柴油发动机是如何工作的：活塞上为啥总扣个碗？为什么总是四个缸
文|时梦嫣
编辑|时梦嫣
引言：
小型农用柴油机是农村地区重要的动力来源之一，其高效、可靠、经济的特点使其在农业生产中得到广泛应用。
与汽油机相比，柴油机具有更高的效率和较低的燃料消耗，因此在工业、农业和交通运输等领域广泛应用。
柴油机基本原理是怎么样的?
一．柴油机基本原理
柴油机是一种内燃机，通过将燃料（柴油）在高温高压条件下燃烧，将燃料的化学能转化为机械能，驱动发动机工作。
柴油机与汽油机的区别，柴油机与汽油机在工作原理和燃料上存在明显的差异首先，柴油机采用压燃式燃烧，即在高压条件下使燃料自燃。
而汽油机采用火花塞点火式燃烧其次，柴油机的压缩比较高，通常在15：1至22：1之间，而汽油机的压缩比较低，一般在8：1至12：1之间，这使得柴油机能够实现更高的热效率和更低的燃料消耗。
柴油机的结构组成，柴油机主要由以下几个组成部分构成，气缸，气缸是发动机的主要工作部件，用于容纳活塞和燃烧空间，通常柴油机会有多个气缸，形成多缸柴油机，以提高功率和平稳性能。
活塞，活塞是柴油机内活动的部件，它在气缸内上下运动，通过连杆将动能传递给曲轴。在压缩冲程时，活塞将空气压缩至高压状态，形成理想的压燃条件。
曲轴，曲轴是柴油机的主要动力输出轴，它通过连杆将活塞的上下运动转换为旋转运动，从而驱动发动机的输出轴工作。
连杆，连杆是连接活塞与曲轴的部件，它通过曲轴轴承与活塞销相连，将活塞的运动转换为曲轴的旋转运动。
燃油喷射系统，燃油喷射系统是柴油机的重要组成部分，它负责将燃油喷射到气缸内，在高温高压条件下进行燃烧，燃油喷射的时间和方式直接影响发动机的性能和燃油经济性。
气门系统，气门系统控制气缸内空气的进出，包括进气门和排气门，它们的开关时机由凸轮轴控制，确保发动机的正常工作。
柴油的燃烧原理，柴油燃烧原理是柴油机工作的核心。在压燃式燃烧过程中，柴油在高温高压环境下瞬间自燃。
当活塞在压缩冲程将空气压缩至高压时，燃油喷射系统将柴油喷射到高温高压空气中，由于高压条件，柴油快速蒸发并与空气混合，形成可燃混合气。
在此过程中，由于空气压缩产生的高温导致柴油瞬间着火，发生自燃现象，释放大量的热能，燃烧产生的高温高压气体推动活塞向下运动，从而驱动发动机工作。
柴油机的工作循环，柴油机采用的是四冲程循环，也称为"Otto循环"，包括吸气冲程、压缩冲程、燃烧冲程和排气冲程。这个循环由曲轴的一周完成。
吸气冲程，活塞从上死点向下运动，气缸内的气门打开，外部空气进入气缸，充满气缸，压缩冲程，活塞从下死点向上运动，气门关闭，将空气压缩至高压状态，同时燃油喷射系统将柴油喷射到高压空气中。
燃烧冲程， 柴油在高压高温环境下瞬间自燃，形成高温高压气体，推动活塞向下运动，释放热能。
二．小型农用柴油机的构造
小型农用柴油机是一种用于农村地区的动力机械装置，它在农业生产中发挥着重要的作用。
发动机的主要部件，小型农用柴油机由多个部件组成，每个部件都有特定的功能，协同工作，使发动机能够顺利运转，以下是小型农用柴油机的主要部件：
缸体和缸盖， 缸体是发动机的主体结构，用于容纳气缸和活塞，缸盖位于缸体顶部，封闭气缸的上部，并且安装了气门和气门机构。
活塞和连杆，活塞是发动机内活动的部件，它通过连杆与曲轴相连，将燃烧产生的压力转换为连续的往复运动，连杆连接活塞和曲轴，将活塞的往复运动转换为曲轴的旋转运动。
曲轴和曲轴箱，曲轴是发动机的主要动力输出轴，它将连杆传递的动力转化为旋转力矩，曲轴箱是曲轴的外部保护壳，确保曲轴正常运转，并润滑曲轴。
气门和气门机构，气门用于控制气缸内空气的进出，气门机构负责控制气门的开启和关闭时机，确保发动机的各个工作循环正确进行。
燃油系统，燃油系统负责将燃油（柴油）输送到燃烧室，以供发动机燃烧，它包括燃油箱、燃油滤清器、燃油泵和喷油器等部件。
润滑系统，润滑系统用于提供润滑油，以减少发动机内部部件之间的摩擦和磨损，它包括油泵、油滤器、油冷却器和油箱等部件。
冷却系统，冷却系统用于保持发动机的工作温度在适宜范围内，它通过水泵将冷却液（通常为水和防冻液的混合物）循环送到发动机和散热器之间，以带走发动机产生的热量。
排气系统，排气系统用于将燃烧产生的废气排出发动机，它包括排气管和消声器等部件，以减少发动机产生的噪音和废气排放。
部件之间的协同工作，小型农用柴油机的各个部件之间密切合作，形成复杂的工作系统。
在发动机运转时，气缸内的活塞在吸气冲程时通过气门将新鲜空气吸入气缸，随后在压缩冲程时将空气压缩。
在燃烧冲程时，燃油喷射系统将柴油喷射到高温高压空气中，形成可燃混合气，自燃燃烧，推动活塞向下运动，释放热能。最后，在排气冲程时，废气通过排气门排出气缸，完成一个工作循环。
小型农用柴油机的特点，小型农用柴油机相较于大型柴油机具有以下特点，小巧轻便，小型农用柴油机设计紧凑，重量相对较轻，便于移动和安装，适应农村地区的使用条件。
经济高效，小型农用柴油机的燃油消耗相对较低，具有较高的热效率，节约燃料成本，可靠性强：小型农用柴油机通常采用简单可靠的结构，较少复杂部件，因此具有较高的可靠性和耐久性。
适应性广，小型农用柴油机适用于各种农业生产需求，如抽水、发电、喷灌和拖拉机等，具有广泛的应用场景。
三．柴油的燃烧过程
柴油的燃烧过程是小型农用柴油机工作的核心部分。柴油作为柴油机的燃料，在高温高压条件下进行燃烧，将化学能转化为热能和机械能。
压燃式燃烧的基本原理，柴油机采用的是压燃式燃烧，也称为压缩点火式燃烧，压燃式燃烧是将燃料在高压条件下自燃，而不需要外部点火源。
在压燃式燃烧中，柴油被喷射到高温高压空气中，由于高压条件，柴油迅速蒸发，并与空气充分混合形成可燃混合气。
在此过程中，由于空气的高温高压，柴油瞬间自燃，发生燃烧反应，释放大量的热能，燃烧产生的高温高压气体推动活塞向下运动，完成发动机的工作循环。
点火延迟，，点火延迟是指燃料喷射开始到实际燃烧开始的时间间隔。在柴油机的燃烧过程中，点火延迟对发动机的性能和排放产生重要影响。
当燃油喷射开始时，燃料需要一定时间与空气混合形成可燃混合气，这段时间就是点火延迟，
点火延迟的长短受到多种因素的影响，如燃油的喷射压力、喷油角度、气缸温度和压力等，过长的点火延迟会导致燃料在气缸内未充分混合和燃烧，增加燃料消耗和排放物的生成。
燃烧过程中的温度和压力变化，在燃烧过程中，气缸内的温度和压力会发生显著变化，在压缩冲程中，活塞将空气压缩至高压状态，导致气缸内温度迅速上升。
而在燃烧冲程中，燃料的自燃使气缸内的压力急剧上升，进一步增加温度，燃烧过程中的高温和高压使得柴油充分燃烧，产生大量的热能，推动活塞运动。
燃烧产物对环境的影响，柴油的燃烧产物主要包括二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、氮氧化物和颗粒物（PM）。其中，二氧化碳是主要的温室气体，对全球气候变化有影响。
一氧化碳是有毒气体，对人体健康有害。氮氧化物和颗粒物也对空气质量和健康产生不良影响因此，控制柴油机的燃烧过程，减少燃烧产物的生成，是减少柴油机对环境的影响的重要措施。
燃烧控制技术，为了减少燃烧过程中产生的排放物和提高热效率，柴油机采用了一系列燃烧控制技术，其中包括。
高压共轨燃油系统，高压共轨燃油系统能够实现更精确的燃油喷射控制，减少点火延迟和燃油喷射的不均匀性。
涡流室设计，涡流室设计能够提高燃烧过程中的空气和燃油混合效率，改善燃烧过程，减少排放物的生成。
排气再循环，排气再循环技术将一部分废气重新引入气缸，降低气缸温度，减少氮氧化物的生成。
高效颗粒捕集器，高效颗粒捕集器能够捕获颗粒物，减少颗粒物排放，选择性催化还原：技术通过将尿素溶液喷入排气系统，将氮氧化物转化为无害的氮和水，降低氮氧化物排放。
通过采用这些燃烧控制技术，小型农用柴油机的排放量和燃料消耗得到了有效控制，同时提高了发动机的性能和环保性能。
四．小型农用柴油机的未来发展
小型农用柴油机作为农村地区的重要动力设备，在农业生产中发挥着关键作用然而，随着科技的不断进步和社会的发展，小型农用柴油机也面临着新的挑战和机遇。
随着科技的不断进步，小型农用柴油机的技术也将不断创新和改进，在燃烧控制方面，高压共轨燃油系统、涡流室设计和排气再循环等技术将得到更广泛的应用。
以提高燃烧效率和降低排放物的产生同时，发动机的材料和制造工艺也将得到改进，提高发动机的耐久性和可靠性。
能源转型，随着全球对能源可持续发展的需求，未来小型农用柴油机可能面临能源转型的压力。
尽管柴油机在燃油效率和动力输出方面具有优势，但随着新能源技术的发展，如电动和氢燃料等。
小型农用柴油机可能面临更多的竞争，在未来，柴油机可能需要采取与新能源技术融合的方式，以满足不同的农业生产需求。
数字化应用，随着数字化技术的普及和应用，小型农用柴油机也将逐渐数字化，例如，通过传感器和数据采集技术，可以实时监测发动机的运行状态和性能。
帮助用户更好地进行维护和管理同时，人工智能和大数据分析技术的应用，可以对发动机的性能进行预测和优化，提高发动机的效率和可靠性。
小型农用柴油机的未来发展充满了挑战和机遇。通过技术创新、环保要求、能源转型、数字化应用和用户体验的提升，小型农用柴油机将不断适应市场需求。
为农村地区的农业生产提供更加高效、环保、智能化的动力支持同时，政府、企业和科研机构的合作与支持也将为小型农用柴油机的发展带来新的动力和契机。
参考文献：
小型农用柴油机油耗和排放的多目标优化 徐萌;王俊;文奕钧;史志鹏;王坤 中国农机化学报
小型农用柴油机基本工作原理与工作过程的分析 陈刚; 科技风
小型单缸农用柴油机增压研究进展 马传武;袁文华;高杰; 科技风
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