柴油发动机基本原理一

柴油机基础学问

第一章柴油机基础学问

第一节柴油机概述

内燃机是一种简单的能量转换机器。随着技术水平的不断提高，各种类型内燃机的构造

及其布置也就各有差异。往复活塞式内燃机的基本构造，都由下列二个机构和五个系统所组

成。

以柴油作燃料，当空气在气缸内受压缩而产生高温，使喷入的柴油自然，燃气膨胀而作功

的内燃机，称为柴油机。

我们国家现生产柴油机的功率掩盖面为2.2—47280KW,柴油机的气缸直径65—900mm,

转速5.6—4400r/min。特点：易于起动、操作维护便利、结构紧凑、体积小、重量轻、便于

运输安装、经济性好、使用范围广，是较抱负的动力机械，广泛用作发电、船舶、排灌、汽

车、拖拉机和工程机械等动力。

其次节柴油机分类

依据工作循环分类：二冲程柴油机和四冲程柴油机；

依据气缸数量分类：单缸柴油机和多缸柴油机；

依据汽缸排列方式分类：立式、卧式、直列式、斜置式、V形、X形、W形、对置

汽缸、对置活塞等：

依据冷却方式分类：水冷柴油机和风冷柴油机；

依据进气方式分类：自然吸气式和增压式：增压式可分为：低增压、中增压、高增

压和超高增压等；

依据曲轴转速分类：高速机、中速机、低速机；

依据用途分类：固定式、移动式；

第三节柴油机工作原理

依据肯定规律，不断地将柴油和空气送入气缸，柴油在气缸内着火燃烧，放出热能,

高温高压的燃气推动活塞作功，将热能转化成机械能。

四冲程柴油机的正常运转通过以下四个工作过程来完成；

进气过程：活塞由上止点移动到下.止点，即曲轴的曲柄内0。转到180。（活塞位于第一冲程

上止点时，曲轴的曲柄位置定为0。）。在这个冲程中，进气门打开，新奇空气被吸入气缸。

压缩过程：活塞由下止点移动到上止点，即曲柄由180。转到360。。在这个冲程中，气缸

内的气体被压缩；

燃烧膨胀过程（工作过程）：活塞再由上止点移动到下止点，即曲柄由360。转到54）。。

在这个冲程中燃气膨胀做功，所以又称为工作冲程或做功冲程。

排气过程：活塞再由下止点移动到上止点，即曲柄由540。转到720。。在这个冲程中排气

门打开，燃烧后的废气经排气门排出气缸.

柴油机术语

上止点：活塞离曲轴中心线最大距离时的位置：

下止点：活塞离曲釉中心线最小距离时的位置；

活塞行程：活塞运行在上、下两个止点间的距离；活塞行程等于两倍的曲柄半径长度，

即S=2Ro

曲柄半径:曲轴旋转中心到曲柄销中心的距离；

活塞平均速度：Cm=sn/30（米/秒）；Cm-活塞平均速度S—活塞行程n—转速

燃烧室容积Vc：活塞位于上止点位置时，活塞顶上面的空间叫燃烧室，这个空间容积叫

燃烧室容积：

气缸工作容积Vh：活塞从上止点移动到下止点，所扫过的空间容积：Vh=（n.D2/4）.S.1O6

（升）；D单位为mm.

气缸总容积Va：活塞位于下止点位置时，气缸内的容积；Va=Vc+Vh

压缩比：活塞从下止点移动到上止点时.，气体在汽缸内被压缩的程度，即气缸总容积与

燃烧室容积的比值；一般柴油机压缩比为12-20；

总排量：多缸柴油机全部气缸工作容积之和；

指示功Wi:表示气缸内的气体完成一个工作循环时对活塞所作的功。

平均指示压力pmi:表示在每个工作循环中，单位气缸工作容积所作的指示功Wi,单位

为Pa或(N/m2)。

指示功率Pi:表示单位时间内所作的指示功，单位为kW1.

指示燃油消耗率gei:指示燃油消耗率［单位为g/(kW・h)］表示单位指示功的耗油量，以指示

功率每千瓦小时的耗油量表示。

有效功率PS:从内燃机输出轴上所获得的功率，称为有效功率(单位为kW)o

机械效率nm:有效功率和指示功率之比称为机械效率。

输出扭矩Tiq:内燃机的有效功率，通常是从内燃机输出轴上测得的输出扭矩和转速中计

算出来的。内燃机输出轴的扭转力矩称为输出扭矩Tiq,简称为扭矩，单位为N.m,可由专

用的水力或电力测功器测出。取所测某工况下的转距和转速，应用下列公式计算该工况下的

内燃机有效功率Ps(单位为kW)：

Ps=nTiq/9550

式中n------内燃机输出轴转速，单位为r/min

平均有效压力pme:在评价内燃机有效指标时，常用平均有效压力pme,它是折合到单位

气缸工作容积的比参数.其物理概念与平均指示压力pmi值相对应。平均有效压力的定义

为单位气缸工作容积所发出的有效功。

有效燃油消耗率ge:单位有效功的耗油品称为有效燃油消耗率，通常以每千瓦小时所消耗

的燃料重量来表示，共单位为g/(kW.h)。

15分钟功率：在标准环境条件下，内燃机连续运行15分钟的最大有效功率;

1小时功率：在标准环境条件下，内燃机连续运转1小时的最大有效功率；

12小时功率：在标难环境条件下，内燃机连续运行12小时的最大有效功率；

持续功率：在标准环埴大气压力O.IMPa,环境温度298K（陆用内燃机）、318K（船用内燃

机）］条件下内燃机以标定转速允许长期连续运行的最大有效功率。

15分钟功率是对车用内燃机而言，如汽车、摩托车和摩托艇等在超车或追击时以最高速

度行驶，在15分钟内允许以满负荷运行。在正常行驶过程中，按内燃机标定功率运转。对

车用内燃机，通常以1小时功率为标定功率，15分钟功率作为最大功率，相应的转速为标

定转速和最大转速。汽车常常处在低于标定功率下行驶，因此车用内燃机的标定功率可以标

得高一些，以充分发挥内燃机的工作力量。船用主机、工程机械和机车通常以持续功率为标

定功率，I小时功率为最大功率。船舶在航行时对内燃机的耐久性和牢靠性要求很高，使用

功率不能标定得太高。使用功率的标定是一项简单的工作。使用功率标定得越高，使用寿命

越短。目前产品使用功率的标定是依据用户的要求和产超的性能，由生产厂标定。

负荷特性：保持柴油机转速不变，其性能参数随负荷变化的规律；对于用做恒转速的从

动机动力时，如发电用柴油机，负荷特性具有重要的使用价值。

速度特性：保持供油量不变的状况下，柴油机的性能参数转速变化的关系；供油量保持

最大时的速度特性称为全负荷速度特性，乂叫做外特性；选择车用和工程机械用柴油机时，

着重考虑外特性。

调速特性：将调速手柄固定在某一位置不动，由调速器自动掌握喷油泵齿条的移动，使

负荷由零渐渐变到最大，比时柴油机扭矩和功率等参数与转速的变化关系：一般将调速手柄

固定在最大功率位置。

螺旋桨特性：Ne=An3Me=Bn2

式中，比例系数A、B取决于螺旋桨结构、船的航速和水的密度等因素；当发动机按螺

旋桨特性工作时，超速3%,功率就增加10%。

柴油机构造

柴油机主要由以下构造与系统组成:

机体组件：包括机体、曲轴箱、气缸套、气缸盖等;

曲柄连杆机构：包括活塞、活塞环、活塞销、连杆、曲轴和飞轮等；

配气机构与进、排气系统：包括进、排气门组件、推秆、挺柱、凸轮轴、正时齿轮、进、

排气管、空滤器等；

燃料供应与调整系统：包括喷油泵、喷油器、输油泵、柴滤器、调速器等；

润滑系统：包括机油泵、机油滤清器、压力调整阀、润滑油道等：

冷却系统：包括水泵、冷却水腔、风扇、散热水箱、机油散热器、空气冷却器、节温器

及管路；

起动系统：包括气启动、电启动：气启动由气马达或安排盘组成，电启动由启动电机、

继电器、电瓶、启动按钮及连线组成：

增压系统：包括增压器、空气中冷器；

其次章主要固定件

第一节机体

机体的功用与结构：机体是柴油机的主体骨架，它的内、外部安装着柴油机的各种零部

件。

机体由气缸盖、气缸体一曲轴箱、油底壳等零部件所组成，它的作用是作为内燃机各机

构各系统的装配骨架和分别作为曲柄连构机构、配气机构、冷却和润滑等系统的组成部分。

气缸体的内部有气缸，气缸中有作往复运动的活塞，其顶部有气缸盖，三者密封成燃烧室，

燃油就在燃烧室内燃烧.使气体膨胀而推动活塞。活塞通过连杆与曲轴相连，组成曲柄连杆

机构。曲柄连杆机构的功能是将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动而实现热能转化为机

械能。

依据用途不同，潍柴发动机机体结构主要分为：

1、半隧道式（龙门式）,X6170、226B系列柴油机采纳该结构;

2、机座式，6160系列柴油机采纳该结构;

3、框架式，WD615、618柴油机采纳该结构；

WD615气缸体：

依据用途不同可分为：车用、船用、发电用、工程用气缸体等。

车用:采纳欧0气缸体（6126000103

欧I与欧n气缸体主要从以下几方面区分：

1、机油冷却器安装位置；

2、欧H气缸盖进水孔数量少两个；

3、欧H机体取消机体与框架之间的套管：

4、增加机体进水口密封胶圈（。58*3）、机体与水泵通气孔密封胶圈（。11.3*2.4）。

其次节气缸套

气缸套与气缸盖、活塞共同构成燃烧室。

依据气缸套结构可分为干式和湿式两种；干式缸套壁后较薄，一般在1.5—3.5mm之

间，主要用于缸径小于140mm的柴油机；

潍柴生产的WD615、618发动机采纳该缸套，缸壁厚度为2mm,缸径126mm。底孔尺

寸$130H6（+0.025）mm,缸套外径6130（-0.028+0.010）mm；缸心距150mm。

现用缸套61500010344与缸套61500010319区分在于缸套凸台直径大2mm.（从134.50

加大136.50mm）,其它机型为湿式缸套。

气缸套磨损可分为三类：磨料磨损、熔着磨损、腐蚀磨损；

磨料磨损主要由以下几方面造成，

1、进气不洁净;

2、装配时不清洁;

3、燃烧不良造成积炭：

熔着磨损主要是气缸内壁与活塞环受高温或是涧滑不良；

腐蚀磨损主要是燃油中含有硫分，以及燃烧的生成物，对缸壁形成酸性类腐蚀，脱离

的微粒，又成为磨料磨损，因此腐蚀磨损危害性最大。

第三节气缸盖

气缸盖的主要功用：

I、密封气缸；

2、构成柴油机进、排气通道;

3、掌握燃料和空气进入气缸;

气缸盖的分类：

缸需•件号气门座导管喷油器衬套喷油器

61460040003进614040005

615000400996150004008781560080282

614040023排§12

61560080178

61500040099A同上同上

61560080148

61560080178

同上同上同上

61560080148

同上同上

61560040057进

81560040037排$11

同上同上同上同上

61560080305

61500040040A同上同上同上

61560080276

61560080305

同上同上同上

61560080276

同上同上同上同上

61560080272

同上同上同上

WD6I8LII61560080311

第四节曲柄连杆机构

活塞组主要功用：活塞与气缸套和气缸盖共同围成柴油机的燃烧室，依靠活塞的上下

移动使柴油机工作；承受燃气压力，通过连杆带动曲轴旋转；密封气缸、防止燃气泄漏，阻

挡过多的机油窜入燃烧室；

活塞依据用途和排放标准可分为:

件号恃点备注

楔形45+46+78活塞环

楔形45+47+78活塞环

61800031001楔形44椎+45油+46梯型环

612600030017楔形45油+47梯+19扭曲锥面

61560030016n08+39+47活塞环

6156003000908+39+47活塞环

直08+39+47活塞环

肯08+39+47活塞环

楔形45+46+78活塞环

61560030043楔形45+46+78活塞环

楔形08+39+47活塞环

楔形08+39+47活塞环

612600030011楔形45油+46梯+78锥环

楔形45油+46梯+78锥环

同一台柴油机所配活塞质量之差不大于10g,应选择同一重量级别的活塞；重量级别

分为：Gl、G2、G3、G4、G5；

柴油机机型不同，燃烧室容积和四周尺寸不同，WD61564.68机以及欧I、欧H排

放标准的活塞燃烧室容积为87立方厘米，其余为84*•方厘米，第一道环槽镶有耐热圈；

安装活塞时，活塞外径与燃烧室凹坑之间窄的一侧朝向高压油泵一侧;

活塞与活塞环协作间隙:

活塞直径125.843—125.857,活塞安装间隙0.⑵…0.164,磨损极限0.35—0.40：

活塞环开口间隙:第一道环0.35—0.60,磨损极限1.00,其次道环0.25—0.40,磨损极限

1.00,第三道环0.35—0.55,磨损极限1.00；

活塞销安装间隙0.005-0.018,磨损极限0.030,活塞销直径49.994—50.00,销孔直径

50.005—50.012；

气环宽度2.978—2.99,凹槽宽度3.06—3.08,协作间隙0.07---0.12,磨损极限0.28;油

环宽度3975—3.99,凹槽宽度4.04—4.06,协作间隙0.05~0.085,磨损极限0.26；

连杆组主要功用：连接曲轴和活塞，把作用在活塞上的力传给曲轴，将活塞的往复直线

运动转变为曲轴的旋转运动。

连杆上标有质量级别字母，在更换连杆时要特殊留意，选择同一组别的连杆替换，同一

组连杆质量差为29g；

安装时，连杆大端（连杆和连杆盖组合图中注有标记部位的一侧）朝向高压油泵一侧；

连杆螺钉只允许使用一次，更不能用其它螺钉代用；

连杆分为两种：61500030062（直连杆），61500030009（楔形连杆），现大部分机型都

用61500030009连杆;连杆小头底孔尺寸§55H6（+0.022）mm,衬套孑L径050.04—50.055mm,

活塞销直径49.994-50.00mm,协作间隙0.04-0.06mm,磨损极限0.10mm。

曲轴的主要功用：将活塞的往复直线运动，通过连杆的作用，转变为曲轴自身的旋转运

动，就是将膨胀功转化为扭矩。

曲轴依据机型及用途可分为:

总成件号曲轴件号用途

6150002007161500020012300马力以下车用机

615T102007161500020012主要用于I85（）i7min推土机

用于1800r/min

6I5T1O2OO71A61500020012

1900r/min

推土机

61560020029615600200243co马力以上车用机

300马力以下客车、部分船机

300马力以上客车、部分船机

6I842C

6180002002261800020021618C-15

C0002

大部分618发动机

在安装曲轴时应特殊留意止推片的安装方向，止推片带有凹槽的一面朝向旋转面；

主轴瓦的径向安装间隙应在0.095—0.171mm范围内，磨损极限为0.18mm：轴向间隙

应在0.052—0.255mm,造损极限为0.35mm,主轴径标注尺寸99.970—100.00mm,主轴瓦

内径标准尺寸100.095—100.141mm；曲轴底孔尺寸$I08H6(+0.022),连杆轴径标准尺

寸81.970—82.00mm,连杆大头孔尺寸©88H6(+0.022),轴瓦直径标准尺寸82.028—82.050

mm,连杆瓦径向安装间隙应在0.28—0.080mm,磨损极限0.10mm；曲轴在修磨后必需再

次氮化处理。

飞轮的主要功用：

飞轮具有较大的转动惯量，使曲轴的转速保持匀称。

飞轮的分类是依据用途不同区分的，相应的飞轮壳也随之变动。

第五节配气机构与进、排气系统

配气机构是实现柴油机进、排气过程的掌握机构，它的作用是按柴油机的工作次序，

定时地打开或关闭气缸的进气门和排气门。

配气机构由进气门、排气门和它们的开启与闭合的掌握件与传动件——凸轮轴与正时

齿轮、气门挺杆等以及进气管、排气管和空气滤清器、*等所组成,°其作用是按工作循环的

需要定时地向气缸供应充分的洁净新奇空气(柴油机)，弃将燃烧后的废气排出气缸。

1、气门组件包括气门、气门导管、气门弹簧和弹簧座及锁紧装置等部件;

Hlmm；进气门锥角110。,排气门锥角90。；进气门阀杆标准尺寸10.77—10.95mm,

与导管协作间隙0.05-0.086mm,磨损极限0.12mm：排气门阀杆标准尺寸10.79—10.97mm,

与导管协作间隙0.03—0.066mm,磨损极限0.12mm。

2、气门驱动机构包括凸轮轴、挺柱、推杆和气门摇臂等。

165H7(+0.03),轴套外径，65(+0.087-0.107),进气凸轮高度50.48110.1mm,排气

凸轮高度49.492±0.1mm；在安装轴套时，油孔位置应在水平面以上18。处。

挺柱和推杆的作用是把凸轮轴的运动传到气门机构去，以掌握气门的开闭。挺柱

61500050032,挺柱底孔直径38.00-38.039mm,外径37.95-37.975mm；推杆8150005C070。

欧I柴油机614050058C气门推杆总成换装不带凹槽的气门推杆凹头，用以明显区分欧I、

欧H柴油机的气门推杆总成。

摇臂的作用是转变推杆的运动方向，驱动气门开闭。摇臂比一般在L2-I.6左右，摇

臂孔直径23.972-23.993mm,摇臂轴直径23.927-23.960mm,协作间隙0.012-0066mm,进

气摇臂614050048,排气摇臂614050049,摇臂座614050119。

进排气系统包括进气管、空气漉清器、排气管；排气管可分为干式和水套排气管两种。