油膜燃料增多，具有油膜燃燒的特點；而在低轉(zhuǎn)速和起動時，渦流速度低，空間混合的燃料量增多，具有空間式燃燒的特點，能改善冷起動性能。

復合式燃燒室把油膜蒸發(fā)混合燃燒與空間混合燃燒合理地結(jié)合起來，兼有兩者的優(yōu)點，故又稱為復合式燃燒系統(tǒng)，其工作過程柔和，可燃用多種燃料，對噴油系統(tǒng)要求低，而且起動容易。缺點是低負荷排氣中未燃的碳氫化物含量較高。

預燃式燃燒室由預燃室和主燃燒室兩部分組成。預燃室在氣缸蓋內(nèi)，占壓縮容積的25～40％，有一個或數(shù)個通孔與主燃燒室連通。燃料噴入預燃室中，著火后部分燃料燃燒，將未燃的混合物高速噴入主燃燒室，與空氣進一步混合燃燒。這種燃燒室適用于中小功率柴油機。

渦流式燃燒室由渦流室和主燃燒室組成。渦流室位于氣缸蓋上，呈球形或倒鐘形，占總壓縮容積的50～80％，有切向通道與主燃燒室相通。在壓縮行程時，壓入渦流室的空氣產(chǎn)生強烈的渦流運動，促使噴入其中的燃料與空氣混合。著火后混合物流入主燃燒室，形成二次流動，進一步與主燃燒室內(nèi)的空氣混合燃燒。

渦流室燃燒室和預燃室燃燒室都用軸針式噴油器，噴油壓力較低，工作可靠；由于渦流室內(nèi)渦流隨轉(zhuǎn)速增高而加強，柴油機高轉(zhuǎn)速時柴油和空氣仍能很好地混合。

渦流室式柴油機的轉(zhuǎn)速可達4000轉(zhuǎn)/分以上，工作過程柔和，排氣中有害成分較少。但散熱損失和氣體流動損失大，而且后燃較嚴重，故燃料消耗率較高；冷車起動困難，往往需要加裝預熱塞。


柴油機具有熱效率高的顯著優(yōu)點，其應用范圍越來越廣。隨著強化程度的提高，柴油機單位功率的重量也顯著降低。為了節(jié)能，各國都在注重改善燃燒過程，研究燃用低質(zhì)燃油和非石油制品燃料。此外，降低摩擦損失、廣泛采用廢氣渦輪增壓并提高增壓度、進一步輕量化、高速化、低油耗、低噪聲和低污染，都是柴油機的重要發(fā)展方向。  


　　柴油機革命
　　VW TDI ENGINE
　　以某些專家的眼光看，以往人們對柴油機存在一些誤解，隨著寶來TDI和奧迪V6 2.5TDI的相繼上市，讓我們有機會接觸一下含技術(shù)的產(chǎn)品--大眾TDI柴油機。
　　TDI發(fā)動機采用渦輪增壓中冷和柴油直噴技術(shù)，所謂柴油直噴是把燃料直接噴射到主燃燒室，而不是以前常見的噴射到預燃室內(nèi)。柴油直噴技術(shù)以前在大型柴油機中出現(xiàn)過，經(jīng)過改進和細化，現(xiàn)在已經(jīng)能夠應用到乘用車柴油機上。與大眾以往柴油機相比，TDI機型擁有許多優(yōu)勢。
　　電控燃油噴射系統(tǒng)帶來更大的功率、更少的碳煙排放、更小的噪音和更佳的經(jīng)濟性。在大眾的TDI發(fā)動機上，噴油時間和噴油量都由電腦控制，而以前的柴油機采用機械控制方式。冷啟動按鈕已經(jīng)消失，相應的操作由發(fā)動機自動完成。
　　TDI機型上的Garret VNT15 可變截面渦輪增壓器使增壓技術(shù)達到一個新的臺階，它有更快的響應（盡管以前機型的增壓滯后現(xiàn)象也比較輕微），起效范圍更加寬廣，同時不會造成排氣背壓過高的問題。在大眾的TDI發(fā)動機中，增壓響應被控制在0.25秒內(nèi)，駕駛員根本感覺不到增壓滯后的存在。
　　電子排放控制包括EGR（廢氣再循環(huán)），有效地降低了氮氧化物的排放，從前大眾柴油機上沒有該裝置是由于機械控制很難做到非常恰當。噴嘴設計的改進和噴油壓力的提高意味著噪音和排放的降低，兩段式噴口設計使壓力增加平緩并降低了發(fā)動機工作過程中的敲擊聲。
　　一體式燃燒室比以前的預燃式燃燒室減少了熱量損失，冷啟動變得更容易，以前選裝的缸體加熱裝置也沒有必要再安裝了。即使在零下10度，新加熱塞設計能使加熱周期縮短10秒。一體式燃燒室允許更低的壓縮比（18.5：1或19.5：1對老機型的22：1或23：1），可以降低發(fā)動機的噪音和震動，進而提升耐久性。
　　TDI發(fā)動機的燃油系統(tǒng)有自己的特征，現(xiàn)在有三種燃油噴射系統(tǒng)，首先是分配泵系統(tǒng)，由燃油泵向噴嘴順序供油（舊機型油壓在931巴，新機型壓力更高），噴油時間和噴油量都由電腦控制。大多數(shù)大眾TDI發(fā)動機使用博世VP 37 電控分配泵，通常它安裝在發(fā)動機前端，由正時皮帶驅(qū)動。分配泵和噴嘴之間是高壓鋼油管。這一系統(tǒng)應用在90和100馬力的4缸1.9升機型上，還有2.5升5缸機以及150馬力2.5升V-6上。在分配泵內(nèi)，燃油首先通過葉片提升壓力，隨后旋轉(zhuǎn)柱塞泵把壓力進一步提升并按順序把燃油送到每一缸噴油。每個噴嘴包含帶回位彈簧的活塞，一旦燃油壓力超過設定值，噴口即打開。5個噴口直徑極小。回位彈簧按兩級工作，即預噴在低壓下進行，主噴則在高壓下進行。主噴可以在混合器點火后繼續(xù)進行，有效地降低了發(fā)動機的噪音。提高燃油噴射壓力可以顯著地改善排放水平，例如奧迪A4 TDI把噴射壓力提升到1368巴，把排氣顆粒水平降低了20%。所付出的代價是把燃油泵中的柱塞加粗1毫米。
　　其它大眾TDI機型如115馬力和150馬力1.9升4缸機，1.2和1.4升3缸機采用泵噴嘴技術(shù)，在這些機型上，每缸有自己的小型高壓燃油泵，由進排氣凸輪軸驅(qū)動，泵噴嘴由低壓葉片泵供油，當活塞接近壓縮行程的上至點時，泵噴嘴的主泵活塞受到激發(fā)，但噴油量由附在其上的電磁閥控制，多余油量由旁通閥流回。電磁閥通電時，旁通閥關(guān)閉，燃油以高壓形式通過噴嘴噴出，要停止噴油，只要給電磁閥斷電，燃油即從旁通閥回流。噴油時間就是電磁閥開啟時間，且每缸的燃油噴射是獨立完成的，便于精確控制。
　　zui后一種是高壓共軌噴射系統(tǒng)，它的概念有點類似于汽油機噴射系統(tǒng)，只不過油軌內(nèi)的壓力提高了1000倍。*油泵把高壓油送入油軌，在油軌上對應每缸有相應的電磁閥控制燃油進入噴嘴。盡管說起來簡單，但超高壓使系統(tǒng)建造并不容易。這套系統(tǒng)應用在180馬力2.5升V6機和3.3升V8機型上。
　　渦輪增壓器的作用是增加發(fā)動機的進氣量，使功率和扭矩都有較大幅度的增長。它工作起來就像一臺微型航空發(fā)動機，渦輪位于柴油機排氣系統(tǒng)上，把排氣能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)動能，驅(qū)動壓縮機把更多的進氣送入燃燒室。增壓器與發(fā)動機沒有任何的機械連接，因此不會消耗發(fā)動機的能量，其潤滑和冷卻由發(fā)動機上引出的機油來完成。（林揚）