柴油机的基础知识

现代柴油机原理与维修保养整理编辑：邓海俨2010年目录第一章：柴油机的基础知识

第二章：柴油机使用与维修的基本要求第三章：柴油机电控高压共轨喷油系统的结构与维修

第四章：柴油机起动异常故障分析与排除第五章：柴油机排烟异常故障分析与排除

第六章：柴油机运行异常故障分析与排除第七章：柴油机机械异常损坏故障分析与排除第八章：现代柴油机维修与保养的综合实用知识

前言自19世纪末德国人鲁道夫．狄塞尔制造出世界上第一台柴油机开始，柴油机经过了100多年的发展，到今天已经取得了前所未有的长足进步。由最初简单的自然进气、机械喷油发展到今天的涡轮增压、电控喷油。而电子控制技术在柴油机上的全面应用，使得柴油机行业更是如虎添翼。今天的柴油机正在越来越接近人们预期的低污染、环保、动力强劲的愿望，我们相信，随着科学技术的不断进步，柴油机行业也将取得更大的发展。

随着柴油机技术的不断发展和电子技术的广泛应用，给柴油机行业的服务从业人员提出了全新的要求。以前那些普通柴油机的使用、维修、保养、故障诊断与排除经验，或多或少都受到了不同程度的挑战，一切需要重新开始。本教材尽可能多地讲述柴油机（特别是电控高压共轨柴油机）的使用、维修、保养、故障分析、故障诊断与排除方面的知识和经验总结，为广大柴油机用户和柴油机维修服务从业人员尽可能多的帮助，借以达到为柴油机维修服务从业人员拓宽思路的目的。柴油机简史

针对蒸汽机效率低的弱点，狄塞尔专注于开发高效率的内燃机。当时尼古拉斯·奥托发明的点火式内燃机已较成熟，但那时奥托发动机的燃料是煤气，储存、携带均不方便，效率也受到影响。１９世纪末，石油产品在欧洲极罕见，于是狄塞尔决定选用植物油来解决机器的燃料问题（他用于实验的是花生油）。因为植物油点火性能不佳，无法套用奥托内燃机的结构。狄塞尔决定另起炉灶，提高内燃机的压缩比，利用压缩产生的高温高压点燃油料。后来，这种压燃式发动机循环便被称为狄塞尔循环。

1892年，狄塞尔终于能够向全世界展示自己的成果一台实用的柴油动力压燃式发动机。这种发动机功率大，油耗低，可使用劣质燃油，显示出辉煌的发展前景。1922年，德国的博世公司发明机械燃油喷射装置1924年，美国的康明斯公司正式采用了泵-喷油器，这一发明有效地了提升了柴油机的质量，同年在柏林汽车展览上MAN公司展示了一台装备柴油机的卡车，这是第一台装有柴油机的汽车。不久以后，博世公司开始正式生产标准柱塞泵、喷油器，正是由于柱塞泵的普及，为柴油机安装在汽车上提供了基础。1936年，奔驰公司生产出了第一台柴油机轿车260D。在上世纪60-70年代，康明斯公司研制成功完全不同于柱塞泵的PT喷油系统，从而大规模的提高了喷油压力。70年代以后，博世公司把电控汽油机喷射技术引用回柴油机，从而让柴油机的发展和使用进入了一个新纪元。第一章：柴油机的基础知识第一节：柴油机的基本概念第二节：柴油机的基本术语第三节：柴油机的工作原理

第四节：柴油机的基本参数第五节：柴油机的结构

第六节：现代柴油机新技术

第一节：柴油机的基本概念

一、概述柴油机是用柴油作燃料的内燃机。柴油机属于压燃式内燃机，它又常以主要发明者德国人鲁道夫．狄塞尔的名字而称为狄塞尔引擎。柴油机在工作时，吸入柴油机气缸内的空气，因活塞的运动而受到较高程度的压缩，达到500～700℃的高温。然后将燃油以雾状喷入高温空气中，与高温空气混合形成可燃混合气，自动着火燃烧。燃烧中释放的能量作用在活塞顶面上，推动活塞并通过连杆和曲轴转换为旋转的机械功。因此，柴油机实际上就是一部将燃料的化学能转换为机械能并对外输出动力的机器。它以柴油为燃料，所以称为柴油机。直列往复式柴油机目前应用最普遍的柴油机是直列，往复式柴油机。往复活塞式柴油机的工作腔称作气缸，气缸内表面为圆柱形。在气缸内作往复运动的活塞通过活塞销与连杆的一端铰链，连杆的另一端则与曲轴相连，构成曲柄连杆机构。因此，当活塞在气缸内作往复运动时，连杆便推动曲轴旋转。这种形式柴油机的构造，一般由机体、曲轴、缸盖、活塞、缸套、气门、连杆、飞轮等组成。如图-1中所示：图1-1二、柴油机分类

柴油机种类繁多，其分类方式有：（1）按工作循环可分为四冲程和二冲程柴油机。（2）按冷却方式可分为水冷和风冷柴油机。（3）按进气方式可分为增压和自然吸气柴油机。（4）按转速可分为：

①高速柴油机（大于1000r.p.m）；

②中速柴油机（350～1000r.p.m）；

③低速柴油机（小于350r.p.m）。（5）按燃烧室可分为直接喷射式、涡流室式和预燃室式柴油机。（6）按气体压力作用方式可分为单作用式、双作用式和对置活塞式柴油机等。（7）按气缸数目可分为单缸和多缸柴油机。（8）按用途可分为船用柴油机、机车柴油机、汽车柴油机、发电柴油机、农用柴油机、工程机械用柴油机等。（9）按气缸布置方式可分为直列式柴油机、V型柴油机、水平对置柴油机、星型柴油机、王字型柴油机等。车用柴油机以直列和V型布置为多。（10）按燃料分为轻质燃料柴油机和重油柴油机等。按工作循环可分为四冲程和二冲程柴油机-二冲程二冲程柴油机曲轴旋转一圈(360°)，活塞在气缸内上下往复运动两个行程，完成一个工作循环的柴油机称为二冲程柴油机。(1).第一行程活塞：自下止点向上止点移动完成换气和压缩(2).第二行程活塞：自上止点向下止点移动完成作功和排气图1-2按工作循环可分为四冲程和二冲程柴油机-四冲程曲轴转两圈(720°)，活塞在气缸内上下往复运动四个行程，完成一个工作循环的柴油机称为四冲程柴油机。四冲程柴油机：柴油机曲轴旋转720°完成进气、压缩、作功、排气四个冲程的工作循环称作四冲程柴油机。四冲程柴油机一个冲程曲轴的转角为：180°如图1-3图1-3按冷却方式可分为水冷和风冷柴油机-水冷

水冷柴油机是利用在气缸体和气缸盖冷却水套中进行循环的冷却液作为冷却介质进行冷却图1-4按冷却方式可分为水冷和风冷柴油机-风冷风冷柴油机是利用流动于气缸体与气缸盖外表面散热片之间的空气作为冷却介质进行冷却图1-5按进气方式可分为增压和非增压（自然吸气）柴油机增压柴油机自然吸气柴油机图1-6图1-7按气缸数目可分为单缸和多缸柴油机柴油机根据气缸数目不同可以分为单缸柴油机和多缸柴油机。仅有一个气缸的柴油机称为单缸柴油机；有两个以上气缸的柴油机称为多缸柴油机。如双缸、三缸、四缸、五缸、六缸、八缸、十二缸等都是多缸柴油机。现代车用柴油机多采用四缸、六缸、八缸柴油机。图1-8按用途可分为车用、工程机械用、船用、发电机组等

车用柴油机船用柴油机工程机械用柴油机发电机组图1-9柴油机根据气缸排列方式不同可以分为单列式和双列式。单列式柴油机的各个气缸排成一列，一般是垂直布置的，也称为直列式。但为了降低高度，有时也把气缸布置成倾斜的甚至水平的。双列式柴油机把气缸排成两列，两列之间的夹角<180°(一般为90°)称为V型柴油机，若两列之间的夹角=180°称为对置式柴油机。目前最常见的是直列式柴油机。图1-10第二节：柴油机的基本术语

1、工作循环

柴油机的工作循环是由进气、压缩、作功和排气等四个工作过程组成的封闭过程。周而复始地进行这些过程，柴油机才能持续地做功。2、上、下止点

活塞顶面离曲轴回转中心最远处为上止点；活塞顶面离曲轴回转中心最近处为下止点。在上、下止点处，活塞的运动速度为零。图1-113、活塞行程上、下止点间的距离S称为活塞行程。曲轴的回转半径R称为曲轴半径。对于气缸中心线通过曲轴回转中心的内燃机，其S=2R。图1-124、气缸工作容积上、下止点间所包容的气缸容积称为气缸工作容积。一般用Vh表示：式中：D－气缸直径S－活塞行程单位：mm图1-135、排量多缸柴油机所有气缸工作容积的总和称为柴油机排量。多缸柴油机各气缸工作容积的总和，称为柴油机排量。一般用VL表示：VL＝Vh×i，式中：Vh－气缸工作容积；i－气缸数目。图1-146、燃烧室容积

活塞位于上止点时，活塞顶面以上气缸盖底面以下所形成的空间称为燃烧室，其容积称为燃烧室容积，也叫压缩容积。一般用Vc表示

图1-157、气缸总容积

气缸工作容积与燃烧室容积之和为气缸总容积一般用Va表示，显而易见，气缸总容积就是气缸工作容积和燃烧室容积之和，即Va＝Vc＋Vh。图1-168、压缩比气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比。压缩比的大小表示活塞由下止点运动到上止点时，气缸内的气体被压缩的程度。压缩比越大，压缩终了时气缸内的气体压力和温度就越高。一般用ε表示：ε＝Va／Vc＝（Vh＋Vc）／Vc＝1＋Vh／Vc；式中：Va

－气缸总容积图1-17名词解释第三节：柴油机的工作原理

根据柴油机做功循环的工作过程，柴油机有二冲程工作循环和四冲程工作循环两种工作方式，也就是二冲程柴油机或四冲程柴油机。

1、四冲程柴油机工作原理四冲程柴油机是曲轴旋转两周（即转720度）完成一个工作循环，它的工作过程可表述为：活塞下行时，气缸内吸入新鲜空气，以提供燃料燃烧时所需的氧气。然后活塞上行，对空气压缩，使之压力温度升到柴油燃点以上，此时喷入气缸的柴油立即着火燃烧产生热能，高温高压气体推动活塞下行而作功，并通过连杆曲轴转换为机械能从飞轮输出。最后活塞上行将燃烧后的废气排出气缸。这样周而复始重复进行上述过程就形成柴油机连续旋转。因此，柴油机的实际工作过程是由进气、压缩、燃烧、膨胀、排气五个过程组成的。如果联系到活塞运动规律，可划分为：进气、压缩、作功、排气四个冲程。1）进气冲程

第一冲程——进气，它的任务是使气缸内充满新鲜空气。当进气冲程开始时，活塞位于上止点，气缸内的燃烧室中还留有一些废气。

当曲轴旋转肘，连杆使活塞由上止点向下止点移动，同时，利用与曲轴相联的传动机构使进气门打开。

随着活塞的向下运动，气缸内活塞上面的容积逐渐增大：造成气缸内的空气压力低于进气管内的压力，因此外面空气就不断地充入气缸。完成第一冲程曲轴旋转180°

图1-182）压缩冲程第二冲程——压缩。压缩时活塞从下止点向上止点运动，这个冲程的功用有二，一是提高空气的温度，为燃料自行发火作准备：二是为气体膨胀作功创造条件。当活塞上行，进、排气门关闭以后，气缸内的空气受到压缩，随着容积的不断缩小，空气的压力和温度也就不断升高，压缩终点的压力和湿度与空气的压缩程度有关，即与压缩比有关，一般压缩终点的压力和温度为：Pc＝4～8MPa,Tc＝470～670℃。

柴油的自燃温度约为270—290℃

，压缩终点的温度要比柴油自燃的温度高很多，足以保证喷入气缸的燃油自行发火燃烧。完成第二冲程曲轴旋转180°

图1-193）作功冲程第三冲程——燃烧膨胀。当第二冲程即将结束时喷油器向气缸内喷入雾化的燃油，在这个冲程开始时，大部分喷入燃烧室内的燃料都燃烧了。燃烧时放出大量的热量，因此气体的压力和温度便急剧升高，活塞在高温高压气体作用下向下运动，并通过连秆使曲轴转动，对外作功。所以这一冲程又叫作功或工作冲程。随着活塞的下行，气缸的容积增大，气体的压力下降，工作冲程在活塞行至下止点，排气阀打开时结束。完成第三冲程曲轴旋转180°

图1-204）排气冲程第四冲程——排气。排气冲程的功用是把膨胀后的废气排出去，以便充填新鲜空气，为下一个循环的进气作准备。当工作冲程活塞运动到下止点附近时，排气阀开起，活塞在曲轴和连杆的带动下，由下止点向上止点运动，并把废气排出气缸外。由于排气系统存在着阻力，所以在排气冲程开始时，气缸内的气体压力加比大气压力高0.025—0.035MPa，其温度Tb＝720～920℃

。完成第四冲程曲轴旋转180°

图1-21

柴油机依次完成上述四个冲程为一个工作循环从四冲程柴油机的工作过程可以看出，活塞处于每一冲程的不同位置时，气缸内气体的压力、温度均不相同。正是由于存在这种压力、温度的变化，柴油机才向外输出功率。因此，我们把四冲程柴油机一个工作循环过程中气缸内压力与气缸容积变化的对应关系图称作示功图。2.示功图图1-22示功动画柴油机的基本工作过程，可以用坐标曲线图清楚的表示出来。右图所示即为柴油机单个气缸工作的示功图。纵坐标（Ｐ线）表示气缸内压力的变化情况，横坐标（Ｖ线）表示气缸内容积的变化。图中曲线封闭部分的面积（＋）表示该缸产生的有用功；图中Po线以下的面积（－）表示该缸进排气过程中消耗的有用功。两者之和即是柴油机单个气缸产生的指示功率。指示功率是柴油机燃油产生功率的最理想状态，一般用字母Ni表示。指示功率在扣除机械损失后即为有效输出功率。2、二冲程柴油机工作原理

在四冲程柴油机中，活塞走四个冲程才完成一个工作循环，其中两个冲程（进气和排气），活塞的功用相当于一个空气泵。在二冲程柴油机中，曲轴每转一转，即活塞每两个冲程就完成一个工作循环，而进气和排气过程是利用压缩及工作过程的一部分来完成的，所以二冲程柴油机的活塞没有空气泵的作用，为了排除燃烧后的废气，并把新鲜空气充满气缸，必须在柴油机上安装专用的扫气泵（增压器）。下图是气门式直流换气的二冲程柴油机的工作原理图。第一冲程活塞由下止点向上移动，活塞在遮住扫气口之前，由扫气泵供给储存在扫气箱内的空气，通过扫气口进入气缸，气缸中的残存废气被进入气缸的空气通过排气口ｆ扫出气缸。活塞继续上行，逐渐遮住扫气口，当扫气口完全关闭后，空气停止充入，排气还在进行，这阶段称为“过后排气阶段”。排气口关闭时，气缸中的空气就开始被压缩。当压缩至上止点前时，喷油器将燃油喷入气缸，与高温高压的空气相混合，随即在上止点附近发火，自行着火燃烧。二冲程柴油机示功图图1-23第二冲程活塞在高温高压燃气的推动下，由上止点向下运动，对外膨胀作功，活塞下行直至排气口f打开，膨胀作功结束，气缸内大量废气靠自身压力从排气口排入到排气管。当气缸内的压力降至接近扫气压力时（一般扫气箱中的扫气压力为0.105-0.140MPa）下行活塞把扫气口打开，扫气空气进入气缸，同时把气缸内的废气经排气口f赶出气缸。活塞运行到下止点，本冲程结束，但扫气过程一直继续到下一个冲程排气口关闭为止。二冲程柴油机的构造主要特点①进气孔2布置在气缸下部，其高度约为活塞行程的10～20％左右。进气孔的打开和关闭，由气缸内运动的活塞来控制；②排气门布置在气缸盖上，由凸轮轴驱动，保证在曲轴转一转时，气门打开一次；③扫气泵3，由柴油机通过传动齿轮传动，它将吸人的空气压缩至Pk=0.123～0.13MPa，送入气缸周围的贮气室1中，用于清除气缸内的废气和充填新鲜空气。二冲程柴油机的示功图

其中a-k线为扫气过程，k点为扫气终点，它取决于进气孔和排气门关闭时刻。有的机型是排气门和进气孔同时关闭。有的排气门提前关闭。k-c线为压缩过程，其中c′点为开始向气缸喷油的时刻。在第二冲程中，c-m线为膨胀过程，其中c-z线为燃料剧烈燃烧压力急剧上升阶段，z点为最高燃烧压力点，m点为排气门开始打开的时刻。这时燃烧产物便从气缸经排气门、排气管排入大气，压力迅速下降，如m-n线所示，当气缸内的压力大约等于储气室的压力时，进气孔才被打开（n点），这时新鲜空气应入气缸进行扫气过程，如n-a线所示。图1-24二冲程柴油机的工作容积、压缩比从二冲程柴油机的工作原理可知，在扫气过程中，活塞不做有效功，相对这部分活塞行程容积Vn称为损失容积，而活塞的实际工作容积为：而实际压缩比为：几何压缩比与四冲程柴油机一样为：

扫气过程容积损失的多少通常用损失容积Vn对几何工作容积Vh的比值表示：在二冲程柴油机中，ψ=10～38%结论现代四冲程和二冲程柴油机都成功的使用在各个领域，他们都有各自的特点，一般船用大型低速柴油机均采用二冲程柴油机，而中、高速柴浊机采用四冲程柴油机的居多。在相同的气缸尺寸和转速下，二冲程柴油机的功率理应比四冲程柴油机增加一倍，但实际上，由于扫气容积的损失，充气时间较短，废气清除困难以及驱动扫气须要消耗一部分功率等原因，使二冲程柴油机的功率只增加60～70％左右。二冲程柴油机的另一优点是扭矩的均匀性比四冲程柴油机好，因为它曲轴旋转一圈完成一个工作循环。扫气过程时间短是二冲程柴油机的一大缺点，此外，二冲程柴油机的活塞、气缸盖、气缸，气门的温度都比四冲程柴油机高了许多。涡轮增压柴油机的工作原理

在介绍涡轮增压柴油机工作原理之前，先回顾一下柴油机的基本工作原理及其与空气增压系统的关系。柴油机是一种耗气机械，因为燃油需要与空气混合才能完成燃烧冲程。一旦空燃比达到某一值后，再增加燃油，除了将黑烟和未燃尽的燃油排到大气中外，不会产生更多功率。柴油机供油越多，黑烟就越浓。因此，超过空燃比极限后，增加供油量只会造成燃油消耗量过多、大气污染、废气温度升高，并使柴油机寿命缩短。由此可见，增加进入气缸的空气量对柴油机来说是非常重要的。涡轮增压柴油机的工作原理图1-25废气涡轮增压系统分类废气涡轮增压系统一般分为定压增压系统和脉冲增压系统两类

定压增压系统

内燃机所有气缸的排气都通入一根粗大的排气总管，然后再流入涡轮机。排气总管实际上起稳压作用,以使总管内的气体压力基本恒定。这样,涡轮在稳定气流下工作，故涡轮机效率较高。但采用这种系统时内燃机加速性能和低负荷性能较差，所以定压增压系统只适用于高增压、工况变化少的场合。

定压增压系统定压增压系统

图1-26

脉冲增压系统

这种系统的特点是在排气管中造成尽可能大的压力脉动。为此，排气支管被做得细而且短，涡轮尽可能靠近内燃机气缸。排气互不干扰的几个气缸(通常是二缸或三缸)的排气支管连在一根排气管上，这样，每根排气管中就形成两个或三个连续的排气脉冲波。涡轮机的喷嘴环按排气管数目分组隔开，它们互不干扰。采用脉冲增压系统能充分利用排气能量，改善变工况性能；但涡轮是在脉动气流状态下工作，故涡轮机效率较低。脉冲增压系统脉冲增压系统

图1-27涡轮增压器结构

涡轮增压器主要由涡轮机、中间体和压气机三大部分组成。涡轮机的主要作用是利用柴油机排出的废气冲击涡轮做功，以驱动压气机叶轮高速旋转。压气机的作用是将涡轮旋转的动能转变为空气的压力能，使进入柴油机的空气压力有效提高，增大空气进入量。中间体既是增压器的支承机构，又是增压器的润滑冷却装置。工作时，增压器转子轴一端的涡轮叶轮在气缸排出的废气驱动下，带动另一端的压气机叶轮高速旋转（30000～160000r/min）同时，涡轮带动离心式压气机提高进气压力，并通过中冷器冷却，增大空气的密度后进入气缸，使每个工作循环进入气缸的新鲜空气量增加，从而喷入更多的燃油。高压空气流经进气管进入气缸与喷入气缸的更多柴油混合燃烧，显著改善了柴油机的燃烧过程，可提高柴油机功率30％～50％，降低油耗8％左右。涡轮增压器结构图1-281．涡轮增压系统概述

涡轮增压有许多好处。非增压柴油机通过曲轴的运动直接从大气中吸进空气，而涡轮增压器向柴油机提供压缩空气。由于进入气缸的空气增多，所以允许喷入较多的燃油，使柴油机产生较多的功率并具有较高的燃烧效率。这意味着一台尺寸和重量相同的柴油机经增压后可以产生较多的功率，或者说，一台小排量柴油机经增压后可产生与较大柴油机相同的功率。其它还有节约燃油和降低排放等优点。由于涡轮增压器为柴油机提供了更多的空气，燃油在柴油机气缸里燃烧时会燃烧得更充分、更彻底。柴油机进气管的空气保持正压力（大于大气压的压力）对柴油机机有多方面的好处。当柴油机进排气门重叠开启时，新鲜空气吹入燃烧室，清除所有残留在燃烧室里的废气，同时冷却气缸头、活塞和气门。涡轮增压器可使非增压柴油机在高原上工作时得到氧气补偿（使其达到标准大气条件）。柴油机和涡轮增压器相匹配，使进气管压力保持海平面大气压。而一台自然吸气的柴油机，随着海拔高度的增加，其功率将下降。装有增压器的柴油机称为增压柴油机，而直接从大气中吸入空气的柴油机称为非增压柴油机。由于增压柴油机具有动力性能、经济性能及排气污染等都优于非增压柴油机，因此，增压柴油机正获得越来越广泛的应用。增压柴油机的示功图

增压器将空气压缩到增压压力Pk（一般Pk＝0.13～0.25MPa）后，压入进气管内并在进气冲程中充入气缸。由于压缩后空气密度增大，所以充入气缸的空气量就增多。右图为涡轮增压柴油机的示功图，从示功图上可以看出，增压时进气压力线r-a高于排气压力线b-r，而非增压柴油机相反。由于增压柴油机在燃烧膨胀冲程中的压力和温度都较高（Pz＝9～16MPa，Tz＝2300～2600K），因此燃烧气体每个循环所作的功较多，柴油机的整体输出功率就大。图1-292．增压比

表示柴油机增压状况的一个参数叫增压比。增压比是增压柴油机的主要性能指标之一，以字母лk表示。其含义是增压器压气机出口处的压力Pk与压气机进口处的压力Po之比值。即：лk

＝Pk／Po

按照增压比的大小，增压系统又可分为低增压系统、中增压系统和高增压系统。低增压系统：лk＜1.4；中增压系统：лk＝1.4－2.0；高增压系统：лk＞2.0。当增压比лk达到2.6以上时，一般都要采用二级增压系统。3．涡轮增压柴油机的特点

柴油机增压后，随着增压度及增压压力的提高，其机械负荷与热负荷很大，这就限制了柴油机功率的提高。

改善增压柴油机技术措施

增压压力提高，进气压力及温度也提高，使最高爆发压力和工作循环的平均温度都增加，因此引起各部件机械应力大，轴承负荷增加，气缸、活塞、轴承等磨损加剧。同时使活塞、缸盖、缸套和气门等受热零部件热负荷增大，容易破坏，因此，柴油机增压通常要采用下列技术措施（1）减小压缩比和增大过量空气系数

为了降低爆发压力以减少负荷，并保证原来的压力升高比λp值，增压柴油机的压缩比往往降到11～12。但减小过多会是柴油机起动困难和燃料消耗量增加。增大过量空气系数，可以减低热负荷，改善经济性。一般增大10%～30%左右为宜。（2）增加每循环供油量

增压柴油机要求增加每循环的供油量。如果仍采用非增压柴油机的喷油泵，势必增加供油持续角，使燃烧过程拉大，经济性变坏。缩短供油持续时间的方法有：增大柱塞直径、增加供油速率、提高供油压力以及加大喷油嘴孔径等。从限制最高爆发压力的角度，也可以适当地减小喷油提前角，但不宜减小过多，以免影响柴油机的经济性。（3）改变配气相位

为了加强气缸的扫气作用，减少燃烧室的残气，提高充量系数以及降低热负荷和改善涡轮的工作条件，因此，增压柴油机一般都采用较大的气门重叠角。但重叠角过大会使扫气空气量增加，压气机工作负担加重；引起柴油机在低速负荷时废气倒流气缸和进气管，使进气管发热，对整机的加速及变工况性能不利；同时，当重叠角过大时，为了避免气门与活塞相碰，要在活塞顶上挖过深的凹坑，使燃烧恶化在脉冲增压系统中，气门重叠角一般在110°～130°曲轴转角。（4）改变排气系统

在脉冲增压系统中，为了充分利用脉冲能量，使扫气期间各缸排气互不干扰，排气管必须分开。分支的原则是一根排气管所连各缸排气必须不相重叠（或重叠很小）。例如，一般四冲程柴油机排气冲程波延续时间约为240°曲轴转角，这时一根排气管所连接的气缸数目不宜超过三个，而且应使相邻着火的各缸排气相互隔开，如着火次序为1-5-3-6-2-4的六缸机，就可采用1、2、3缸及4、5、6缸各连一根排气管。

（5）增压空气的冷却

将增压器出口的增压空气加以冷却，既能提高充气密度，进而提高柴油机的功率；又可降低柴油机压缩始点的温度和整个循环的平均温度，使柴油机的热负荷及排气温度降低。试验证明，增压空气温度每降低10℃，柴油机的循环平均温度可降低25℃～30℃，功率可提高2.5%～3%。冷却增压空气的方法，一般是用水或空气在中间冷却器中进行间接冷却。如果采用独立水箱散热系统，虽然可以提高中冷效果，但结构庞大而复杂，在汽车上布置困难。采用空气冷却方案比较可取，它使一种以增压空气作为动力源的强制流通形式，用一部分增压空气经取气管驱动中冷系统中的空气涡轮风扇，迫使外界冷却空气加速流动。当冷却空气通过散热交换器后就将增压空气的热量带走，使增压空气得到冷却，并通过进气歧管进入柴油机。冷却增压空气是降低热负荷最合理的措施之一，但它只能在增压压力较高时（200kPa）。在低增压时，设置中间冷却器是不必要的。4．增压柴油机的性能

1）升功率提高、燃料消耗降低柴油机增压能够有效提高其升功率和降低燃料消耗，并扩大了柴油机的转速范围。这对于经常处于不同负荷、不同转速下变工况工作的柴油机而言，是极为有利的，可以获得良好的动力性的经济性。下图所示出增压与非增压柴油机的外特性比较，图中实线为增压，虚线为非增压。实线——涡轮增压柴油机虚线——非增压柴油机b-油耗曲线(g/kw.h)

Ttq-扭矩曲线(N.m)

Pe-功率曲线(kw)增压柴油机的性能图1-30（2）改善了低速扭矩特性对汽车而言，柴油机的低速扭矩特性直接影响汽车的动力性，因此，要求车用内燃机要有高的扭矩储备。从内燃机速度特性曲线可知，柴油机比汽油机的扭矩储备系数小，扭矩曲线平坦，须经校正才能满足汽车使用要求。一般涡轮增压柴油机在低速时由于增压压力不足，致使循环供油量不足，以及高速时压气机供气量过多而造成低速扭矩性能差，这对载重汽车的动力性能是不利的。为克服这一不足，近代增压柴油机上常采用如下措施：1）选用脉冲增压，使低速时脉冲能量充分利用；2）使增压器与柴油机在较低速度下达到最佳配合；3）高速时采用放气调节装置（上图1）等，来改善低速扭矩特性，使其获得较高的扭矩储备。图2为采用放气调节装置的四缸增压柴油机的外特性曲线。由图可见，大大的改善了低速时扭矩特性。不过增压后最大的扭矩所在的转速比非增压机型有所增加，这对改善载重车牵引性能不利。改善了低速扭矩特性图1-31图1-32（3）加速性与起动性变差涡轮增压柴油机由于增压器本身惯性和低速时（小于200r.p.m）输出功率较低。在加速过程中增压压力上升缓慢，使柴油机转速及平均有效压力增长过程时间拖长，因此增压柴油机的加速性比非增压的差。为了改善加速性，可采用脉冲增压传统，减少进排气管的容积；采用放气调节或可变喷嘴；减少（压气机）转子的转动惯性；采用较小的气门重叠角等措施，效果较为明显。柴油机起动时因无高温排气，涡轮无法工作，压气机也不能供气。而且增压柴油机的压缩比较小，使起动压缩终了的温度降低，造成柴油机着火的起动困难。（4）减低了排气污染及噪声低污染、低噪声是对汽车柴油机提出的另一个要求。由于增压柴油机是在较充裕的过量空气下工作，混合气较稀，燃烧完全，使高负荷冒烟、排出CO及HC等有害物质显著减少。增压柴油机的有害气体排放量一般为非增压的1/3-1/2。如果措施得（例如采用高喷射率并延迟喷射），NO排放量也明显降低，尤其在采用增压及中冷以后，对减少有害排放更为有利。柴油机噪声主要来源是燃烧噪声和机械噪声，此外还有进、排气、冷却风扇等发出的噪声。增压柴油机由于增压比减小和喷油提前角减小，燃烧压力升高率降低，使燃烧噪声减小。另外由于压气机和涡轮机的阻力作用，也使进、排气噪声减小。所以柴油机增压后，整机总的噪声有明显下降，一般增压比非增压柴油机噪声可降低3～5dB(A)。（5）伴随着柴油机增压出现的新问题①机械负荷增加。因为进气压力的提高，使压缩压力和最高燃烧压力相应增大，导致零件的机械负荷增加，磨损加大，引起损杯。②热负荷增加。增压后工作循环温度大大提高，使零件工作温度升高，热负荷增加，材料的机械强度降低。③在高的机械负荷、热负荷共同作用下，情况就更为严重，因此柴油机增压后零件结构必须强化。（6）增压柴油机的结构特点柴油机增压后，其性能显著变化，机械负荷及热负荷大为提高，要求柴油机结构也要相应地改变：1）适当地减少压缩比。防止燃烧压力过大，以保证柴油机工作可靠，延长使用期。但过低的压缩比将造成起动困难。2）供油系统的变化。增压后由于进气量的增加，可燃烧更多的燃料，要求供油量增加，同时要求增大喷油压力，加大喷油器喷孔的直径。此外，增压后压缩压力和温度的增加，将使燃料着火落后期缩短，为防止最大燃烧压力过高，应减少供油提前角，但如供油提前角过小，会使燃烧恶化。3）进、排气系统的变化。增压后柴油机气缸进气量增加，为减小进气阻力，应适当加大进气流通截面积；为了改善扫气效果，增加充气量，以降低热负荷，应增加气门重叠角；有的增压系统还要求将排气管分支，以充分利用废气能量并改善扫气效果。此外，由于气门机构零件的工作温度升高，变形加大，须相应加大气门间隙，以保证配气机构正常工作。4）此外，增压柴油机的润滑系统、冷却系统以及主要运动机件的结构强度都应适当的加强。否则，将严重影响柴油机零部件的工作可靠性。多缸柴油机的工作顺序概述四冲程柴油机每个工作循环中，只有燃烧膨胀冲程才做功，而进气、压缩和排气三个辅助冲程不但不做功，而且还消耗一部分功，用来压缩气体和克服进、排气时的阻力。因此，在柴油机运行时，由于各冲程中有的获得能量而有的消耗能量，造成转速不均匀，有时加速有时减速。柴油机运转不均匀性，既达不到匀速运转的要求，又使各运动零件在工作过程中到冲击，引起零件的严重磨损，有时会造成损坏。因此，提高运转的均匀性是柴油机结构上的一个重要问题。提高柴油机运转均匀性，通常采用两种方法：①在曲轴上安装飞轮；②采用多缸结构型式。多缸柴油机的工作顺序

飞轮是一个具有较大转动惯量的圆盘，安装在柴油机的曲轴后端。当柴油机在燃烧膨胀冲程中气体压力通过活塞连杆推动曲轴时，也带动飞轮一起转动。此时飞轮将获得的一部分能量“储存”起来。当柴油机运转到其它三个辅助冲程时，飞轮便放出所“储存”的能量，使曲轴仍然保持原有的转速，从而大大提高柴油机运转的均匀性。因此，单缸柴油机上必须安装一个尺寸与质量相当大的飞轮，以保证它的正常运转。

由于生产发展的需要，对柴油机功率的增加提出了新的要求，于是就出现了多缸柴油机。多缸柴油机具有两个和两个以上的气缸，各缸的活塞连杆机构都连接在同一根曲轴上。一般常用的多缸柴油机有直列2、4、6缸和V型6、8、12缸等机型，大型船用柴油机还有16缸或更多缸的机型。在多缸柴油机中，对每个气缸来讲，它是按照前述的单缸柴油机的工作过程进行工作的。但在同一时刻每缸所进行的工作过程却不相同。它们是根据气缸数目和曲柄排列方式的不同、按照一定的工作顺序而工作的。为了保证柴油机运转均匀性和平衡性的要求，对四冲程柴油机，曲轴转动两转（即720º）内，每个气缸都必须完成一个循环。因此，各缸应相隔一定的转角而均匀的着火。若多缸柴油机有i个气缸，则着火间隔角应为：θ=720/i多缸柴油机的工作顺序1．四缸柴油机的工作顺序着火间隔：θ=720/i可知：四缸机的着火间隔角为180°。各缸的着火顺序可为：1-3-4-2，即表示第一缸着火以后，依次为第3、4、2缸的顺序相继着火。

图1-33四缸柴油机的工作顺序上图为四缸柴油机示意图和着火顺序，四缸柴油机的曲轴由四个曲拐构成，各曲拐平面之间的相互夹角为180°；若第1、4缸内的活塞运行到上止点位置时，第一缸进行做功冲程，则第四缸进行吸气冲程，而第三缸和第二缸分别开始进行压缩冲程和排气冲程。在曲轴转过180°后，则第二缸和第三缸的活塞处于上止点位置，第三缸开始进入做功冲程，第二缸为进气冲程。此时一、四缸分别力排气和压缩冲程。如此循环，使四个气缸每隔180°曲轴转角，交替进入做功冲程推动活塞运动。4DF型和4DL型柴油机即按此着火顺序工作。根据四缸机曲拐排列的特点，也可按1-2-4-3的着火顺序工作。曲轴转角（º）第一缸第二缸第三缸第四缸0～180做功

排气压缩进气180～360排气进气做功压缩360～540进气压缩排气做功540～720压缩做功进气排气四缸柴油机的工作顺序（1-3-4-2）表1-1曲轴转角（º）第一缸第二缸第三缸第四缸0～180做功

压缩排气进气180～360排气做功进气压缩360～540进气排气压缩做功540～720压缩进气做功排气四缸柴油机的工作顺序（1-2-4-3）表1-22．六缸柴油机的着火顺序

根据公式对于六缸柴油机的着火间隔角应为120°曲轴转角（见下图），各曲拐平面之间的相互夹角也为120°，各缸着火顺序一般力1-5-3-6-2-4（如6DL型柴油机等）。这种工作次序既能保证柴油机有较好的运转均匀性和平衡性，又不使相邻的气缸连续着火，对曲轴主轴承的工作有利。由表可见六缸柴油机的运转均匀性比四缸柴油机更好。不仅如此，直列六缸柴油机由于其曲轴布置的特点，曲柄连杆机构的运转平稳性最好，震动小。因此，六缸直列柴油机的结构布置是最为常见的柴油机结构布置方式之一。六缸柴油机的着火顺序

图1-34曲轴转角（º）第一缸第二缸第三缸第四缸第五缸第六缸0-1800-60做功排气进气做功压缩进气压缩排气60-120做功120-180进气180-360180-240排气压缩240-300做功进气300-360压缩排气360-540360-420进气做功420-480排气压缩480-540做功进气540-720540-600压缩排气600-660进气做功660-720排气压缩六缸柴油机的着火顺序（1-5-3-6-2-4

）

表1-3六缸柴油机的着火顺序3．V型六缸柴油机着火顺序四冲程V型六缸柴油机（V型夹角为120°时）的着火间隔角仍为120°，3个曲拐互成120°夹角（六缸柴油机最常见的曲拐布置方式，见下图所示）。工作顺序是R1-L3-R3-L2-R2-L1。面对柴油机的冷却风扇，右列气缸用R表示，由前向后气缸号分别为R1、R2、R3；左列气缸用L表示，气缸号分别为L1、L2和L3，工作循环见表。如果V型夹角的布置不是120°，而是90°或60°或者曲拐的布置也不是互成120°时，其着火间隔角度就不会是均匀的120°，因此，柴油机的着火间隔角度将与曲拐的布置和V型角度有关。V型六缸柴油机着火顺序图1-35曲轴转角（º）R1缸R2缸R3缸L1缸L2缸L3缸0-1800-60做功排气进气做功进气压缩压缩排气60-120120-180进气做功

180-360180-240排气压缩240-300做功进气300-360压缩排气360-540360-420进气做功420-480排气压缩480-540做功进气540-720540-600压缩排气600-660进气做功660-720排气压缩V型六缸柴油机着火顺序（R1-L3-R3-L2-R2-L1）表1-4柴油机可燃混合气的形成和燃烧都是直接在燃烧室内进行的。当活塞接近压缩上止点时，柴油喷入气缸，与高压高温的空气接触、混合，经过一系列的物理、化学变化才开始燃烧。之后便是边喷射，边燃烧。其混合气的形成和燃烧是一个非常复杂的物理化学变化过程，其主要特点是：①燃料的混合和燃烧是在气缸内进行的。

②混合与燃烧的时间很短0.0017～0.004秒（气缸内）。

③柴油粘度大，不易挥发，必须以雾状喷入。

④可燃混合气的形成和燃烧过程是同时且连续而重叠地进行的，即边喷射，边混合，边燃烧。

柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程一般分为备燃期、速燃期、缓燃期和后燃期四个阶段。见图1-36图1-36（1）备燃期：从喷油开始→开始着火燃烧为止喷入气缸中的雾状柴油并不能马上着火燃烧，气缸中的气体温度，虽然已高于柴油的自燃点，但柴油的温度不能马上升高到自燃点，要经过一段物理和化学的准备过程。也就是说，柴油在高温空气的影响下，吸收热量，温度升高，逐层蒸发而形成油气，向四周扩散并与空气均匀混合（物理变化）随着柴油温度升高，少量的柴油分子首先分解，并与空气中的氧分子进行化学反映，具备着火条件而着火，形成了火源中心，为燃烧作好了准备。这一时期很短，一般仅为0.0007～0.003秒。（2）速燃期：从燃烧开始→气缸内出现Pmax时为止火源中心已经形成，已准备好了的混合气迅速燃烧，在这一阶段由于喷入的柴油几乎同时着火燃烧，而且是在活塞接近上止点，气缸工作容积很小的情况下进行燃烧的，因此，气缸内的压力P迅速增加，温度升高很快。（3）缓燃期：从出现Pmax→出现Tmax为止这一阶段喷油器继续喷油，由于燃烧室内的温度和压力都高，柴油的物理和化学准备时间很短，几乎是边喷射边燃烧。但因为气缸中氧气减少，废气增多，燃烧速度逐渐减慢，气缸容积增大。所以气缸内压力略有下降，温度达到最高值，通常喷油器已结束喷油。（4）后燃期：缓燃期以后的燃烧

这一时期，虽然不喷油，但仍有一少部分柴油没有燃烧完，随着活塞下行继续燃烧。后燃期没有明显的界限，有时甚至延长到排气冲程还在燃烧。后燃期放出的热量不能充分利用来做功，很大一部分热量将通过缸壁散至冷却水中，或随废气排出，使柴油机过热，排气温度升高，造成柴油机动力性下降，经济性下降。因此，要尽可能地缩短后燃期。柴油机的燃烧室

燃烧室的优劣对柴油机的性能有决定性的作用，因此是柴油机设计制造的关键。

燃烧室按组织燃烧过程的特点和结构不同分为开式、半开式、预燃室式和涡流室式四类。前两类属于直接喷射式燃烧室；后两类属于分隔式燃烧室。（一）直接喷射式燃烧室低速柴油机和部分中、高速柴油机主要用无涡流的开式燃烧室。燃烧室由气缸盖底面和活塞顶面形成，具有一定形状的整体空间。多孔喷油器（6～10孔）能使燃油雾化良好，并均匀分布在燃烧室空间。因此，开式燃烧室中的燃烧属于典型的空间式燃烧过程，要求燃烧室与油束形状和分布相配合。它的优点是燃料消耗率低，起动容易；缺点是燃料雾化要求高，难于适应变转速工作。直接喷射式燃烧室的典型结构是ω形燃烧室。1、ω形燃烧室图1-37①结构特点由平的气缸盖底面和活塞顶内的ω形凹坑及气缸壁组成，属于直接喷射燃烧室和空间混合方式。②混合气形成特点主要是依靠多孔喷雾（多为4孔），利用油束和燃烧室的吻合，在空间形成混合气。喷孔直径小，多在0.25～0.4mm内，喷孔轴线夹角为140°～160°内，喷油压力较高，一般在20Mpa左右。结构紧凑，热损失小，故热效率高，经济性好，容易起动。工作粗暴，燃烧噪音大。2、四角形燃烧室

1-螺旋进气道；2-喷油器；3-四角形燃烧室；S-涡流四角形燃烧室属于直接喷射式燃烧室和空间混合式。图1-38特点

①结构特点

燃烧室底部仍是ω形，燃烧室上部逐渐过渡为四方形，喷射时四个喷孔对着燃烧室的四个角喷油。②可抑制涡流的增强，减少NOx生成量。（二）半开式燃烧室小型高速柴油机大多采用有涡流的半开式燃烧室。这种燃烧室又分为多种类型，主要有油膜式燃烧室和复合式燃烧室等。1、油膜式燃烧室1）油膜式燃烧室

油膜式燃烧室是1956年由德国的莫勒所发明。燃烧室位于活塞顶内，呈球形。燃料喷向燃烧室壁面，大部分燃油在强涡流作用下喷涂在燃烧室壁面上，形成很薄的油膜，小部分燃油雾化分布在燃烧室空间并首先着火，随后即引燃从壁面上蒸发的燃料。这种燃烧室可使工作过程柔和，燃烧完全，声轻无烟，并可使用轻质燃料；缺点是低温时起动较困难。图1-39①结构特点球形油膜燃烧室位于活塞顶部中央，形状大于半个球，与喷油器相对的位置，开有缺口与球面相切，燃油从这里顺气流方向喷在室壁上形成油膜。它属于直接喷射式燃烧室，油膜蒸发混合方式。

采用强涡流螺旋进气道。

燃烧室底壁较薄，其背面有来自飞溅和从连杆小头喷油孔喷出的润滑油加以冷却。

采用单孔喷嘴或双孔喷嘴。

②混合气形成特点燃油顺气流沿球面切线方向喷入时，约95%被喷涂均布在室壁上，形成一层薄的油膜，5％散布在燃烧室空间形成火源，点燃混合气。

油膜逐层蒸发、逐层卷走、逐层燃烧，形成燃气涡流。

喷油压力较高，油耗率较低。能适应多种不同着火性能的燃料。

其进气管上多安装加热装置（如火焰加热器等）。

2、复合式燃烧室

复合式燃烧室是1964年由中国的史绍熙等发明，燃烧室在活塞顶内呈深盆形，口部略有收缩，用特殊形状的进气道形成进气涡流，采用单孔轴针式喷油器。喷油器轴线与燃烧室壁面基本平行，燃料喷向燃烧室的周边空间。在涡流作用下，粗大的油粒散落在燃烧室壁面上形成油膜，细小的油粒在空间与空气混合。当转速较高时，燃烧室涡流速度高，壁面上的油膜燃料增多，具有油膜燃烧的特点；而在低转速和起动时，涡流速度低，空间混合的燃料量增多，具有空间式燃烧的特点，能改善冷起动性能。图1-40复合式燃烧室结构特点

复合式燃烧室把油膜蒸发混合燃烧与空间混合燃烧合理地结合起来，兼有两者的优点，故又称为复合式燃烧系统，其工作过程柔和，可燃用多种燃料，对喷油系统要求低，而且起动容易。缺点是低负荷排气中未燃的碳氢化物含量较高。（三）分开式燃烧室

分开式燃烧室有预燃室式燃烧室和涡流室式燃烧室两类1、预燃室式燃烧室

预燃室式燃烧室由预燃室和主燃烧室两部分组成。预燃室在气缸盖内，占压缩容积的25～40％，有一个或数个通孔与主燃烧室连通。燃料喷入预燃室中，着火后部分燃料燃烧，将未燃的混合物高速喷入主燃烧室，与空气进一步混合燃烧。这种燃烧室适用于中小功率柴油机。图1-41①结构特点

整个燃烧室分两部分，预燃室位于气缸盖内为总燃烧室容积的25％～40％，活塞上方为主燃室。喷油嘴安装在预燃室中心线附近，为便于冷起动，多装有电热塞。预燃室用耐热钢单独制成，装入气缸盖不和冷却水直接接触。大部分燃料是在主燃烧室中混合燃烧，是属于空间混合方式。②混合气形成特点

利用压缩紊流先预燃。利用强烈的燃烧涡流，促使完全燃烧。对喷油的雾化质量要求不高，可采用不易堵塞的大直径单孔喷嘴，喷油压力较低（8MPa～12MPa），有适应大转速范围和不同着火性能燃料的能力。运转平顺，燃烧噪声小，但经济性较差。热量损失较大，起动性能差，须加装电热塞。

2、涡流室式燃烧室

涡流室式燃烧室由涡流室和主燃烧室组成。涡流室位于气缸盖上，呈球形或倒钟形，占总压缩容积的50～80％，有切向通道与主燃烧室相通。在压缩行程时，压入涡流室的空气产生强烈的涡流运动，促使喷入其中的燃料与空气混合。着火后混合物流入主燃烧室，形成二次流动，进一步与主燃烧室内的空气混合燃烧。

图1-42涡流室式燃烧室涡流室式燃烧室和预燃室式燃烧室都用轴针式喷油器，喷油压力较低，工作可靠；由于涡流室内涡流随转速增高而加强，柴油机高转速时柴油和空气仍能很好地混合。

涡流室式燃烧室柴油机的转速可4000r.p.m以上，工作过程柔和，排气中有害成分较少。但散热损失和气体流动损失大，而且后燃较严重，故燃料消耗率较高；冷车起动困难，往往需要加装预热塞。①结构特点

整个燃烧室也是分为两部分球型涡流室在气缸盖内；活塞上方为主燃烧室。涡流室容积占总燃烧室容积的50％～80％，用一个和数个切向大面积通道相通。属于空间混合方式。喷油器和电热塞安装在涡流室内。涡流室下半部分镶有耐热钢制成的镶块，和其座孔有一定的隔热间隙，并用螺钉定位。活塞顶部多制有导流槽或分流凹坑，使涡流室中的气流喷出时形成二次涡流。②混合气形成特点

利用强烈的定向涡流混合和燃烧。利用二次流动，促使燃气更完全的燃烧。对喷油的雾化质量要求不高，可采用不易堵塞的单孔喷嘴，喷油压力较低（10MPa～12MPa），喷油泵寿命较长，对不同着火性能燃料的适应性好。适用于高速柴油机，转速可达5000r.p.m。工作较平顺，排气质量较好，但热损失较大，经济性较差，须用较高的压缩比（17～22），并加装电热塞。

柴油机的配气相位

1．配气相位的定义

配气相位是用曲轴转角表示的进、排气门的开启时刻和开启延续时间，通常用环形图表示－配气相位图。图1-43图1-442．配气相位理论分析

理论上讲进、压、功、排各占180°，也就是说进、排气门都是在上、下止点开闭，延续时间都是曲轴转角180°。但实际表明，简单配气相位对实际工作是很不适应的，它不能满足柴油机对进、排气门的要求，具体原因是：

①气门的开、闭有个过程：开启总是由小→大；关闭总是由大→小。

②气体惯性的影响：随着活塞的运动，同样造成进气不足、排气不净。

③柴油机速度的要求：实际柴油机曲轴转速很高，活塞每一行程历时都很短。例如：6DL柴油机，额定转速为2300转/分，一个冲程所用时间仅为60/（2300×2）=0.013秒左右

，这样短的进气或排气过程，使柴油机进气不足，排气不净。

可见，理论上的配气相位不能满足柴油机进气充分排气干净的要求，那么，实际的配气相位又是怎样满足这个要求的呢，具体分析如下。

为了便进气充足，排气干净，除了从结构上进行改进外（如增大进、排气管道），还可以从配气相位上想点办法，气门能否早开晚闭，延长进、排气时间。（1）气门早开晚闭的可能从示功图中可以看出，活塞到达进气下止点时，由于进气吸力的存在，气缸内气体压力仍然低于大气压，在大气压的作用下仍能进气；另外，此时进气流还有较大的惯性。由此可见，进气门晚关可以增加进气量。

进气门早开，可使进气一开始就有一个较大的通道面积，可增加进气量。

在做功行程快要结束时，排气门打开，可以利用做功的余压使废气高速冲出气缸，排气量约占50%。排气门早开，势必造成功率损失，但因气压低，损失并不大，而早开可以减少排气所消耗的功，又有利于废气的排出，所以总功率仍是提高的。

图1-45从柴油机示功图上还可以看出，活塞到达上止点时，气缸内废气压力仍然高于外界大气压，加之排气气流的惯性，排气门晚关可使废气排得更净一些。

由此可见，气门具有早开晚关的可能，那么气门早开晚关对柴油机实际工作又有什么好处呢。

①进气门早开：增大了进气行程开始时气门的开启高度，减小进气阻力，增加进气量。

②进气门晚关：延长了进气时间，在大气压和气体惯性力的作用下，增加进气量。

③排气门早开：借助气缸内的高压自行排气，大大减小了排气阻力，使排气干净。

④排气门晚关：延长了排气时间，在废气压力和废气惯性力的作用下，使排气干净。

（2）气门重叠：由于进气门早开，排气门晚关，势必造成在同一时间内两个气门同时开启。把两个气门同时开启时间相当的曲轴转角叫做气门重叠角。在这段时间内，可燃混合气和废气是否会乱串，回答是不会的，这是因为：

1）进、排气流各自有自己的流动方向和流动惯性，而重叠时间又很短，不至于混乱，即吸入的可燃混合气不会随同废气排出，废气也不会经进气门倒流入进气管，而只能从排气门排出；

2）进气门附近有降压作用，有利于进气。

（3）进、排气门的实际开闭时刻和延续时间：1）实际进气时刻和延续时间：在排气行程接近终了时，活塞到达上止点前，即曲轴转到离上止点还差一个角度α，进气门便开始开启，进气行程直到活塞越过下止点后β时，进气门才关闭。整个进气过程延续时间相当于曲轴转角180°+α+β。

α－进气提前角一般α=10°～30°

β－进气延迟角一般β=40°～80°

所以进气过程曲轴转角为230°～290°2）实际排气时刻和延续时间：同样，做功行程接近终了时，活塞在下止点前排气门便开始开启，提前开启的角度γ一般为40°～80°，活塞越过下止点后δ角排气门关闭，δ一般为10°～30°，整个排气过程相当曲轴转角180°+γ+δ。

γ-排气提前角一般γ=40°～80°

δ-进气延迟角一般δ=10°～30°

所以排气过程曲轴转角为230°～290°

气门重叠角α+δ=20°～60°

从上面的分析，可以看出实际配气相位和理论配气相位相差很大，实际配气相位，气门要早开晚关，主要是为了满足进气充足，排气干净的要求。但实际中，究竟气门什么时候开、什么时候关最好，这主要根据各种车型，经过实验的方法确定，由凸轮轴的形状、位置及配气机构来保证。第四节：柴油机的基本参数

柴油机常用的基本参数，主要有：转速、功率、扭矩、油耗等。

柴油机在日常使用中的调整参数有：喷油提前角、气门间隙、循环喷油量和喷油压力等。1.柴油机输的出转速柴油机要实现连续不断的工作循环，必须有一个在单位时间内做功次数的指标。一般使用每分钟内曲轴旋转的圈数来表示，称为转速。此数值越大，表示单位时间内柴油机做功的次数越多，柴油机的输出功率就越大。转速用字母n表示，其单位是：r/min。大型柴油机的转速每分钟仅数百转。柴油机可以根据功率标定情况适时运转。（1）额定转速额定转速或标定转速：最大油门时，允许柴油机全负荷工作的最高转速。（2）最高空转转速最高空转转速：最大油门时，柴油机不带负荷时的最高转速。一般高出额定转速5～10%而中型柴油机的转速一般在2500r/min以下。小型柴油机的转速可达3000r/min以上。（3）怠速最低稳定转速，即怠速：柴油机不带负荷时可以稳定运转的最低转速。在此转速以下，柴油机运转不平稳且容易熄火。（4）工作转速柴油机的工作转速：同型号的柴油机用途不同，其工作转速也不同车用一般为高速，工程机械用一般中高速，固定用途一般为中低速。如锡柴6DL车用柴油机，车用转速一般为1500～2000r/min；工程机械用转速一般为1800～2300r/min；发电机组用转速为1500（50HZ）1800r/min（60HZ）。柴油机转速越高，柴油机各零部件受到的力矩也越大，对零部件材质的要求也越高。因此，为了保证柴油机有一定的使用寿命，柴油机的转速不能无限制的提高。2.柴油机的输出功率

柴油机的输出功率，是直接反映柴油机动力性能的指标，是柴油机的主要参数之一。我们通常所说的柴油机功率是指柴油机在额定工况（标定工况）下的试验室功率，它表示柴油机最大可能的对外做功的能力，一般用字母Pe表示。功率的单位是：kw（千瓦）。

根据柴油机的特性、用途和使用特点而确定的柴油机的最大使用极限功率，叫做柴油机的标定功率。目前我国试行的国家标准中将标定功率分为下述四种，在给定标定功率的同时，必须给出其相应的转速（1）15min功率：柴油机允许运转15min的最大有效功率。适用于需要有短时良好的超负荷和加速性能的重型汽车、特种车辆、摩托车等（2）1h功率：柴油机允许连续运转1h的最大有效功率。适用于需要一定功率贮备以克服突增负荷的工程机械、机车、船舶等。（3）12h功率：柴油机允许连续运转12h的最大有效功率。适用于仅需要在12h内连续运转并充分发柴油机功率的拖拉机、工程机械、排灌机械等。（4）持续功率：柴油机允许长时间运转的最大有效功率。适用于需要长期持续运转的工程机械、排灌机械、电站、船舶等。

根据使用特点，生产厂在柴油机铭牌一般标明上述四种功率中的1种功率。这些标定功率是在柴油机的不同调整状态下得到的，实际使用时，每台柴油机只能根据主要用途进行调整，即只有一种标定功率。3.柴油机的输出扭矩

反应柴油机克服外界阻力变化的能力的指标之一是柴油机的输出扭矩，一般用字母Te表示。单位是：N.m（牛顿.米），扭矩是柴油机的重要指标。在实际使用过程中，它直接表示柴油机的爬坡能力和工作是否有劲等直观感觉。功率不变时，扭矩值随柴油机转速降低而升高。

扭矩（Te）的基本定义

扭矩（Te）的基本定义是：（垂直）作用力（F）乘以作用力到支点之间的距离（力臂L），即：Te＝9.8F×L（N.m）；式中：Te－扭矩（N.m）；F－作用力（kgf）；L－力臂（m）；对于柴油机而言，扭矩等于：Te＝K.（Pe/n）（N.m）；式中：K－系数（K＝9545.50）；Pe－有效功率（KW）；ｎ－转速（r/min）。

柴油机最大扭矩值与额定工况时的扭矩值之比称为柴油机的扭矩系数。即：Ke

＝Mmax/Te；式中：Ke－扭矩系数；Mmax－最大扭矩（N.m）；Te－标定扭矩（N.m）

扭矩表示柴油机克服外界阻力的能力。扭矩大，柴油机克服外界阻力的能力就大，爬坡能力就强。反之，就差。4.柴油机的燃油消耗

柴油机的燃油消耗率（be或ge）是一个反映柴油机经济性能的重要指标，它反应的是单位时间内每千瓦功率所消耗的燃油量，是一个在试验室里测量计算的相对指标。

1）燃油消耗率

在柴油机试验台上，通过测量柴油机的功率和单位时间内的燃油消耗量，可以计算出该柴油机的燃油消耗率。

（1）计算公式是：be＝（10³×Gt）/Pe式中：be—燃油消耗率，单位是：g/kw.h（克/千瓦.时）Gt－柴油机每小时的耗油量，单位是：kg；Pe－功率：kw；

（2）100km耗油量（L/100km）在实际使用中，衡量柴油机是否省油的通用方法是看该车辆（或设备）的100km（或小时）耗油量。即车辆（或设备）行驶100km（或工作1h）所消耗的燃油量。百千米耗油量只能通过实际测量计算获得。100km油耗（L/100km）＝车辆实际的燃油消耗量（L）/车辆行驶的距离（km）；实际耗油量与车辆的使用条件、载重吨位、驾驶习惯等均有关系。在同等的行驶条件下，100km油耗越低，说明该柴油机越省油。5.柴油机的使用调整参数

柴油机的供油提前角是柴油机燃烧规程中的一个重要参数。其基本含义是：在柴油机压缩冲程即将结束前，也即在活塞即将达到压缩冲程上止点前的某个角度（比如为5～30°曲轴转角，具体视柴油机转速和喷油方式而定，电控高压共轨或单体泵柴油机喷油提前角相对较小，机械泵柴油机喷油提前角较大），来自喷油泵的高压燃油经过喷油器喷入气缸，使燃油与燃烧室内的空气充分混合，在活塞达到上死点时，燃烧已经全面开始。这样可以获得最大的燃烧爆发力和良好燃烧效果，进而获得良好的动力。

如果喷油提前角过大和过小，都将对燃烧效果产生不良的影响。喷油提前角过大，此时气缸内的压缩压力和温度都较低，不利于燃油与空气的混合和燃烧，而且还将导致柴油机工作粗暴，排气冒黑烟、功率不足等问题。但是，如果喷油提前角过小，也会导致柴油机后燃严重，柴油机整体温度高、排气管烧红、排气冒黑烟、功率不足等严重问题。

随着柴油机电控技术的发展，喷油提前角的机械调整方法已被电子自动控制取代，因此，电控柴油机的喷油提前角已不可能人工现场调整，只能通过改变ECU参数获取。

（1）喷油提前角（2）气门间隙

气门间隙是柴油机配气正时的重要参数，它是柴油机运行过程中经常需要检查调整的参数。气门间隙不正确，可能导致柴油机动力不足、冒黑烟等故障。因此，必须定期对气门间隙进行检查和调整。不同的柴油机，由于设计理念和制造精度等的不同，其气门间隙也是不一样的。因此，在检查调整气门间隙时，一定要参照该机的具体数据进行调整，不能凭经验办事。否则，可能导致柴油机无法正常工作或气门系统噪声很大。

图1-46（3）循环喷油量对于国产柴油机，喷油泵每循环的喷油量可以非常容易的获得。而对于进口柴油机，其供油量往往不能获得较为精确的数值。根据多年来的实践经验，可以通过计算的方法获得柴油机每循环的参考供油量。柴油机在出厂前都要进行台架试验。生产厂家会提供某些如：额定功率、转速、每千瓦小时的耗油量等特定参数曲线。用特定参数计算出喷油泵每100个循环的参考供油量。其参考计算方法如下：假定每100循环的供油量为Δh，则有：Δh

＝（100×ge×Pe）/［γ×60×ｉ×（n/2）]＝4.0404×ge×Pe）/（ｉ×ｎ）式中：Δh－每100循环的参考加油量（ml）；ｇe－柴油机燃油消耗率（g/kw.h）；γ－燃油比重；对于柴油，γ＝0.825g/cm³。ｉ－气缸数；Pe－柴油机功率（kw）；ｎ－柴油机转速（r/min）。由上述公式计算出来的循环供油量，是理论参考值。实际应用时，必须对该油量进行适当修正，修正系数为（δ＝）1.10～1.14。因此，实际供油量为：实际供油量＝δｘΔh（ml）。实际油量大于计算油量的原因是：因为柴油机在实际工作过程中，喷油泵柱塞泵出的燃油，由于喷油器存在有泄漏等因数，即柱塞泵出的燃油绝大部分进入气缸燃烧产生动力，其中也有一部分经喷油器回油管回到油箱，没有参与燃烧。所以实际供油量要大于计算供油量。（4）喷油器喷油开启压力

为使瞬间喷入气缸的燃油与空气能够迅速混合，要求喷油器的油束具有一定的压力和流速。喷油器的喷油开启压力与柴油机的燃烧室结构有关，分开式燃烧室对喷油压力的要求相对较低，如道依茨BF12L413FW低污染柴油机（涡流室式燃烧室）的喷油器开启压力为12.5+0.8MPa。开式燃烧室对喷油器喷油开启压力的要求较高，如道依茨F12L513风冷柴油机（ω型燃烧室）的喷油器开启压力为：23.5+0.8MPa。单体泵和电喷共轨柴油机的喷油器开启压力会更高，可达25.0MPa以上。功率、扭矩与转速之间的关系

柴油机的功率、转速和扭矩之间的计算公式如下：Pe＝n.Te/9550或：Te=9550.Pe/n

式中：Pe－输出功率，kw；Te－输出扭矩，N.m；n－柴油机转速，r/min。柴油机的特性曲线

由三者的关系式可知，柴油机的功率与扭矩成正比。功率一定时，柴油机的扭矩与转速成反比。也即柴油机功率一定时，转速越高，曲轴受到的扭矩越小，克服外界阻力变化的能力就小。反之，曲轴受到的扭矩就大，克服外界阻力变化的能力就强；但也容易造成机械故障。这就是柴油机慢速爬坡时容易造成损坏的原因之一。柴油机转速升高，柴油机的功率就会增大、扭矩在一定转速范围内会增加，表现为车辆的动力性能好、加速性能好、起步快。担当转速升高到某个数值后，柴油机的功率将继续增大，但扭矩可能会减小。也就是说：柴油机的最大功率转速不是该机的最大扭矩转速。柴油机在最大油门状态下，最大扭矩转速要比最大功率转速低30-50%（参考）。柴油机功率、转速和扭矩曲线如图所示。Pe－功率曲线；Te－扭矩曲线；be－油耗曲线图1-47第五节：柴油机的基本结构

内燃机是一种由许多机构和系统组成的复杂机器。无论是汽油机，还是柴油机；无论是四行程柴油机，还是二行程柴油机；无论是单缸柴油机，还是多缸柴油机，要完成能量转换，实现工作循环，保证长时间连续正常工作，就必须具备一些机构和系统。柴油机主要由以下三大机构和五大系统组成，即由曲柄连杆机构、配气机构、传动机构、燃料供给系、润滑系、冷却系、增压系统（或进排气系统）和起动系组成，随着柴油机电控技术的发展，柴油机还增加了电控系统由这些机构和系统的协调动作和周而复始的运动，为设备源源不断的提供动力，具体介绍如下。燃油供给系统配气机构传动机构曲柄连