柴油机基本原理

柴油机基本原理

一 四行程柴油机工作行程和基本性能指标

第一节四行程柴油机的基本工作行程

内燃机是一种热力机械，它通过燃料燃烧产生热量，热量通过气缸内所进行的工作循环转化为机械功，即气缸中工质的燃烧压力作用在活塞顶上，通过曲柄连杆机构，在克服了内燃机内部各项损失后，对外做工，因此要了解内燃机的基本原理，必须首先了解内燃机的工作循环过程，即进气行程、压缩行程、做功行程、排气行程，这是四行程发动机的基本工作循环，也是我们主要了解的。完成一个工作循环曲轴转两圈。

插入曲轴转角图

1 进气行程

在进气行程中，进气门开启，排气门关闭，随着活塞由上止点（活塞离曲轴中心最远处，即活塞的最高位置）向下止点（活塞离曲轴中心最近处，即活塞的最低位置）运动，活塞上方的气缸容积增大，造成真空吸气，对于非增压柴油机气缸内的压力可以降低到低于大气压，新鲜的空气进入气缸。

2 压缩行程

为使气缸内的可燃混和介质能迅速燃烧，以产生较大的压力，让发动机输出较大的功率，必须在燃烧前将介质压缩，使其变成高温高压的介质，在这个过程中进排气门全部关闭，曲轴推动活塞由下止点向上止点运动，行程终了时活塞达到上止点，介质被压缩在一个活塞上方的一个很小的空间内即燃烧室内。

活塞在下止点时的气缸容积与活塞在上止点时的气缸容积之比称为压缩比，压缩比大，压缩行程终了时介质的温度压力更高，燃烧更迅速，功率大，经济性好，柴油机的压缩比比汽油机的高，也是柴油机经济性好的主要原因，柴油机的压缩比一般在12－22，汽油机的一般在6－12，但压缩比过大时汽油机将会出现暴燃，表面点火等不正常燃烧，各项性能反而下降，对柴油机压缩终了时燃烧室的容积很小时，将会使燃烧室的选材、设计、制造更加困难，同时由于燃烧的最高温度和压力上升，发动机的含氮废气增加，震动噪声增加。 3 做功行程

在这个过程中进排气门都关闭，活塞向下止点运动，混合气燃烧放出大量热能气缸内达到最高温度和压力，高温高压的燃气推动活塞从上止点向下止点运动，通过曲柄连杆机构输出机械功。

4 排气行程

当做功膨胀行程接近终了时，排气门打开，靠废气的压力自由排气，活塞达到下止点再向上运动时，继续将废气强制排到大气中，当活塞到上止点附近时，排气结束。

与此可见，四行程发动机工作行程中，只有一个行程是做功的，其余三个行程是靠飞轮的惯性来维持的，显然做功行程的发动机转速高于其它行程的转速，所以发动机的转速是不均匀的，发动机运行不平稳，为了解决这个问题，飞轮必须具有更大的转动惯量，对于多缸发动机，由于所有的做功行程并不同时发生，四缸发动机每半周就有一个做功行程，因此运行比较平稳。

下面简单介绍一下两行程发动机

第一行程 活塞自下止点向上止点运动，事先已充入活塞上方的空气被压缩，完成进气和压缩过程。

第二行程 活塞自上止点向下运动，完成做功和排气行程。

两行程发动机特点是曲轴每转动一周就有个做功过程，没有气门机构，结构简单重量，在摩托车上广泛应用，在大型低速船用柴油机上也有应用，但由于它废气排的不是很好，并

且换气时减小了做功行程做功行程，使其经济性、排放性都不好。

第二节 柴油机的基本性能指标

1 平均有效压力

平均有效压力是一个假想的平均不变的作用在活塞上的压力，它放映了发动机每单位工作容积输出转矩的大小。

2有效扭矩

发动机通过飞轮对外输出的转矩称为有效转矩，单位N.M 。有效转矩与外界施加在发动机曲轴上的阻力矩相平衡。

3 升功率

发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率，单位KW/L，升功率是从发动机有效功率的角度，对其气缸工作容积的利用率作出总的评价，升功率越大发动机的强化程度越

对比这两个功率相似的发动机，由于BMW 的升功率大，BMW 的发动机尺寸比潍坊的要小近一半。

4 发动机的有效功率

发动机通过飞轮对外输出的功率，单位KW ，它等于发动机有效转矩与曲轴角速度的乘机，也等于升功率乘发动机的气缸总工作容积。

5 发动机的燃油消耗率

发动机的单位有效功的耗油量，通常用单位千瓦小时有效功所消耗的燃油克数表示，单位G/(KW.H)。燃油消耗率是衡量发动机经济性能的重要指标。

第三节柴油机的基本结构

此处插入结构图

1 机体（缸体）

包括缸体、气门盖、油底壳。机体的作用是作为发动机各机构、各系统的装配基体，而其本身的许多部分又是曲柄机构、配气机构、供给机构、润滑系统的组成部分。 2 曲柄连杆机构

包括活塞、连杆、曲轴、飞轮。这是发动机借以产生动力，将活塞的往复直线运动变为曲轴的旋转运动而输出动力的机构。

3 配气机构

包括进气门、排气门、凸轮轴凸轮轴轴正时齿轮、气门推杆、摇臂等。

配气机构的作用是使空气及时充入气缸并及时从气缸排除废气。

4供给结构

包括柴油箱、柴油泵、喷油器、柴油虑芯等。供给系统的作用是将柴油过滤并及时将柴油喷入气缸。

5冷却系统

包括水泵、散热器、风扇、水套等，作用是将受热机构的热量散发的大气中，保证发动机的正常工作温度。

6 润滑系

包括机油泵、各类机油滤清器、机油冷却器、润滑油管道等。润滑系的主要作用是

润滑、清洗摩擦表面、密封、冷却、防锈。

7起动系统

包括起动机及其附件。作用是启动发动机。

第四节曲柄连杆机构

曲轴连杆机构是往复式内燃机的主要工作机构。在作功冲程，它将燃料燃烧产生的热能使活塞往复运动、曲轴旋转运动而转变为机械能，对外输出动力；在其它冲程，则依靠曲轴和飞轮的转动惯性、通过连杆带动活塞上下运动，为下一次作功创造条件。

曲轴连杆机构由气缸体曲轴箱组、活塞连杆组以及曲轴飞轮组三个部分组成

在高温、高压、高速以及化学腐蚀条件下工作的曲轴连杆机构受到各种力的作用。例如，在气缸中作往复运动的机件，要受到气体力、惯性力的作用；旋转机件要受到离心力的作用；相对运动机件要受到摩擦力的作用。这些力作用在曲轴连杆机构上，会使各传动机件受到拉伸、压缩和弯扭等不同形式的载荷。因此，在结构和选材上必须采取相应的措施。

一曲轴箱组

1气缸体

它作为各系统的装载机体，要求有足够的强度和刚度，一般采用优质合金铸铁铸造，内壁研磨加工。气缸体表面的平面度要求很高。

气缸体表面与高温高压的燃气接触，为保障其温度不过高， 需要对其随时冷却， 发动机常见的为水冷方式，发动机水冷时， 气缸周围和气缸盖中均有用以充水的空腔称为水套，气缸体和气缸盖的水套是相通的。

2缸套

与活塞配合的气缸体表面，要用优质耐磨材料，气缸体的其它部分的耐磨要求并不高，所以我们用嵌入缸体内的气缸套，行程气缸的工作表面，这样缸套可以用耐磨性很好的合金铸铁制造，以延长气缸体的使用寿命。缸套安是否与冷却水接触分为干式、湿式两种湿式缸套直接与冷却水接触，优点是在气缸体上设有密封的水套，容易拆卸，冷却效果也好。

3 气缸盖

气缸盖主要功能是密封气缸上部，并与活塞顶部、气缸壁一起形成燃烧室，气缸盖上有进排气门座、气门导管、排气通道喷油器座孔，使其结构复杂，铸造精度高，表面加工精度要求高。

4 气缸垫

它是在缸体与缸盖之间的衬垫，具有一定的弹性，可以补偿缸体、缸盖结合面的不平度，以保障燃烧室、缸体缸盖之间的油路、水路的密封，气缸垫有石棉型和纯金属等几种类型，在拧紧气缸螺栓时一定要按规定的顺序和力矩拧紧，否则容易损坏气缸垫的密封，造成漏水漏气。

5 油底壳

它主要是密封曲轴箱，存储机油。油底壳后部做的比较深，保证发动机在纵向倾斜时，机油泵也能吸到油。

二 活塞组

它包括活塞、活塞环、活塞销、连杆等。

1 活塞

活塞的主要作用是承受气缸中气体压力所造成的作用力，并将此力通过活塞销传给连杆，以推动曲轴转动。活塞顶部还与气缸壁、气缸盖共同组成燃烧室。

1） 活塞顶部

活塞顶部与燃烧室的结构有密切关系，它上面有各种各样的凹坑，凹坑的位置、形状、大小都要很好的设计，以适应柴油机混合气的形成和燃烧的要求，这是很复杂的设计，这里不做介绍。

活塞顶部直接接触高温高压燃气，为了防止活塞顶部过热，有的在活塞顶部镀一层隔热材料以减小活塞的热负荷。

2） 活塞头部

活塞头部是活塞环槽以上的部分，其作用

1））承受气体压力，并传给连杆

2））与活塞环一起实现气缸的密封，这里要注意气缸的密封是由活塞环实现的，不是活塞。

3））将活塞环所吸收的热量通过活塞环传给气缸壁

活塞环槽，特别是第一道环槽，承受的温度、压力高在加上活塞环与环槽的相对运动，更加速了环槽的磨损，为了保护环槽，可在铝合金制造的环槽上铸如用耐磨材料制成的环槽护圈，以保护环槽。

3） 活塞裙部

是指活塞环槽下端到活塞底断的部分，其作用是为活塞在气缸内的运动起导向，同时承受侧压力。

由于活塞的受力和活塞材料不均匀的热膨胀作用，使活塞在延活塞销方向的膨胀量大于其它方向的膨胀量，为使活塞在热状态下与气缸壁也能在各个方向上保持比较均匀的间隙，必须预先在冷状态下，把活塞裙部加工成长轴垂直与活塞销方向上的椭圆，而不是正圆。

活塞上部温度高，下部温度低，对于铝合金的活塞，上部温度高，膨胀的明显，下部温度低，膨胀的不明显，为使铝合金活塞在热态下是一个圆柱体，冷态时，必须把活塞做成上小下大的近似圆锥体。

2 活塞环

活塞环是发动机中工作条件最恶劣的机件，承受气缸中高温高压的燃气作用，特别是第一道气环，工作温度在400度左右，，活塞环在气缸中做高速运动，活塞环的平均速度为11－13M/S，加上高温时机油可能变质，使活塞环磨损严重，活塞环是发动机中使用寿命最短的机件，当活塞环失效时，将出现起动空难、功率不足、窜气、排气蓝烟、机油消耗增大状况。

气环一般用合金铸铁制造，并镀有多孔性铬，多孔性铬硬度高，并能存储少量机油，改善润滑条件。

活塞环的作用是密封、导热，密封是指保障活塞与气缸壁之间的密封，防止气缸中的高温高压燃气窜如曲轴箱，同时将活塞顶部的大部分热量传给气缸壁，再有冷却水带走。活塞环分气环和油环。

1） 气环

气环在自由条件下，其外形尺寸比气缸内径稍大，因此，它随活塞一起装入气缸后，便产生弹力，紧粘在气缸壁上，使燃气不能通过环与气缸壁之间的间隙，同时，活塞环在燃气的压力下，压紧在活塞环槽的下端面，于是燃气便绕流到活塞环背面，燃气的压力对活塞环背面的压力使活塞环更紧的压在汽缸壁上，同时燃气由于膨胀，压力下降，同样的原理，发生在第二、第三道气环上，在最后一道气环上泄漏的燃气已相当的少，这种密封称为迷宫式密封

气缸内的燃气主要是通过活塞环的切口进入曲轴箱，在安装活塞环时要注意切口的方向，一定要对照手册。

活塞环的断面有各种形状，在安装时要主要断面方向，装反了就不能很好的密封。

2） 油环

油环的主要作用是刮油。

油环有两类 普通油环、组合油环。

现在普通油环不多用，我们简单介绍组合油环。

组合油环由几个刮油钢片和弹性衬环组成，径向的弹性衬环可以把刮油钢片压紧在气缸壁上，刮油钢片各自独立，对气缸的适应性好，刮油钢片很薄，对气缸壁的比压大，所以，刮油效果很好。

3活塞销

活塞销连接活塞和连杆小头，将活塞所承受的燃气作用力传给连杆，连杆再推动曲轴转动。

活塞销在热态下，不仅能在连杆小头中自由转动，也可在销座孔内缓慢转动，这称为全浮式活塞销，它可保证活塞销磨损均匀。在冷态时活塞销与销座孔为过度配合所以在安装时，需要把活塞座孔加热到90度，然后将活塞销装入。

4 连杆

连杆的作用是将活塞承受的燃气压力传给曲轴，从而使活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动。

连杆承受压缩、拉伸、弯曲交变载荷，要求在质量一定的前提下，有足够的强度和刚度，而工字断面在质量一定时，强度、刚度多好，所以连杆断面一般为工字。

连杆刚度不够时，可能产生的结果有：连杆大头失圆，导致大头轴瓦因油膜破坏而烧损，连杆弯曲，造成活塞与气缸偏磨，窜气、窜油。

1） 连杆小头

它与活塞销相连，内有减磨的青铜衬套。

2) 连杆身

为在质量一定的条件下，能有足够的强度、刚度， 通常断面为工字型，在中间 有润滑油道。

3) 连杆大头

连杆大头与曲柄相连，连杆盖与连杆大头是组合镗孔，为保证足够的精度，在装配是不要装混，连杆大头的表面要求很高的光洁度，以便与连杆瓦紧密配合。

1））连杆螺栓

连杆盖和连杆大头用特制的连杆螺栓连接，连杆螺栓必须按规定的拧紧力

矩，分2－3次拧紧。

2））连杆定位

由于连杆大头与连杆是分开的，在安装是就有两者之间的定位问题，通常

有套筒定位，锯齿定位，通过定位，可以保证安装的精度。

套筒定位，是在连杆盖的每个螺栓孔中，压入一个高强度套筒，这个套筒与连

杆大头有精度很高的配合，借此达到连杆大头与连杆的安装精度。缺点是，连杆大头的尺寸可要加大，以保证套筒的压入。

锯齿定位，是在连杆大头和连杆接触面加工出高精度的锯齿，靠锯齿之间定位。

缺点是，两个端面的锯齿加工工艺负责。

3））连杆瓦

连杆瓦是在厚1－3 mm的薄钢背上浇铸0.3-0.7mm 的减磨合金而成。

连杆瓦与曲柄销的配合是发动机最主要的配合之一，在装配时最好不要把连杆瓦混装，各缸是各缸的。

连杆瓦在自由状态下，不是半圆，当它们装入连杆大头时，有点过盈，能均匀的粘在连杆大头壁上，已保证很好的承受载荷和导热能力。连杆瓦在缸背上加工有定位凸键，防止连杆瓦滚动。

三 曲轴

曲轴承受连杆传来的力，并由此造成绕其本身轴线的力矩。

曲轴的上的配合集中了发动机最关键的配合，装配时要十分注意。

主轴承座与主轴承盖也是组合镗孔，加工精度很高，不能互换，曲轴轴瓦与连杆轴瓦结构相同，轴瓦背和轴承座孔要保持很好的光洁度，保证轴瓦能承受载荷，并传到热量。 主轴承座与主轴承盖也存在定位问题，定位方式与连杆大头的相似。

主轴承螺栓也要按规定的力矩，分2－3次拧紧。

曲轴要求有很好的润滑，在曲轴的各个曲柄和主轴径上都有油路，机油在机油泵的作用下，通过曲轴的各个曲柄和主轴径上的油路，送到各个滑动轴承的配合表面。

第五节 配气机构

一 配气机构的功用是

1按照发动机每一气缸内所进行的工作循环和发火次序的要求，定时开启和关闭各气缸的进、排气门，使新鲜充量得以及时进入气缸，废气得以及时从气缸排出

2在压缩与膨胀行程中，保证燃烧室的密封。

新鲜充量对于柴油机而言是纯空气。

新鲜充量充满气缸的程度用充气效率表示。它是进气过程中，实际进入气缸的新空气量，与在进气口状态下，理论上充满气缸工作容积的空气量，两者之间的比值，这个值在0.9左右，充气效率越高，表明进入气缸内的新鲜充量的质量越大，可燃混合气燃烧时可能放出的热量愈大，发动机发出的功率也愈大。提高充气效率，是提高内燃机功率的一个重要方法，影响充气效率的因素主要有，进气系统的机构阻力，如空气虑芯问题，进排气门的结构、气门的开启时刻，即配气相位问题。

配气机构可从不同角度来分类。按气门的布置分为气门顶置和气门侧置式；按凸轮轴的布置位置分为下置式、中置式和上置式；按曲轴和凸轮轴的传动方式分为齿轮传动式、链条传动式和齿带传动式；按每气缸气门数目分，有二气门式和四气门式等。

配气机构的总布置

配气机构的组成与工作情况

各式配气机构中，按其功用都可分为气门组和气门传动组两大部分。气门组包括气门及与之相关联的零件，其组成与配气机构的型式基本无关。气门传动组、是从正时齿轮开始至推动气门动作的所有零件，其组成视配气机构的形式而有所不同，它的功用是定时驱动气门使其开闭。

1. 气门顶置式配气机构

进气门和排气门都倒挂在气缸盖上，气门组包括气门、气门导管、气门座、弹簧座、气门弹簧、锁片等零件；气门传动组一般由摇臂、摇臂轴、推杆、挺柱、凸轮轴和正时齿轮组成。

气门顶置式配气机构的工作情况是：当气缸的工作循环需要将气门打开进行换气时，由曲轴通过传动机构驱动凸轮轴旋转，使凸轮轴上的凸轮凸起部分通过挺柱、推杆、调整螺钉推动摇臂摆转，摇臂的另一端便向下推开气门，同时使弹簧进一步压缩。当凸轮的凸起部分的顶点转过挺柱以后，便逐渐减小了对挺柱的推力，气门在弹簧张力的作用下开度逐渐减小，直至最后关闭。压缩和做功行程中，气门在弹簧张力的作用下严密关闭。

气门顶置式配气机构根据凸轮轴的位置有以下三种型式：

(1)凸轮轴下置式配气机构，凸轮轴装在曲轴箱内，直接由凸轮轴正时齿

凸轮与曲轴正时齿轮相啮合，由曲轴带动。气门传动组包括上述全部零件，其应用最为广泛。

(2)凸轮轴中置式配气机构

凸轮轴位于气缸体的上部。为了减小气门传

动机构的往复运动的质量，对于高转速的发动机，可将凸轮轴的位置移到气缸体的上部，由凸轮轴经过挺柱直接驱动摇臂而省去推杆。该形式的配气机构因曲轴与凸轮轴的中心线距离较远，一般要在中间加入一个中间齿轮(惰轮) 。

(3)凸轮轴上置式配气机构

凸轮轴布置在气缸盖上。凸轮轴直接通过摇

臂来驱动气门，没有挺柱和推杆，使往复运动的质量大为减小，对凸轮轴和气门弹簧的要求也最低，因此它适用于高速强化发动机。

气门顶置式配气机构由于进、排气通道拐弯少、气流阻力较小，气体进出较通畅，使得进气较充分，同时气门的布置与燃烧室配含绪树紧凑，有利于混合气的形成和燃烧，所以动力性和经济性较好。 目前国产汽车发动机都；采用气门顶置式配气机构，如CAl091型、东风EQl090E 型、上海桑塔纳轿车等。 四行程发动机每完成一个工作循环，曲轴旋转两圈，各缸的进、排气门各开启一次，即

凸轮轴只转一圈，所以曲轴与凸轮轴的传动比为2：1。

2. 气门侧置式配气机构 进气门和排气、门都装置在气缸体的一侧

二 四行程柴油机的换气过程

1排气过程

理论上排气门应该在活塞在下止点时打开，但此时排气门刚刚开启一点，排气截面积很小，排气不畅，气缸压力下降迟缓，活塞向上止点运动强制排气时，将大大增加活塞排气所消耗的功，所以内燃机的排气门都是在活塞接近下止点前的某一个曲轴转角位置打开，这一角度称为排气提前角。

在排气门打开，到强制排气初期，由于气缸内压力高，废气以当地声速排出，配气量取决与气门截面积的大小，与排气管内的压力无关，这段时间随短，但排气量却占到60％，所以排气提前角要适当的加大。在强制排气后期，气流量不仅与排气截面积有关，业与排气管内的气体压力有关。

内燃机的排气门也不是在上止点就关闭的，而是有一个滞后角，这个角度叫排气门迟闭角，做用有两个

避免因排气界面积过早减小，造成排气阻力加大

利用排气流的惯性，继续排气

2进气过程

为了增加进气量，进气门也在上止点前的某个角度开启，这个角度叫进气提前角，进气门也是在下止点后的某个角度关闭，这个角度叫进气迟闭角，在这个曲轴转角内，活塞虽然开始上行，但进气的气流速度依然较高，进气门迟闭正是为了利用气流的惯性，向缸内多充气。

3 气门叠开

在四行程内燃机换气过程中存在一个气门叠开的特殊阶段。

由于进气门在上止点前提前开启，排气门在上止点后迟后关闭，出现进排气门同时开启的现象，这称为气门叠开。

在气门叠开其间，进气管、气缸、排气管相通，气体的流动方向取决于三者的压力差，对于自然吸气的柴油机，气门叠开角过大，可能出现废气倒流，对于增压柴油机，由于进气压力高新鲜空气只会进入气缸扫气，要充分利用气门叠开角，原因如下：

1） 有利于扫除缸内的废气，增加进气量

2） 利用新鲜的充量，降低燃烧室内气缸壁、排气门、活塞顶、气缸盖的温度，从而减

小这些关键部件的热负荷

三气门与凸轮轴

1 气门

气门的头部工作温度很高，特别是排气门，排气门一般用耐热合金钢制作。

气门密封锥面的锥角，称为气门锥角，进气门有采用30度锥角的，锥角小，进气断面大，但气门头部较薄，气门强度不好，导热性也不好，排气门导热性要求高，一般用45度锥角。

2 气门座

气门座由于在高温下工作，气门又不断的冲击，有要求它与气门之间的良好密封，对其材料性能要求很高，故一般采用优质材料加工，然后镶嵌如气门座孔，气门孔座与气门座的公差配合要求很严，若气门座脱落将导致重大事故。

为了保证良好的密封，气门与气门座的密封锥面要研磨，研磨锥面要有1－3mm ，以防止由于气门与气门座的冲击和被高温燃气破坏。研磨的气门不能互换。

四 多气门结构

汽车发动机的转速已经越来越高，现代轿车发动机的转速一般可达每分钟5500转以上，完成四个工作过程只需0.005秒时间，传统的两气门已经不能胜任在这么短促的时间内完成换气工作，限制了发动机性能的提高。解决这个问题的方法只能是扩大气体出入的空间。换句话就是用空间换取时间。多气门技术是解决问题的最好方法，直至80年代推广多气门技术才使发动机的整体质量有了一次质的飞跃。

多气门发动机是指每一个气缸的气门数目超过两个，即两个进气门和一个排气门的三气门式；两个进气门和两个排气门的四气门式；三个进气门和两个排气门的五气门式。目前轿车上的多气门发动机多是四气门式的。四缸发动机有16个气门，6气缸发动机有24个气门，8气缸发动机就有32个气门。例如日本凌志LS400型轿车的发动机就是8缸32个气门。增加了气门数目就要增加相应的配气机构装置，构造比较复杂，一般由两支顶置式凸轮轴来控制排列在气缸燃烧室中心线两侧的气门。气门布置在气缸燃烧室中心两侧倾斜的位置上，是为了尽量扩大气门头的直径，加大气流通过面积，改善换气性能，形成一个火花塞位于中央的紧凑型燃烧室，有利于混合气的迅速燃烧。

有人提出疑问，既然气门多好，为什么见不到一缸6气门以上的发动机？热力学有一个叫“帘区”的概念，指气门的圆周乘以气门的升程，即气门开启的空间。“帘区”越大说明气门开启的空间越大，进气量也就越大。以奥迪100型轿车的发动机为例，它的四气门“帘区”值比两气门的“帘区”值，在进气状态时要大一半，在排气状态时要大百分之七十。当然，每一个事物都有它的一定适用范围，并不是说气门越多“帘区”值就越大，据专家计算当每个气缸的气门增加到六个时，“帘区”值反而会下降了，而且气门越多机构越复杂，成本就越大。因此，目前轿车的多气门燃油发动机的每个气缸的气门数目都是三至五个，其中又以四个气门最为普遍。

五 凸轮轴

凸轮轴上的各缸进排气凸轮的相对角度是与既定的配气相位相适应的。凸轮的轮廓应保证气门的开启和闭合的持续时间符合配气相位的要求。

当凸轮按图中箭头方向转动，转过圆弧EA 时，挺柱不动，气门关闭，当凸轮轴转过A 点后挺柱开始上移，到B 点气门间隙消除，气门开始开启，到C 点对应这气门的最大开度，到D 点气门闭合，凸轮轮廓BCD 的形状，确定了气门的运动规律，它也与配气相位相适应。

第六节 柴油机的燃油供给系统

燃油供给系统的基本功能是：在压缩行程接近终了时，把柴油喷入气缸，直接在气缸内部行程混合气，并借助气缸内的高温自行燃烧。

1） 能产生足够高的喷射压力，以保证燃料的良好雾化、混合气的形成与燃烧

2） 对应于柴油机的每一工况能精确、及时的控制喷入气缸的燃料，并保证各缸的喷油

量均匀

3） 在柴油机运转的整个工况内，尽可能的保持最佳的喷油时刻

4） 保证柴油机安全的工作，不飞车。

柴油供给系统可分高压部分与低压部分。在输油泵的做用下，燃油离开油箱，经过第一及燃油滤清器（油水分离器），进入输油泵的近油端，到此的部分为低压端，接头或连接的任何部分松动，都会将空气吸入燃油系统，导致发动机运转不稳和功率下降。高压部分包括高压泵、喷油器、与之相连的高压油管。这种传统的泵－管－嘴系统，现在已很少用。

一 泵－管－嘴系统的喷油过程

当喷油泵挺柱总称2的滚轮与凸轮的基圆接触时，柱塞3处于下死点，柱塞腔5与低

压油腔相连，随着凸轮轴的转动，当柱塞的顶面上升的与进、回油孔的上边缘相齐平时，进、回油孔关闭，柱塞腔与低压油路隔断，柱塞再向上运动，柱塞腔内的燃油被压缩，压力升高，当压力升到大于出油阀开启压力与上次上次喷油残余压力Po 之和时，出油阀开启，燃油经出油阀进入高压油管、喷油器体油路、针阀的盛油槽内，随着柱塞的继续上行，油压升高，当压力超过针阀的开启压力时，针阀打开，相缸内喷油，由于柱塞的截面积大，喷油孔的截面积小，故喷射过程中压力持续升高。当柱塞上行到斜槽边缘打开回油孔时，柱塞腔与低压腔相通，出油阀在弹簧和压力的做用下，开始下行，当它的减压凸缘进入出油阀座孔时，高压油路与柱塞腔隔断，但高压油路还保持着一定的压力，出油阀继续下行，在下行过程中由于减压容积的做用，使高压路的燃油压力迅速降低，当喷油器体内的燃油压力小于针阀的的弹簧压力时，针阀关闭，喷油结束。

二 喷油系统三大偶件

1柱塞喷油泵的基本原理及柱塞偶件

柱塞3由凸轮的作用下在柱塞套中做上下往复运动，在柱塞上由一个直槽一个螺旋斜槽，当柱塞顶面关闭了进油孔、出油孔后，便在顶部建立了高压并开始供油，柱塞继续上行到其斜槽打开回油孔时，顶部高压腔便通过斜槽与低压油路相连，供油结束，从柱塞顶面关闭进油孔到螺旋槽斜边打开低压油路之间的柱塞行程叫喷油泵的有效行程，通过齿杆旋转柱塞，改变喷油泵的有效行程，改变喷油量。

柱塞偶件，采用优质合金钢制造，配合间隙0.0015—0.0025mm ，必须要严格控制配合间隙，大了，漏油，建立不起压力，小了，柱塞卡死。

2 出油阀偶件

出油阀偶件，采用优质合金钢制造，配合间隙0.001—0.003mm ，它要隔断高压油路与柱塞腔，一般有减压环，使高压油迅速降压，防止二次滴油。

3针阀偶件及喷油器

喷油器中的关键部分是，将燃料喷入气缸的喷嘴，目前柴油机几乎都采用针阀向内开启式的喷油器。

喷嘴对喷雾的质量有直接影响，它直接与高温、高压燃气接触，工作条件极为苛刻，是影响柴油机可靠性的关键部件之一。

针阀4被弹簧压紧在针阀体1的密封锥面上，当高压管的燃油在盛油槽中的压力高于弹簧的预紧压力时，燃油经喷油孔喷出。

针阀偶件的配合间隙0.0015-0.003mm ，制造和选材上，要特殊关照。

三 柴油机的燃烧和喷油过程

1滞燃期（ab 段）

在压缩行程末期，在上止点前A 点（喷油提前角），喷油器针阀开启，向缸内喷射燃料，这是缸内的温度在600度左右，高于柴油自燃温度，但柴油并不着火，而是稍有滞后，到B 点才着火，在滞燃期AB 中，柴油雾化、加热、蒸发、扩散、与空气混合等物理化学变化，这些物理化学变化为后面的燃烧做准备，对整个燃烧过程影响很大。

2急燃期（bc 段）

在这一阶段，由于滞燃期内喷入气缸内的燃料几乎一起燃烧，而且活塞在上止点附近，气缸容积很小，导致缸内的温度、压力上升很快，如太快，柴油机工作粗暴。 3缓燃期（cd 段）

这一阶段是在气缸容积变大的状态下完成的，燃烧必须很快才能保证缸内的压力稍有上升。

在急燃期和缓燃期内，针阀仍在向缸内喷油，但此时是一边混合一边燃烧，由于混合的速度慢，所以燃烧的速度取决与混合的速度。

4后燃期（de 段）

在柴油机中，由于时间短促、混合不均匀，总有一部分柴油不能及时燃烧，要拖到这个阶段，在这个阶段活塞下行的速度比较大了，此时柴油燃烧膨胀放热，放出的热量不能被活塞有效的利用，增加了冷却系统的工作，同时加大了活塞等部件的热负荷。

四 柴油机的冷起动困难

1 气温低造成压缩后的温度和压力都低，而柴油必须在足够高的温度下才能自燃。 2 低温造成柴油粘度大，使柴油的蒸发和雾化不好。

在形成可燃混合气中，燃料蒸汽与空气的比例要在一个界限，混合气过稀，柴油分子过少，混合气过浓，氧分子过少，两者都不能燃烧。

3润滑油粘度增加。

4 蓄电池功能下降。

五 调速器

1 柴油机上为什么要安装调速器

喷油泵的速度特性对工况多变的柴油机是非常不利的。当发动机负荷稍有变化时，导致发动机转速变化很大。当负荷减小时，转速升高，转速升高导致柱塞泵循环供油量增加，循环供油量增加又导致转速进一步升高，这样不断地恶性循环，造成发动机转速越来越高，最后飞车；反之，当负荷增大时，转速降低，转速降低导致柱塞泵循环供油量减少，循环供油量减少又导致转速进一步降低，这样不断地恶性循环，造成发动机转速越来越低，最后熄火。

要改变这种恶性循环，就要求有一种能根据负荷的变化，自动调节供油量。使发动机在规定的转速范围内稳定运转的自动控制机构。移动供油拉杆，可以改变循环供油量，使发动机的转速基本不变。因此，柴油机要满足使用要求，就必须安装调速器。

2 调速器的功用、形式

调速器是根据发动机负荷变化而自动调节供油量，从而保证发动机的转速稳定在很小的范围内变化。

型式：按功能分有两速调速器、全速调速器、定速调速器和综合调速器；按转速传感分有气动式调速器、机械离心式调速器和复合式调速器。

3 机械离心式调速器的工作原理

机械离心式调速器是根据弹簧力和离心力相平衡进行调速的，工作中，弹簧力总是将供油拉杆向循环供油量增加的方向移动；而离心力总是将供油拉杆向循环供油量减少的方向移动。当负荷减小时，转速升高，离心力大于弹簧力，供油拉杆向循环供油量减少的方向移动，循环供油量减小，转速降低，离心力又小于弹簧力，供油拉杆又向循环供油量增加的方向移动，循环供油量增加，转速又升高，直到离心力和弹簧力平衡，供油拉杆才保持不变。这样转速基本稳定在很小的范围内变化。

反之当负荷增加时，转速降低，弹簧力大于离心力，供油拉杆向循环供油量增加的方向

移动，循环供油量增加，转速升高，弹簧力又小于离心力，供油拉杆又向循环供油量减小的方向移动，循环供油量减小，转速又降低，直到离心力和弹簧力平衡

第六节 电控喷油发动机

一 电控喷油的优点

1 具有发动机自动保护功能

当各种传感器检测到不正常的参数时，ECM 或 ECU 将发出警告，并同时减小发动机功率，或熄火。

2具有发动机故障诊断功能

当发动机发生故障时，ECU /ECM 可保存故障代码，便于故障诊断。

3 改进了发动机的调速控制，电子调速器更精确

它用电流值、电压值取代了旋转飞轮装置，并且考虑到了发动机的温度，大气压力等因素，这使的电子调速器更精确。

4 改进了燃油经济性

通过改变喷油提前角，适应各种工况下的工作，同时也考虑温度、增亚等因素。 5改善 冷起动性能

6控制排放（us EPA CEPA EEC ）

ECU/ECM 能根据根据各种因素的变化，精确的控制喷油定时和喷油量。

二 电控的组成

由传感器、电控器、执行器三部分

1传感器

检测柴油机的各种信息，如各种压力、温度、曲轴角度等。

传感器主要是把发动机的各种信号检测，并转化为电信号。测温度的传感器主要是两线型的，测温原理为热敏电阻原理。

测压力的传感器主要是三线型的，测量原理是滑动变阻器。

2 电控器

核心是柴油机的各种性能调节曲线、图表、算法，这些都是开发商经过大量试验得到的，电控器比较各种状态下的检测值与上诉目标值之差，进行反馈控制，达到误差最小，柴油机就最接近最佳工作状态。

3执行器

接受ECM/ECU的指令，完成所需的各项调控任务。

三 电控喷油器

第七节 水冷系统

目前汽车发动机上采用的水冷系；大都是用水泵强制水(或冷却液) 在冷却系中进行循环流动，故称为强制汽车发动机是将热能转变为机械能的机器。然而，发动机只应用于热能的三分之一，其余热量的大部分被排气所带走，剩余的则被发动机零部件吸收。众所周知，在可燃混合气的燃烧过程中，气缸内气体温度可高达2073—2375K 。那些直接与高温气体接触的机件(如气缸体，气缸盖、活塞、气门等) 若不及时冷却，则其中运动机件将可能因受热膨胀而破坏正常间隙，或因润滑油在高温下失效而卡死，各机件‘也可能因高温而导致其机械强度降低甚至损坏。因此，为保证发动机正常工作，必须对这些在高温条件下工作的机件加以冷却。

发动机的冷却必须适度。若发动机冷却不足，由于气缸充气量减少和燃烧不正常，发动机功率将下降，且发动机零件也会因润滑不良而加速磨损。但若冷却过度，由于热量散失过多，使转变成有用功的热量减少，同时由于混合气与冷气缸壁接触，使其中原已汽化的燃油又凝结并流到曲轴箱内，不仅增加了燃油消耗，且使润滑油变稀而影响润滑，结果也使发动机功率下降，磨损加剧，因此，冷却系的任务就是使工作中的发动机得到适度的冷却，从而保持在最适宜的温度范围工作。发动机的正常工作温度是353～363K ，温度的高低用冷却介质的温度来衡量，过高过低都不好。

发动机用冷却用水，最好是软水(含矿物质少的水) 。因为，硬水易产生水垢而堵塞通道，破坏水的冷却循环。目前车上已普遍使用配制好的防冻液。使用中应注意，切勿吸人口中，以免中毒。

循环式水冷系。

图7—1是强制循环式水冷却系示意图。它具有较完善的冷却调节，控制功能，当发动机冷车起动时，工作温度偏低，节温器4的主阀门关闭，副阀门开启，冷却水由水泵8进入分水管7，经水套6由上出水口通过节温器的副阀门直接流向水泵(不经散热器12) ，由水泵提高水压后再进入分水管，这称为水冷却系的小循环。发动机的温度会迅速升高，当水温 升到353K(80度) ；以上时节温器的主阀门开启，副阀门关闭，水套中的冷却水由上出水口经节温器主阀门流向上贮水箱1，经散热器12冷却后进人下贮水箱10，从下水管被吸入水泵，提高压力，再泵入分水管7，这称为冷却系的大循环。冷却系还利用风扇3的强力抽吸，使空气从前向后高速通过散热器，如快水的散热能力。

第八节 润滑系统

发动机的润滑是由润滑系来实现的。润滑系的基本任务就是将润滑油不断地供给各零件的磨擦表面，减少零件的磨擦和磨损。润滑系虽然不参加发动机功能转换，却能保证发动机正常工作，使其具有较长的使用寿命。

1. 润滑系的作用 润滑系的主要作用就是对发动机主要磨擦零件进行润滑。

润滑系的润滑油流经各零件表面时，还会带走零件磨擦产生的热量，洗掉零件表面的金属磨屑，空气带人的尘土及燃烧产生的炭粒等杂质(这些作用对气缸壁来说，尤为重要) 。在零件表面形成的油膜，还会保护零件免受水、空气和燃气的直接作用，防止零件受到化学及氧的腐蚀，润滑油有一定的粘性，可以填补缸壁与活塞环之间的微小间隙，减少气体的泄漏，起到密封作用。

所以润滑油的作用除润滑外，还具有散热、清洗、保护及密封等作用。

2. 发动机的润滑方式 发动机各零件的润滑强度取决于该零件的环境、相对运动速度和承受机械负荷、热负荷的大小。根据润滑强度的不同，发动机润滑系采用下面几种润滑方式：

(1)压力润滑：利用机油泵，将具有一定压力的润滑油源源不断地送到磨擦面间。形成

具有一定厚度并能承受一定机械负荷而不破裂的油膜，尽量将两磨擦零件完全隔开，实现可靠的润滑。

(2)飞溅润滑：利用发动机工作时某些运动零件(主要是曲轴与凸轮轴) 飞溅起的油滴与油雾，对磨擦表面进行润滑的一种方式。飞溅润滑适合于暴露零件表面，如缸壁、凸轮等；相对运动速度较低的零件，如活塞销等；机械负荷较轻的零件，如挺柱等。气缸壁采用飞溅润滑还可防止由于润滑油压力过高，油量过大，进入燃烧室导致发动机工作条件恶化。

(3)定期润滑：对一些不太重要、分散的部位，采用定期加注润滑脂的方式进行润滑，如发动机水泵轴承、发电机、起动机及分电器等总成的润滑，即采用这种方式。

3. 润滑系的组成 一般发动机的润滑系组成大体相同，由下面这些装置组成。

油底壳一用来贮存润滑油。在大多数发动机上，油底壳还起到为润滑油散热的作用。

机油泵一将二定量的润滑油从油底壳中抽出加压后，源源不断地送至各零件表面进行润滑，维持润滑油在润滑系中的循环。机油泵大多装于曲轴箱内，也有些柴油机将机油泵装于曲轴箱外面，机油泵都采用齿轮驱动方式，通过凸轮轴、曲轴或正时齿轮来驱动。

机油滤清器一用来过滤掉润滑油中的杂质、磨屑、油泥及水分等杂物，使送到各润滑部位的都是-干净清洁的润滑油。由于过滤能力与流动阻力成正比，润滑系的滤清器按过滤能分成三种，设于润滑系不同部位。

机油集滤器多为滤网式，能滤掉润滑油中粒度大的杂质，其流动阻力小，串联安装于机油泵进油口之前。机油粗滤器用来滤掉润滑油中粒度较大的杂质，其流动阻力小，串联安装于机油泵出口与主油道之间。机油细滤器能滤掉润滑油中的细小杂质，但流动阻力较大，故多与主油道并联，只有少量的润滑油通过细滤器过滤。

主油道一是润滑系的重要组成部分，直接在缸体与缸盖上铸出，用来向各润滑部位输送润滑油。

限压阀用来限制机油泵输出的润滑油压力。旁通阀与粗滤器并联，当粗滤器发生堵塞时，旁通阀打开，机油泵输出的润滑油直接进入主油道。机油细滤器进油限压阀用来限制进入细滤器的油量，防止因进入细滤器的油量过多，导致主油道压力降低而影响润滑。

润滑系还设有机油压力表、油温表等。某些热负荷较大的发动机，如越野汽车发动机和柴油发动机上，还设有润滑油散热器，对润滑油进行散热冷却。

API--美国石油学会简称；

15W/40--机油粘度适用于-15℃-40℃的范围

SAE--美国汽车工程师学会简