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1柴油機(jī)的工作原理【摘要】在柴油機(jī)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?？梢?，活塞是在高溫高壓下作長時(shí)間連續(xù)變負(fù)荷的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，它的負(fù)荷和工作環(huán)境很惡劣。在本設(shè)計(jì)中將對(duì)活塞的加工工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證活塞長久穩(wěn)定工作?，F(xiàn)將設(shè)計(jì)中所做的工作簡要介紹如下：柴油機(jī)活塞加工工藝合理性是很重要的，通過對(duì)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(duì)集中加工工藝方案，最終確定比較合理的機(jī)械加工工藝路線。制定工藝路線時(shí)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(duì)工序特點(diǎn)的分析，恰當(dāng)選擇相應(yīng)加工設(shè)備和工藝裝備。接下來經(jīng)過計(jì)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(jì)夾具。設(shè)計(jì)夾具時(shí)，要多方面考慮，嚴(yán)格要求，機(jī)床夾具的好壞直接影響工件加工表面的位置精度。所以，機(jī)床夾具設(shè)計(jì)是裝備設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)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(jì)中特別設(shè)計(jì)了定位準(zhǔn)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(jī)械能，從而獲得動(dòng)力的引擎都成為內(nèi)燃機(jī)。最常見的內(nèi)燃機(jī)有四種：奧托循環(huán)式發(fā)動(dòng)機(jī)，柴油機(jī)，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)和煤氣機(jī)。根據(jù)這四種發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，把它們應(yīng)用于不同的工況。奧托循環(huán)式發(fā)動(dòng)機(jī)，是根據(jù)其發(fā)明者，德國機(jī)械師尼古拉斯.奧格事特.奧托的名字來命名的。是飛機(jī)上很常見的一種發(fā)動(dòng)機(jī)；而柴油機(jī)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(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)。普遍用在電子控機(jī)械、戰(zhàn)斗機(jī)、公共汽車、貨車以及一些小車上。奧托式發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)的工作方式都是二沖程或者四沖程。奧托式發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)的基本構(gòu)造都是一樣的。壓縮燃燒室是由一個(gè)一段由缸蓋另一端由活塞之間的空間所形成?；钊纳舷逻\(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)式的運(yùn)動(dòng)。多氣缸式發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸，在每一個(gè)氣缸處都會(huì)多一個(gè)稱為曲拐的結(jié)構(gòu)部分。這樣每個(gè)氣缸的動(dòng)力才能很好的傳遞給曲軸，是曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)。曲軸上接有飛輪并有平衡坑。這樣能夠使曲軸運(yùn)動(dòng)的慣性最小化，達(dá)到平衡的目的。不同的發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)有一個(gè)到二十四個(gè)等的氣缸。內(nèi)燃機(jī)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(jī)構(gòu)組成。在奧托式發(fā)動(dòng)機(jī)上，并不是靠化油器來進(jìn)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(dòng)機(jī)上，燃料都是通過化油器霧化后通過壓氣機(jī)進(jìn)入進(jìn)氣管道。在部分發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)中，也會(huì)用到類似的裝置來通過利用廢氣的能2量對(duì)進(jìn)氣充量進(jìn)行壓縮。燃料平均分配給各個(gè)汽缸，而廢氣則通過排氣門排出。進(jìn)排氣門的開閉都是通過凸輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)從而牽動(dòng)氣門彈簧作用到挺桿，在正確的時(shí)間是氣門開閉。在上世紀(jì) 80 年代，缸內(nèi)直噴技術(shù)開始用于內(nèi)燃機(jī)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(dòng)機(jī)上，燃料會(huì)通過噴射系統(tǒng)在正確的時(shí)刻噴入汽缸或者進(jìn)氣管。這樣燃料就會(huì)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(dòng)機(jī)上，火花塞的位置都必須適宜。比如奧托式發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火系統(tǒng)包括低壓電源，即具有變壓性質(zhì)的初級(jí)線圈，從而導(dǎo)出直流電。電流會(huì)被一個(gè)機(jī)械式的定時(shí)調(diào)節(jié)器在一秒鐘內(nèi)方向發(fā)生多次變化。初級(jí)線圈中電流的擾動(dòng)會(huì)產(chǎn)生脈沖，從而會(huì)在次級(jí)線圈中產(chǎn)生高壓電流。這個(gè)高壓電流會(huì)被分電器分配到各個(gè)汽缸，件叫做火花，一個(gè)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(gè)間隙，高壓電流會(huì)擊穿這個(gè)點(diǎn)火間隙，從而點(diǎn)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(dòng)機(jī)都必須有相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)。一些飛機(jī)、汽車、和船只上的舷外發(fā)動(dòng)機(jī)采用風(fēng)冷。這些采用風(fēng)冷的發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的汽缸中設(shè)有水套來達(dá)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(dòng)，帶走熱量。還有一些汽車是利用風(fēng)冷，海上船只則是用海水作為冷卻的介質(zhì)。與蒸汽機(jī)和渦輪機(jī)不同，內(nèi)燃機(jī)在發(fā)動(dòng)時(shí)并不會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，并且扭矩的輸出必須要靠曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)才行。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)要靠一個(gè)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(dòng)機(jī)有時(shí)需要手動(dòng)的進(jìn)行多次使離合器的松脫才能發(fā)動(dòng)。有時(shí)候在大型發(fā)動(dòng)機(jī)上，會(huì)有慣性啟動(dòng)裝置，或者是借助手工輸入力矩知道驅(qū)動(dòng)能量能使曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)。一邊帶動(dòng)增壓器工作，來增加發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。一般，慣性啟動(dòng)裝置和爆炸性質(zhì)的裝置都是在飛機(jī)上采用的。普通的奧托式發(fā)動(dòng)機(jī)都是四沖程，也就是說，每一個(gè)工作循環(huán)中，活塞會(huì)有四個(gè)行程，兩個(gè)離缸蓋最近，另外兩個(gè)離缸蓋距離最遠(yuǎn)。在第一個(gè)行程時(shí)，活塞遠(yuǎn)離缸蓋，同時(shí)進(jìn)氣門打開?；钊谶@個(gè)過程中的運(yùn)動(dòng)，使得燃料和空氣進(jìn)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(dāng)活塞上行到最高點(diǎn)時(shí)，燃燒室的體積達(dá)到最小，火花塞就會(huì)點(diǎn)燃混合氣體，燃燒產(chǎn)生的膨脹壓力會(huì)作用在活塞上，使活塞遠(yuǎn)離缸蓋，這就是第三個(gè)行程。在最后一個(gè)行程中，排氣門打開，活塞的上行會(huì)對(duì)燃燒后的氣體進(jìn)行擠壓，是廢氣排出燃燒室，做好下一循環(huán)的準(zhǔn)備。發(fā)動(dòng)機(jī)的效率會(huì)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(dòng)機(jī)的效率是由其壓縮比決定的?，F(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比一般在 8---10 之間。更高的壓縮比可以達(dá)到 15，效率的提高也可以通過采用辛烷值較高的燃料來實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在，好的發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)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(jī)都是采用四沖程，但卻與奧托式四沖程不一樣。首先，在進(jìn)氣時(shí)，活塞向下運(yùn)動(dòng)，并通3過進(jìn)氣門將空氣吸進(jìn)燃燒室。其次，在壓縮時(shí)，活塞將空氣壓縮到比先前小很多倍的體積，并在這個(gè)過程中使空氣的溫度達(dá)到 440℃（等同于華氏 820℉） 。在壓縮結(jié)束的時(shí)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(dòng)機(jī)上設(shè)有電子噴射輔助系統(tǒng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)直到加熱完成期間進(jìn)行燃油噴射。這樣的壓縮過程為活塞進(jìn)行第三個(gè)沖程提供強(qiáng)大的動(dòng)力。第四個(gè)沖程跟奧托式四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，都是排氣過程。柴油機(jī)的效率，跟一般的奧托式發(fā)動(dòng)機(jī)是受同樣的因素所影響的，但是稍好于奧托式發(fā)動(dòng)機(jī)。事實(shí)上，現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)中，基本的效率都不會(huì)超過 40％。事實(shí)上，柴油機(jī)的曲軸轉(zhuǎn)速的 100—750 轉(zhuǎn)每分鐘，這等同于奧托式發(fā)動(dòng)機(jī)的 2500—5000轉(zhuǎn)每分鐘。但是也有一些柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到了 2000 轉(zhuǎn)每分鐘。因?yàn)椴裼蜋C(jī)的壓縮比高達(dá) 14 或者 15，這使得它們的體積較奧托式大，這個(gè)缺點(diǎn)正體現(xiàn)出柴油機(jī)的到效率和高燃油經(jīng)濟(jì)特性。好的設(shè)計(jì)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?yàn)橥瑯芋w積的發(fā)動(dòng)機(jī)，二沖程的效率是四沖程的兩倍。二沖程的有點(diǎn)在于，縮短了燃料壓縮的時(shí)間，并且減少了燃料的浪費(fèi)以及用半個(gè)沖程完成了四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)壓縮沖程。在最簡單的二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)進(jìn)入曲軸箱。緊接著，燃料開始?jí)嚎s，并在活塞到達(dá)上至點(diǎn)是點(diǎn)燃。這是活塞在燃?xì)鈮毫Φ淖饔孟孪滦?，廢棄就會(huì)從排氣口由汽缸內(nèi)向外排出去。上世紀(jì) 50 年代，德國機(jī)械師菲利克斯.王科爾開發(fā)了一種新型的發(fā)動(dòng)機(jī)。在這種發(fā)動(dòng)機(jī)上，活塞和汽缸被一個(gè)在橢圓形燃燒室里旋轉(zhuǎn)的三角轉(zhuǎn)子所代替?；旌先剂贤ㄟ^進(jìn)氣口進(jìn)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(diǎn)燃。然后，廢棄就會(huì)隨著轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)從排氣口排出。循環(huán)過程中，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)一周，會(huì)出有三個(gè)沖程，而且在轉(zhuǎn)子的正反兩面產(chǎn)生壓力。正因?yàn)檗D(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)與柴油機(jī)相比，結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕，因而在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì) 70 年代初期，一條轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)項(xiàng)目。但是，由于轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的低燃料經(jīng)濟(jì)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(dá)，繼續(xù)了改善轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計(jì)和研發(fā)。發(fā)動(dòng)機(jī)采用火花點(diǎn)火的改進(jìn)方式，進(jìn)行分層點(diǎn)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(dòng)機(jī)減小排放量。它的特點(diǎn)在于在一個(gè)汽缸中有兩個(gè)燃燒室，當(dāng)沖入的混合氣體過多是，備用燃燒室就會(huì)將多余的混合氣體儲(chǔ)存起來?；鸹ㄈ麜?huì)先點(diǎn)燃多余部分的混合氣，在將另一部分點(diǎn)燃。這樣最高火焰溫度就會(huì)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