第一章 柴油机的基本知识 第一章 柴油机的基本知识 第一节 柴油机的基本结构 第一节 柴油机的基本结构 一、柴油机的基本工作原理 一、柴油机的基本工作原理 柴油机是一种压缩发火的往复式内燃机它的基本工作原理是使燃油直接在发动机 的气缸中燃烧，将燃油的化学能转变成热能，从而生成高温高压的燃气，因燃气膨胀， 推动活塞运动，通过曲柄连杆对外做功，将热能转变为机械能 柴油机中燃油的化学能要经过燃烧才能转变成热能要燃烧就必须有空气为此， 在喷入燃油之前必须先使空气进入气缸但光有空气和燃油若无点火源（热源）还是不 能燃烧柴油机是压缩发火的，为此，要将从大气中吸入柴油机气缸内的室温空气，先 依靠活塞上行压缩，使之达到足够高的温度和压力此时再将燃油以雾化状态喷入，即 可在高温高压的空气中自然燃油燃烧后放出大量的热能，使燃气的压力、温度急剧增 高，在气缸内膨胀，推动活塞作功膨胀终了时，气体失去了作功能力，变成废气，排 出气缸，以便新气再次进入 综上所述，柴油机每作一次功，必须经过进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程 才能实行，进行了这五个过程就完成了一个工作循环然后不断重复进行这些过程，使 柴油机持续工作。
二、柴油机的基本结构 二、柴油机的基本结构 柴油机的基本结构如图 l-1 所示，柴油机要按前述工作原理工作，必须包括以下部 件、系统和装置 （一）固定部件 主要由气缸盖 1、气缸套 3、机体 10、机座 8、主轴承 9 等构成柴油机本体和运动件 的支承，并和有关运动部件配合构成柴油机的工作空间 （二）运动部件 主要由活塞 2、活塞销 4、连杆 5、连杆螺栓 6、曲轴 7 等组成它们与固定部件配 合完成空气压缩及热能到机械能的转换 （三）配气系统 它包括进气系统和排气系统 进气系统主要由空气滤清器、进气管件、气缸盖内的进气道、进气阀 16、气阀弹簧 20、摇臂 15、顶杆 13、凸轮轴 11 和凸轮轴传动机构等所组成，用来在规定的时间内向 气缸内充入足够的新鲜空气 排气系统主要由排气阀 19、气阀弹簧 20、摇臂 15、顶杆 13、凸轮轴 11 和传动机构 以及排气管、排气消音器等组成用来在规定时间内将气缸内作功后的废气排入大气 （四）燃油系统 图 1-l 柴油机的基本结构组成 图 1-l 柴油机的基本结构组成 l-气缸盖；2-活塞；3-气缸套；4-心活塞销；5-连杆；6-连杆螺栓；7-曲轴；8-机座；9-主轴承；10-机体；11-凸轮轴；12-喷油泵；13-顶杆；14-进气管；15-摇臂；16-过气阀；17-高压油管；18-喷油器；19-排气阀；20-气阀弹簧；21-排气管 它包括供应和喷射两个系统。
前者由日用油柜、燃油滤清器，输油泵等组成，后者 由喷油泵 12，高压油管 17 和喷油器 18 组成其功用是供给柴油机燃烧作功所需的燃 油 （五）润滑系统 主要作用是润滑摩擦表面，以减少机件的磨损，延长使用寿命，降低摩擦功率损 失，提高机械效率 （六）冷却系统 主要作用是维持柴油机受热零部件在合适的温度状态下工作 （七）起动系统 柴油机本身无自行起动能力起动系统的任务就是使柴油机从停车状态发动起来 （八）调速装置 调速装置的作用是使柴油机能按外界阻力矩的变化而自动改变喷油泵的喷油量，从 而使柴油机在选定转速下稳定运转 以上部件、系统和装置组成一台柴油机此外，船舶柴油机还设有换向装置，并将 起动、调速、换向和停车集中控制组成操纵系统多数柴油机还设有增压系统，用于进 一步提高柴油机作功能力 三、柴油机的主要几何名称 三、柴油机的主要几何名称 柴油机的主要几何名称如图 1-2 所示： 1．气缸直径 D：气缸套的名义内径 2．曲柄半径 R：曲轴的曲柄销中心与主轴颈中心间的距离 3．上止点：活塞在气缸中运动到最上端，即离曲轴中心线最远时的位置 4．下止点：活塞在气缸中运动到最下端，即离曲轴中心线最近时的位置。
5．冲程 S：又称行程活塞在上、下止点间的运行距离它等于曲柄回转半径的两 倍，即 S＝2R 6．压缩室容积 Vc：活塞位于上止点时，活塞顶与气缸盖底面之间的气缸容积，又称 燃烧室容积 7．气缸工作容积 Vh：活塞从上止点到下止点所扫过的气缸容积 SDVh⋅=2 4π（1-1） 8．气缸总容积 Va：活塞位于下止点时，活塞顶以上的全部气缸容积，它是压缩室容 积和工作容积之和 Va＝ Vc ＋ Vb （1-2） 9．压缩比ε：气缸总容积与压缩室容积的比值常以ε表示，即： chchcca VV VVV VV+=+==1ε （1-3） 图 l-2 柴油机的主要几何名称 图 l-2 柴油机的主要几何名称 压缩比表明压缩过程中进入气缸内的空气被压缩的程度它是柴油机的主要性能参 数之一压缩比越大，进气就被压缩得越厉害，压缩终点的温度和压力就越高，燃油越 容易燃烧，柴油机越容易起动，而且热效率也越高但压缩比过高时，将使柴油机工作 粗暴，机件受力过大，磨损加剧，同时也将使压缩过程所消耗的压缩功增大，柴油机的 机械效率下降，输出功率降低。
已有的柴油机，其压缩比均有一个确定值一般为： 低速柴油机，ε＝13～15； 中速柴油机，ε＝14～17； 高速柴油机，ε＝15～22； 增压柴油机，ε＝11～14 当气缸直径与活塞冲程确定后，气缸工作容积 Vh也随着确定了，所以若要调整压缩 比，可通过改变压缩容积 Vc来实现 第二节 四冲程柴油机的工作原理 第二节 四冲程柴油机的工作原理 一、四冲程柴油机工作原理 一、四冲程柴油机工作原理 若柴油机工作循环的五个过程是通过四个冲程（即曲轴回转两周）来完成的，这种 柴油机就叫四冲程柴油机 图 1-3 中的四个简图分别表示柴油机工作循环五个过程进行的情况以及活塞、曲 轴、气阀等部件的有关动作位置 图 1-3 四冲程柴油机工作原理 图 1-3 四冲程柴油机工作原理 第一冲程——进气冲程 这一冲程的任务是使气缸内充满新鲜空气（如图 1-3a）所示） 活塞由上止点下行， 进气阀 a 已打开，由于气缸容积不断增大，缸内压力下降，依靠气缸内外的气压差作 用，新鲜空气通过进气阀被吸入气缸由于受流阻等影响，在进气过程的大部分时间 里，气缸内压力低于大气压力，到下止点时，缸内气压约为 0.08MPa～0. 095MPa （0.8kgf／cm2～0.95kgf／cm2） ，温度约为 30℃～70℃。
这时，排气阀和喷油器均关闭着 为了使柴油机作功更完善，必须在进气过程尽可能多吸入新鲜空气为此，整个进 气过程是超过曲柄转角 180°的， （如图 1-3a）曲柄位于点 1 时进气阀已打开，曲柄位于 点 2 时进气阀才关闭进气阀开启始点至上止点的曲柄转角叫做进气提前角下止点到进气阀关闭位置的曲柄转角叫做进气延迟角整个进气过程所占的总角度21−ϕ（图中阴影线所示的角度）约为 220°～250°曲柄转角进气热力过程变化见图 a）中 1—2 曲 线 第二冲程——压缩冲程 这一冲程的任务是压缩第一冲程吸入的空气，提高空气的温度与压力，为柴油机燃 烧及膨胀作功创造条件活塞从下止点向上运动，自进气阀 a 关闭（曲柄到达点 2）开始 压缩，一直到活塞到达上止点（曲柄到达点 3）为止活塞上行，气缸容积减少，缸内气 体压力和温度随之升高，到达压缩终点时，压力增高到 3MPa～6MPa（约 30kgf／cm2～60kgf／cm2） ，温度升至 600℃～700℃（柴油的自燃温度为 270℃左右）通常压缩终了的气体压力和温度分别用 PC和 tC表示 四冲程机压缩过程所占的总角度32−ϕ约为 140°～160°曲柄转角，压缩热力过程变化如图 1-3b）2—3 曲线。
第三冲程——燃烧和膨胀冲程 这一冲程的任务是完成两次能量转换在活塞到达上止点前，燃油经喷油器 C 以雾 状喷入气缸的高温高压空气中，并与其混合，在上止点附近自燃，由于燃油强烈燃烧， 使气缸内气体温度迅速上升到 1400℃～1800℃或更高些，压力增加至 5MPa～8Mpa，甚至 13MPa 以上燃烧产生的最高压力称最高爆发压力，用 Pz表示，最高温度用 tz表示高 温高压燃气（即工质）膨胀推动活塞下行作功在上止点后的某一时刻（曲柄位于点 4） 燃烧基本结束，燃气继续膨胀，到排气阀 b 在下止点前点 5 开启时膨胀过程结束膨胀 终了时气缸内气体压力 pb约为 0.25MPa～0.45MPa，温度 tb约为 600℃～700℃ 四冲程机燃烧膨胀过程所占的总角度543−−ϕ；约为 130°～160°曲柄转角热力过程变化如图 1-3c）3—4—5 曲线 第四冲程——排气冲程 这一冲程的任务是将作功后的废气排出气缸外，为下一循环新鲜空气的进入提供条 件这一阶段，要求废气排得越干净越好，所以与进气阀启闭一样，排气阀也是提前开 启，延迟关闭排气阀 b 开启时，活塞尚在下行，废气靠气缸内外压力差进行自由排 气。
从排气阀开启到下止点的曲柄转角叫做排气提前角当活塞从下止点上行时，废气 被活塞推出气缸，此时排气过程是在略高于大气压力（约 1.05～1.1 大气压） ，且在压力 基本不变的情况下进行的排气阀一直延迟到活塞到达上止点之后（曲柄位于点 6）才关 闭，这样可利用气流的惯性作用，继续排出一些废气上止点到排气阀关闭位置的曲柄 转角叫做排气延迟角 四冲程机排气冲程所占的总角度65−ϕ约为 210°～240°曲柄转角其热力过程变化如图 l-3d）5－6 曲线 柴油机经过上述四个冲程，完成了一个工作循环活塞继续运动，另一个新的循环 又按同样顺序重复进行，连续不断，使柴油机持续运转 二、四冲程柴油机的定时 二、四冲程柴油机的定时 在每个工作循环中，各过程的始点与终点一般不在上、下止点上，而是偏离上、下 止点一定的曲柄转角以上、下止点为基准，用曲柄转角表示的进排气阀、喷油器、起 动阀开启和完全关闭的时刻总称为柴油机的定时（正时） 气阀启闭时刻称为配气定时，喷油器开启时刻称为喷油定时起动阀启闭时刻称为起动定时 各种柴油机的定时是不同的，说明书上常用表格或定时图来表示所谓定时图，就 是将柴油机的各种定时，以上、下止点为基准，按一定的转向，用曲柄转角位置来表示 在同一个圆上的图形。
图 1-4 为 6350C 型柴油机定时图曲柄转向（自飞轮端看）为顺时针从图中可以 看出其各项定时情况如表 1-1 所示 由图 1-4 及表 1-1 可以看出，在进气上止点前后进排气阀同时开启着，这段重叠的 曲柄转角称为气阀重叠角适当的气阀重叠角不仅不会使废气倒灌入进气管，而且还有 利于废气的清除和新空气的充入因为此时废气因流动惯性按原方向继续排出气缸，进 气阀开度尚小，故不会向进气管内倒灌，且在惯性排气时，在燃烧室内形成低压，造成 抽吸气体的有利条件，可将新气吸入气缸新鲜气充入后又可更好地将废气扫出，实行 了所谓“燃烧室扫气” 新鲜的空气对燃烧室壁面能起到冷却作用 图 l-4 6350C 型柴油机定时图 图 l-4 6350C 型柴油机定时图 四冲程柴油机定时（以曲柄转角计） 表 1-1 四冲程柴油机定时（以曲柄转角计） 表 1-1 第三节 二冲程柴油机的工作原理 第三节 二冲程柴油机的工作原理 每两个冲程（曲柄回转一周）完成一个工作循环的柴油机称为二冲程柴油机采用 它，主要是为了提高柴油机的功率。
其工作循环也是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气 五个过程所组成它与四冲程机在具体结构及工作原理方面有较大差异 二冲程柴油机与四冲程柴油机基本结构相同，主要差异在配气机构方面二冲程柴 油机没有进气阀，有的连排气阀也没有。