現代柴油機原理與維修保養整理編輯：鄧海儼2010年目錄第一章：柴油機的基礎知識

第二章：柴油機使用與維修的基本要求第三章：柴油機電控高壓共軌噴油系統的結構與維修

第四章：柴油機起動異常故障分析與排除第五章：柴油機排煙異常故障分析與排除

第六章：柴油機運行異常故障分析與排除第七章：柴油機機械異常損壞故障分析與排除第八章：現代柴油機維修與保養的綜合實用知識

前言自19世紀末德國人魯道夫．狄塞爾制造出世界上第一臺柴油機開始，柴油機經過了100多年的發展，到今天已經取得了前所未有的長足進步。由最初簡單的自然進氣、機械噴油發展到今天的渦輪增壓、電控噴油。而電子控制技術在柴油機上的全面應用，使得柴油機行業更是如虎添翼。今天的柴油機正在越來越接近人們預期的低污染、環保、動力強勁的愿望，我們相信，隨著科學技術的不斷進步，柴油機行業也將取得更大的發展。

隨著柴油機技術的不斷發展和電子技術的廣泛應用，給柴油機行業的服務從業人員提出了全新的要求。以前那些普通柴油機的使用、維修、保養、故障診斷與排除經驗，或多或少都受到了不同程度的挑戰，一切需要重新開始。本教材盡可能多地講述柴油機（特別是電控高壓共軌柴油機）的使用、維修、保養、故障分析、故障診斷與排除方面的知識和經驗總結，為廣大柴油機用戶和柴油機維修服務從業人員盡可能多的幫助，借以達到為柴油機維修服務從業人員拓寬思路的目的。柴油機簡史

針對蒸汽機效率低的弱點，狄塞爾專注于開發高效率的內燃機。當時尼古拉斯·奧托發明的點火式內燃機已較成熟，但那時奧托發動機的燃料是煤氣，儲存、攜帶均不方便，效率也受到影響。１９世紀末，石油產品在歐洲極罕見，于是狄塞爾決定選用植物油來解決機器的燃料問題（他用于實驗的是花生油）。因為植物油點火性能不佳，無法套用奧托內燃機的結構。狄塞爾決定另起爐灶，提高內燃機的壓縮比，利用壓縮產生的高溫高壓點燃油料。后來，這種壓燃式發動機循環便被稱為狄塞爾循環。

1892年，狄塞爾終于能夠向全世界展示自己的成果一臺實用的柴油動力壓燃式發動機。這種發動機功率大，油耗低，可使用劣質燃油，顯示出輝煌的發展前景。1922年，德國的博世公司發明機械燃油噴射裝置1924年，美國的康明斯公司正式采用了泵-噴油器，這一發明有效地了提升了柴油機的質量，同年在柏林汽車展覽上MAN公司展示了一臺裝備柴油機的卡車，這是第一臺裝有柴油機的汽車。不久以后，博世公司開始正式生產標準柱塞泵、噴油器，正是由于柱塞泵的普及，為柴油機安裝在汽車上提供了基礎。1936年，奔馳公司生產出了第一臺柴油機轎車260D。在上世紀60-70年代，康明斯公司研制成功完全不同于柱塞泵的PT噴油系統，從而大規模的提高了噴油壓力。70年代以后，博世公司把電控汽油機噴射技術引用回柴油機，從而讓柴油機的發展和使用進入了一個新紀元。第一章：柴油機的基礎知識第一節：柴油機的基本概念第二節：柴油機的基本術語第三節：柴油機的工作原理

第四節：柴油機的基本參數第五節：柴油機的結構

第六節：現代柴油機新技術

第一節：柴油機的基本概念

一、概述柴油機是用柴油作燃料的內燃機。柴油機屬于壓燃式內燃機，它又常以主要發明者德國人魯道夫．狄塞爾的名字而稱為狄塞爾引擎。柴油機在工作時，吸入柴油機氣缸內的空氣，因活塞的運動而受到較高程度的壓縮，達到500～700℃的高溫。然后將燃油以霧狀噴入高溫空氣中，與高溫空氣混合形成可燃混合氣，自動著火燃燒。燃燒中釋放的能量作用在活塞頂面上，推動活塞并通過連桿和曲軸轉換為旋轉的機械功。因此，柴油機實際上就是一部將燃料的化學能轉換為機械能并對外輸出動力的機器。它以柴油為燃料，所以稱為柴油機。直列往復式柴油機目前應用最普遍的柴油機是直列，往復式柴油機。往復活塞式柴油機的工作腔稱作氣缸，氣缸內表面為圓柱形。在氣缸內作往復運動的活塞通過活塞銷與連桿的一端鉸鏈，連桿的另一端則與曲軸相連，構成曲柄連桿機構。因此，當活塞在氣缸內作往復運動時，連桿便推動曲軸旋轉。這種形式柴油機的構造，一般由機體、曲軸、缸蓋、活塞、缸套、氣門、連桿、飛輪等組成。如圖-1中所示：圖1-1二、柴油機分類

柴油機種類繁多，其分類方式有：（1）按工作循環可分為四沖程和二沖程柴油機。（2）按冷卻方式可分為水冷和風冷柴油機。（3）按進氣方式可分為增壓和自然吸氣柴油機。（4）按轉速可分為：

①高速柴油機（大于1000r.p.m）；

②中速柴油機（350～1000r.p.m）；

③低速柴油機（小于350r.p.m）。（5）按燃燒室可分為直接噴射式、渦流室式和預燃室式柴油機。（6）按氣體壓力作用方式可分為單作用式、雙作用式和對置活塞式柴油機等。（7）按氣缸數目可分為單缸和多缸柴油機。（8）按用途可分為船用柴油機、機車柴油機、汽車柴油機、發電柴油機、農用柴油機、工程機械用柴油機等。（9）按氣缸布置方式可分為直列式柴油機、V型柴油機、水平對置柴油機、星型柴油機、王字型柴油機等。車用柴油機以直列和V型布置為多。（10）按燃料分為輕質燃料柴油機和重油柴油機等。按工作循環可分為四沖程和二沖程柴油機-二沖程二沖程柴油機曲軸旋轉一圈(360°)，活塞在氣缸內上下往復運動兩個行程，完成一個工作循環的柴油機稱為二沖程柴油機。(1).第一行程活塞：自下止點向上止點移動完成換氣和壓縮(2).第二行程活塞：自上止點向下止點移動完成作功和排氣圖1-2按工作循環可分為四沖程和二沖程柴油機-四沖程曲軸轉兩圈(720°)，活塞在氣缸內上下往復運動四個行程，完成一個工作循環的柴油機稱為四沖程柴油機。四沖程柴油機：柴油機曲軸旋轉720°完成進氣、壓縮、作功、排氣四個沖程的工作循環稱作四沖程柴油機。四沖程柴油機一個沖程曲軸的轉角為：180°如圖1-3圖1-3按冷卻方式可分為水冷和風冷柴油機-水冷

水冷柴油機是利用在氣缸體和氣缸蓋冷卻水套中進行循環的冷卻液作為冷卻介質進行冷卻圖1-4按冷卻方式可分為水冷和風冷柴油機-風冷風冷柴油機是利用流動于氣缸體與氣缸蓋外表面散熱片之間的空氣作為冷卻介質進行冷卻圖1-5按進氣方式可分為增壓和非增壓（自然吸氣）柴油機增壓柴油機自然吸氣柴油機圖1-6圖1-7按氣缸數目可分為單缸和多缸柴油機柴油機根據氣缸數目不同可以分為單缸柴油機和多缸柴油機。僅有一個氣缸的柴油機稱為單缸柴油機；有兩個以上氣缸的柴油機稱為多缸柴油機。如雙缸、三缸、四缸、五缸、六缸、八缸、十二缸等都是多缸柴油機。現代車用柴油機多采用四缸、六缸、八缸柴油機。圖1-8按用途可分為車用、工程機械用、船用、發電機組等

車用柴油機船用柴油機工程機械用柴油機發電機組圖1-9柴油機根據氣缸排列方式不同可以分為單列式和雙列式。單列式柴油機的各個氣缸排成一列，一般是垂直布置的，也稱為直列式。但為了降低高度，有時也把氣缸布置成傾斜的甚至水平的。雙列式柴油機把氣缸排成兩列，兩列之間的夾角<180°(一般為90°)稱為V型柴油機，若兩列之間的夾角=180°稱為對置式柴油機。目前最常見的是直列式柴油機。圖1-10第二節：柴油機的基本術語

1、工作循環

柴油機的工作循環是由進氣、壓縮、作功和排氣等四個工作過程組成的封閉過程。周而復始地進行這些過程，柴油機才能持續地做功。2、上、下止點

活塞頂面離曲軸回轉中心最遠處為上止點；活塞頂面離曲軸回轉中心最近處為下止點。在上、下止點處，活塞的運動速度為零。圖1-113、活塞行程上、下止點間的距離S稱為活塞行程。曲軸的回轉半徑R稱為曲軸半徑。對于氣缸中心線通過曲軸回轉中心的內燃機，其S=2R。圖1-124、氣缸工作容積上、下止點間所包容的氣缸容積稱為氣缸工作容積。一般用Vh表示：式中：D－氣缸直徑S－活塞行程單位：mm圖1-135、排量多缸柴油機所有氣缸工作容積的總和稱為柴油機排量。多缸柴油機各氣缸工作容積的總和，稱為柴油機排量。一般用VL表示：VL＝Vh×i，式中：Vh－氣缸工作容積；i－氣缸數目。圖1-146、燃燒室容積

活塞位于上止點時，活塞頂面以上氣缸蓋底面以下所形成的空間稱為燃燒室，其容積稱為燃燒室容積，也叫壓縮容積。一般用Vc表示

圖1-157、氣缸總容積

氣缸工作容積與燃燒室容積之和為氣缸總容積一般用Va表示，顯而易見，氣缸總容積就是氣缸工作容積和燃燒室容積之和，即Va＝Vc＋Vh。圖1-168、壓縮比氣缸總容積與燃燒室容積之比稱為壓縮比。壓縮比的大小表示活塞由下止點運動到上止點時，氣缸內的氣體被壓縮的程度。壓縮比越大，壓縮終了時氣缸內的氣體壓力和溫度就越高。一般用ε表示：ε＝Va／Vc＝（Vh＋Vc）／Vc＝1＋Vh／Vc；式中：Va

－氣缸總容積圖1-17名詞解釋第三節：柴油機的工作原理

根據柴油機做功循環的工作過程，柴油機有二沖程工作循環和四沖程工作循環兩種工作方式，也就是二沖程柴油機或四沖程柴油機。

1、四沖程柴油機工作原理四沖程柴油機是曲軸旋轉兩周（即轉720度）完成一個工作循環，它的工作過程可表述為：活塞下行時，氣缸內吸入新鮮空氣，以提供燃料燃燒時所需的氧氣。然后活塞上行，對空氣壓縮，使之壓力溫度升到柴油燃點以上，此時噴入氣缸的柴油立即著火燃燒產生熱能，高溫高壓氣體推動活塞下行而作功，并通過連桿曲軸轉換為機械能從飛輪輸出。最后活塞上行將燃燒后的廢氣排出氣缸。這樣周而復始重復進行上述過程就形成柴油機連續旋轉。因此，柴油機的實際工作過程是由進氣、壓縮、燃燒、膨脹、排氣五個過程組成的。如果聯系到活塞運動規律，可劃分為：進氣、壓縮、作功、排氣四個沖程。1）進氣沖程

第一沖程——進氣，它的任務是使氣缸內充滿新鮮空氣。當進氣沖程開始時，活塞位于上止點，氣缸內的燃燒室中還留有一些廢氣。

當曲軸旋轉肘，連桿使活塞由上止點向下止點移動，同時，利用與曲軸相聯的傳動機構使進氣門打開。

隨著活塞的向下運動，氣缸內活塞上面的容積逐漸增大：造成氣缸內的空氣壓力低于進氣管內的壓力，因此外面空氣就不斷地充入氣缸。完成第一沖程曲軸旋轉180°

圖1-182）壓縮沖程第二沖程——壓縮。壓縮時活塞從下止點向上止點運動，這個沖程的功用有二，一是提高空氣的溫度，為燃料自行發火作準備：二是為氣體膨脹作功創造條件。當活塞上行，進、排氣門關閉以后，氣缸內的空氣受到壓縮，隨著容積的不斷縮小，空氣的壓力和溫度也就不斷升高，壓縮終點的壓力和濕度與空氣的壓縮程度有關，即與壓縮比有關，一般壓縮終點的壓力和溫度為：Pc＝4～8MPa,Tc＝470～670℃。

柴油的自燃溫度約為270—290℃

，壓縮終點的溫度要比柴油自燃的溫度高很多，足以保證噴入氣缸的燃油自行發火燃燒。完成第二沖程曲軸旋轉180°

圖1-193）作功沖程第三沖程——燃燒膨脹。當第二沖程即將結束時噴油器向氣缸內噴入霧化的燃油，在這個沖程開始時，大部分噴入燃燒室內的燃料都燃燒了。燃燒時放出大量的熱量，因此氣體的壓力和溫度便急劇升高，活塞在高溫高壓氣體作用下向下運動，并通過連稈使曲軸轉動，對外作功。所以這一沖程又叫作功或工作沖程。隨著活塞的下行，氣缸的容積增大，氣體的壓力下降，工作沖程在活塞行至下止點，排氣閥打開時結束。完成第三沖程曲軸旋轉180°

圖1-204）排氣沖程第四沖程——排氣。排氣沖程的功用是把膨脹后的廢氣排出去，以便充填新鮮空氣，為下一個循環的進氣作準備。當工作沖程活塞運動到下止點附近時，排氣閥開起，活塞在曲軸和連桿的帶動下，由下止點向上止點運動，并把廢氣排出氣缸外。由于排氣系統存在著阻力，所以在排氣沖程開始時，氣缸內的氣體壓力加比大氣壓力高0.025—0.035MPa，其溫度Tb＝720～920℃

。完成第四沖程曲軸旋轉180°

圖1-21

柴油機依次完成上述四個沖程為一個工作循環從四沖程柴油機的工作過程可以看出，活塞處于每一沖程的不同位置時，氣缸內氣體的壓力、溫度均不相同。正是由于存在這種壓力、溫度的變化，柴油機才向外輸出功率。因此，我們把四沖程柴油機一個工作循環過程中氣缸內壓力與氣缸容積變化的對應關系圖稱作示功圖。2.示功圖圖1-22示功動畫柴油機的基本工作過程，可以用坐標曲線圖清楚的表示出來。右圖所示即為柴油機單個氣缸工作的示功圖。縱坐標（Ｐ線）表示氣缸內壓力的變化情況，橫坐標（Ｖ線）表示氣缸內容積的變化。圖中曲線封閉部分的面積（＋）表示該缸產生的有用功；圖中Po線以下的面積（－）表示該缸進排氣過程中消耗的有用功。兩者之和即是柴油機單個氣缸產生的指示功率。指示功率是柴油機燃油產生功率的最理想狀態，一般用字母Ni表示。指示功率在扣除機械損失后即為有效輸出功率。2、二沖程柴油機工作原理

在四沖程柴油機中，活塞走四個沖程才完成一個工作循環，其中兩個沖程（進氣和排氣），活塞的功用相當于一個空氣泵。在二沖程柴油機中，曲軸每轉一轉，即活塞每兩個沖程就完成一個工作循環，而進氣和排氣過程是利用壓縮及工作過程的一部分來完成的，所以二沖程柴油機的活塞沒有空氣泵的作用，為了排除燃燒后的廢氣，并把新鮮空氣充滿氣缸，必須在柴油機上安裝專用的掃氣泵（增壓器）。下圖是氣門式直流換氣的二沖程柴油機的工作原理圖。第一沖程活塞由下止點向上移動，活塞在遮住掃氣口之前，由掃氣泵供給儲存在掃氣箱內的空氣，通過掃氣口進入氣缸，氣缸中的殘存廢氣被進入氣缸的空氣通過排氣口ｆ掃出氣缸。活塞繼續上行，逐漸遮住掃氣口，當掃氣口完全關閉后，空氣停止充入，排氣還在進行，這階段稱為“過后排氣階段”。排氣口關閉時，氣缸中的空氣就開始被壓縮。當壓縮至上止點前時，噴油器將燃油噴入氣缸，與高溫高壓的空氣相混合，隨即在上止點附近發火，自行著火燃燒。二沖程柴油機示功圖圖1-23第二沖程活塞在高溫高壓燃氣的推動下，由上止點向下運動，對外膨脹作功，活塞下行直至排氣口f打開，膨脹作功結束，氣缸內大量廢氣靠自身壓力從排氣口排入到排氣管。當氣缸內的壓力降至接近掃氣壓力時（一般掃氣箱中的掃氣壓力為0.105-0.140MPa）下行活塞把掃氣口打開，掃氣空氣進入氣缸，同時把氣缸內的廢氣經排氣口f趕出氣缸。活塞運行到下止點，本沖程結束，但掃氣過程一直繼續到下一個沖程排氣口關閉為止。二沖程柴油機的構造主要特點①進氣孔2布置在氣缸下部，其高度約為活塞行程的10～20％左右。進氣孔的打開和關閉，由氣缸內運動的活塞來控制；②排氣門布置在氣缸蓋上，由凸輪軸驅動，保證在曲軸轉一轉時，氣門打開一次；③掃氣泵3，由柴油機通過傳動齒輪傳動，它將吸人的空氣壓縮至Pk=0.123～0.13MPa，送入氣缸周圍的貯氣室1中，用于清除氣缸內的廢氣和充填新鮮空氣。二沖程柴油機的示功圖

其中a-k線為掃氣過程，k點為掃氣終點，它取決于進氣孔和排氣門關閉時刻。有的機型是排氣門和進氣孔同時關閉。有的排氣門提前關閉。k-c線為壓縮過程，其中c′點為開始向氣缸噴油的時刻。在第二沖程中，c-m線為膨脹過程，其中c-z線為燃料劇烈燃燒壓力急劇上升階段，z點為最高燃燒壓力點，m點為排氣門開始打開的時刻。這時燃燒產物便從氣缸經排氣門、排氣管排入大氣，壓力迅速下降，如m-n線所示，當氣缸內的壓力大約等于儲氣室的壓力時，進氣孔才被打開（n點），這時新鮮空氣應入氣缸進行掃氣過程，如n-a線所示。圖1-24二沖程柴油機的工作容積、壓縮比從二沖程柴油機的工作原理可知，在掃氣過程中，活塞不做有效功，相對這部分活塞行程容積Vn稱為損失容積，而活塞的實際工作容積為：而實際壓縮比為：幾何壓縮比與四沖程柴油機一樣為：

掃氣過程容積損失的多少通常用損失容積Vn對幾何工作容積Vh的比值表示：在二沖程柴油機中，ψ=10～38%結論現代四沖程和二沖程柴油機都成功的使用在各個領域，他們都有各自的特點，一般船用大型低速柴油機均采用二沖程柴油機，而中、高速柴濁機采用四沖程柴油機的居多。在相同的氣缸尺寸和轉速下，二沖程柴油機的功率理應比四沖程柴油機增加一倍，但實際上，由于掃氣容積的損失，充氣時間較短，廢氣清除困難以及驅動掃氣須要消耗一部分功率等原因，使二沖程柴油機的功率只增加60～70％左右。二沖程柴油機的另一優點是扭矩的均勻性比四沖程柴油機好，因為它曲軸旋轉一圈完成一個工作循環。掃氣過程時間短是二沖程柴油機的一大缺點，此外，二沖程柴油機的活塞、氣缸蓋、氣缸，氣門的溫度都比四沖程柴油機高了許多。渦輪增壓柴油機的工作原理

在介紹渦輪增壓柴油機工作原理之前，先回顧一下柴油機的基本工作原理及其與空氣增壓系統的關系。柴油機是一種耗氣機械，因為燃油需要與空氣混合才能完成燃燒沖程。一旦空燃比達到某一值后，再增加燃油，除了將黑煙和未燃盡的燃油排到大氣中外，不會產生更多功率。柴油機供油越多，黑煙就越濃。因此，超過空燃比極限后，增加供油量只會造成燃油消耗量過多、大氣污染、廢氣溫度升高，并使柴油機壽命縮短。由此可見，增加進入氣缸的空氣量對柴油機來說是非常重要的。渦輪增壓柴油機的工作原理圖1-25廢氣渦輪增壓系統分類廢氣渦輪增壓系統一般分為定壓增壓系統和脈沖增壓系統兩類

定壓增壓系統

內燃機所有氣缸的排氣都通入一根粗大的排氣總管，然后再流入渦輪機。排氣總管實際上起穩壓作用,以使總管內的氣體壓力基本恒定。這樣,渦輪在穩定氣流下工作，故渦輪機效率較高。但采用這種系統時內燃機加速性能和低負荷性能較差，所以定壓增壓系統只適用于高增壓、工況變化少的場合。

定壓增壓系統定壓增壓系統

圖1-26

脈沖增壓系統

這種系統的特點是在排氣管中造成盡可能大的壓力脈動。為此，排氣支管被做得細而且短，渦輪盡可能靠近內燃機氣缸。排氣互不干擾的幾個氣缸(通常是二缸或三缸)的排氣支管連在一根排氣管上，這樣，每根排氣管中就形成兩個或三個連續的排氣脈沖波。渦輪機的噴嘴環按排氣管數目分組隔開，它們互不干擾。采用脈沖增壓系統能充分利用排氣能量，改善變工況性能；但渦輪是在脈動氣流狀態下工作，故渦輪機效率較低。脈沖增壓系統脈沖增壓系統

圖1-27渦輪增壓器結構

渦輪增壓器主要由渦輪機、中間體和壓氣機三大部分組成。渦輪機的主要作用是利用柴油機排出的廢氣沖擊渦輪做功，以驅動壓氣機葉輪高速旋轉。壓氣機的作用是將渦輪旋轉的動能轉變為空氣的壓力能，使進入柴油機的空氣壓力有效提高，增大空氣進入量。中間體既是增壓器的支承機構，又是增壓器的潤滑冷卻裝置。工作時，增壓器轉子軸一端的渦輪葉輪在氣缸排出的廢氣驅動下，帶動另一端的壓氣機葉輪高速旋轉（30000～160000r/min）同時，渦輪帶動離心式壓氣機提高進氣壓力，并通過中冷器冷卻，增大空氣的密度后進入氣缸，使每個工作循環進入氣缸的新鮮空氣量增加，從而噴入更多的燃油。高壓空氣流經進氣管進入氣缸與噴入氣缸的更多柴油混合燃燒，顯著改善了柴油機的燃燒過程，可提高柴油機功率30％～50％，降低油耗8％左右。渦輪增壓器結構圖1-281．渦輪增壓系統概述

渦輪增壓有許多好處。非增壓柴油機通過曲軸的運動直接從大氣中吸進空氣，而渦輪增壓器向柴油機提供壓縮空氣。由于進入氣缸的空氣增多，所以允許噴入較多的燃油，使柴油機產生較多的功率并具有較高的燃燒效率。這意味著一臺尺寸和重量相同的柴油機經增壓后可以產生較多的功率，或者說，一臺小排量柴油機經增壓后可產生與較大柴油機相同的功率。其它還有節約燃油和降低排放等優點。由于渦輪增壓器為柴油機提供了更多的空氣，燃油在柴油機氣缸里燃燒時會燃燒得更充分、更徹底。柴油機進氣管的空氣保持正壓力（大于大氣壓的壓力）對柴油機機有多方面的好處。當柴油機進排氣門重疊開啟時，新鮮空氣吹入燃燒室，清除所有殘留在燃燒室里的廢氣，同時冷卻氣缸頭、活塞和氣門。渦輪增壓器可使非增壓柴油機在高原上工作時得到氧氣補償（使其達到標準大氣條件）。柴油機和渦輪增壓器相匹配，使進氣管壓力保持海平面大氣壓。而一臺自然吸氣的柴油機，隨著海拔高度的增加，其功率將下降。裝有增壓器的柴油機稱為增壓柴油機，而直接從大氣中吸入空氣的柴油機稱為非增壓柴油機。由于增壓柴油機具有動力性能、經濟性能及排氣污染等都優于非增壓柴油機，因此，增壓柴油機正獲得越來越廣泛的應用。增壓柴油機的示功圖

增壓器將空氣壓縮到增壓壓力Pk（一般Pk＝0.13～0.25MPa）后，壓入進氣管內并在進氣沖程中充入氣缸。由于壓縮后空氣密度增大，所以充入氣缸的空氣量就增多。右圖為渦輪增壓柴油機的示功圖，從示功圖上可以看出，增壓時進氣壓力線r-a高于排氣壓力線b-r，而非增壓柴油機相反。由于增壓柴油機在燃燒膨脹沖程中的壓力和溫度都較高（Pz＝9～16MPa，Tz＝2300～2600K），因此燃燒氣體每個循環所作的功較多，柴油機的整體輸出功率就大。圖1-292．增壓比

表示柴油機增壓狀況的一個參數叫增壓比。增壓比是增壓柴油機的主要性能指標之一，以字母лk表示。其含義是增壓器壓氣機出口處的壓力Pk與壓氣機進口處的壓力Po之比值。即：лk

＝Pk／Po

按照增壓比的大小，增壓系統又可分為低增壓系統、中增壓系統和高增壓系統。低增壓系統：лk＜1.4；中增壓系統：лk＝1.4－2.0；高增壓系統：лk＞2.0。當增壓比лk達到2.6以上時，一般都要采用二級增壓系統。3．渦輪增壓柴油機的特點

柴油機增壓后，隨著增壓度及增壓壓力的提高，其機械負荷與熱負荷很大，這就限制了柴油機功率的提高。

改善增壓柴油機技術措施

增壓壓力提高，進氣壓力及溫度也提高，使最高爆發壓力和工作循環的平均溫度都增加，因此引起各部件機械應力大，軸承負荷增加，氣缸、活塞、軸承等磨損加劇。同時使活塞、缸蓋、缸套和氣門等受熱零部件熱負荷增大，容易破壞，因此，柴油機增壓通常要采用下列技術措施（1）減小壓縮比和增大過量空氣系數

為了降低爆發壓力以減少負荷，并保證原來的壓力升高比λp值，增壓柴油機的壓縮比往往降到11～12。但減小過多會是柴油機起動困難和燃料消耗量增加。增大過量空氣系數，可以減低熱負荷，改善經濟性。一般增大10%～30%左右為宜。（2）增加每循環供油量

增壓柴油機要求增加每循環的供油量。如果仍采用非增壓柴油機的噴油泵，勢必增加供油持續角，使燃燒過程拉大，經濟性變壞。縮短供油持續時間的方法有：增大柱塞直徑、增加供油速率、提高供油壓力以及加大噴油嘴孔徑等。從限制最高爆發壓力的角度，也可以適當地減小噴油提前角，但不宜減小過多，以免影響柴油機的經濟性。（3）改變配氣相位

為了加強氣缸的掃氣作用，減少燃燒室的殘氣，提高充量系數以及降低熱負荷和改善渦輪的工作條件，因此，增壓柴油機一般都采用較大的氣門重疊角。但重疊角過大會使掃氣空氣量增加，壓氣機工作負擔加重；引起柴油機在低速負荷時廢氣倒流氣缸和進氣管，使進氣管發熱，對整機的加速及變工況性能不利；同時，當重疊角過大時，為了避免氣門與活塞相碰，要在活塞頂上挖過深的凹坑，使燃燒惡化在脈沖增壓系統中，氣門重疊角一般在110°～130°曲軸轉角。（4）改變排氣系統

在脈沖增壓系統中，為了充分利用脈沖能量，使掃氣期間各缸排氣互不干擾，排氣管必須分開。分支的原則是一根排氣管所連各缸排氣必須不相重疊（或重疊很小）。例如，一般四沖程柴油機排氣沖程波延續時間約為240°曲軸轉角，這時一根排氣管所連接的氣缸數目不宜超過三個，而且應使相鄰著火的各缸排氣相互隔開，如著火次序為1-5-3-6-2-4的六缸機，就可采用1、2、3缸及4、5、6缸各連一根排氣管。

（5）增壓空氣的冷卻

將增壓器出口的增壓空氣加以冷卻，既能提高充氣密度，進而提高柴油機的功率；又可降低柴油機壓縮始點的溫度和整個循環的平均溫度，使柴油機的熱負荷及排氣溫度降低。試驗證明，增壓空氣溫度每降低10℃，柴油機的循環平均溫度可降低25℃～30℃，功率可提高2.5%～3%。冷卻增壓空氣的方法，一般是用水或空氣在中間冷卻器中進行間接冷卻。如果采用獨立水箱散熱系統，雖然可以提高中冷效果，但結構龐大而復雜，在汽車上布置困難。采用空氣冷卻方案比較可取，它使一種以增壓空氣作為動力源的強制流通形式，用一部分增壓空氣經取氣管驅動中冷系統中的空氣渦輪風扇，迫使外界冷卻空氣加速流動。當冷卻空氣通過散熱交換器后就將增壓空氣的熱量帶走，使增壓空氣得到冷卻，并通過進氣歧管進入柴油機。冷卻增壓空氣是降低熱負荷最合理的措施之一，但它只能在增壓壓力較高時（200kPa）。在低增壓時，設置中間冷卻器是不必要的。4．增壓柴油機的性能

1）升功率提高、燃料消耗降低柴油機增壓能夠有效提高其升功率和降低燃料消耗，并擴大了柴油機的轉速范圍。這對于經常處于不同負荷、不同轉速下變工況工作的柴油機而言，是極為有利的，可以獲得良好的動力性的經濟性。下圖所示出增壓與非增壓柴油機的外特性比較，圖中實線為增壓，虛線為非增壓。實線——渦輪增壓柴油機虛線——非增壓柴油機b-油耗曲線(g/kw.h)

Ttq-扭矩曲線(N.m)

Pe-功率曲線(kw)增壓柴油機的性能圖1-30（2）改善了低速扭矩特性對汽車而言，柴油機的低速扭矩特性直接影響汽車的動力性，因此，要求車用內燃機要有高的扭矩儲備。從內燃機速度特性曲線可知，柴油機比汽油機的扭矩儲備系數小，扭矩曲線平坦，須經校正才能滿足汽車使用要求。一般渦輪增壓柴油機在低速時由于增壓壓力不足，致使循環供油量不足，以及高速時壓氣機供氣量過多而造成低速扭矩性能差，這對載重汽車的動力性能是不利的。為克服這一不足，近代增壓柴油機上常采用如下措施：1）選用脈沖增壓，使低速時脈沖能量充分利用；2）使增壓器與柴油機在較低速度下達到最佳配合；3）高速時采用放氣調節裝置（上圖1）等，來改善低速扭矩特性，使其獲得較高的扭矩儲備。圖2為采用放氣調節裝置的四缸增壓柴油機的外特性曲線。由圖可見，大大的改善了低速時扭矩特性。不過增壓后最大的扭矩所在的轉速比非增壓機型有所增加，這對改善載重車牽引性能不利。改善了低速扭矩特性圖1-31圖1-32（3）加速性與起動性變差渦輪增壓柴油機由于增壓器本身慣性和低速時（小于200r.p.m）輸出功率較低。在加速過程中增壓壓力上升緩慢，使柴油機轉速及平均有效壓力增長過程時間拖長，因此增壓柴油機的加速性比非增壓的差。為了改善加速性，可采用脈沖增壓傳統，減少進排氣管的容積；采用放氣調節或可變噴嘴；減少（壓氣機）轉子的轉動慣性；采用較小的氣門重疊角等措施，效果較為明顯。柴油機起動時因無高溫排氣，渦輪無法工作，壓氣機也不能供氣。而且增壓柴油機的壓縮比較小，使起動壓縮終了的溫度降低，造成柴油機著火的起動困難。（4）減低了排氣污染及噪聲低污染、低噪聲是對汽車柴油機提出的另一個要求。由于增壓柴油機是在較充裕的過量空氣下工作，混合氣較稀，燃燒完全，使高負荷冒煙、排出CO及HC等有害物質顯著減少。增壓柴油機的有害氣體排放量一般為非增壓的1/3-1/2。如果措施得（例如采用高噴射率并延遲噴射），NO排放量也明顯降低，尤其在采用增壓及中冷以后，對減少有害排放更為有利。柴油機噪聲主要來源是燃燒噪聲和機械噪聲，此外還有進、排氣、冷卻風扇等發出的噪聲。增壓柴油機由于增壓比減小和噴油提前角減小，燃燒壓力升高率降低，使燃燒噪聲減小。另外由于壓氣機和渦輪機的阻力作用，也使進、排氣噪聲減小。所以柴油機增壓后，整機總的噪聲有明顯下降，一般增壓比非增壓柴油機噪聲可降低3～5dB(A)。（5）伴隨著柴油機增壓出現的新問題①機械負荷增加。因為進氣壓力的提高，使壓縮壓力和最高燃燒壓力相應增大，導致零件的機械負荷增加，磨損加大，引起損杯。②熱負荷增加。增壓后工作循環溫度大大提高，使零件工作溫度升高，熱負荷增加，材料的機械強度降低。③在高的機械負荷、熱負荷共同作用下，情況就更為嚴重，因此柴油機增壓后零件結構必須強化。（6）增壓柴油機的結構特點柴油機增壓后，其性能顯著變化，機械負荷及熱負荷大為提高，要求柴油機結構也要相應地改變：1）適當地減少壓縮比。防止燃燒壓力過大，以保證柴油機工作可靠，延長使用期。但過低的壓縮比將造成起動困難。2）供油系統的變化。增壓后由于進氣量的增加，可燃燒更多的燃料，要求供油量增加，同時要求增大噴油壓力，加大噴油器噴孔的直徑。此外，增壓后壓縮壓力和溫度的增加，將使燃料著火落后期縮短，為防止最大燃燒壓力過高，應減少供油提前角，但如供油提前角過小，會使燃燒惡化。3）進、排氣系統的變化。增壓后柴油機氣缸進氣量增加，為減小進氣阻力，應適當加大進氣流通截面積；為了改善掃氣效果，增加充氣量，以降低熱負荷，應增加氣門重疊角；有的增壓系統還要求將排氣管分支，以充分利用廢氣能量并改善掃氣效果。此外，由于氣門機構零件的工作溫度升高，變形加大，須相應加大氣門間隙，以保證配氣機構正常工作。4）此外，增壓柴油機的潤滑系統、冷卻系統以及主要運動機件的結構強度都應適當的加強。否則，將嚴重影響柴油機零部件的工作可靠性。多缸柴油機的工作順序概述四沖程柴油機每個工作循環中，只有燃燒膨脹沖程才做功，而進氣、壓縮和排氣三個輔助沖程不但不做功，而且還消耗一部分功，用來壓縮氣體和克服進、排氣時的阻力。因此，在柴油機運行時，由于各沖程中有的獲得能量而有的消耗能量，造成轉速不均勻，有時加速有時減速。柴油機運轉不均勻性，既達不到勻速運轉的要求，又使各運動零件在工作過程中到沖擊，引起零件的嚴重磨損，有時會造成損壞。因此，提高運轉的均勻性是柴油機結構上的一個重要問題。提高柴油機運轉均勻性，通常采用兩種方法：①在曲軸上安裝飛輪；②采用多缸結構型式。多缸柴油機的工作順序

飛輪是一個具有較大轉動慣量的圓盤，安裝在柴油機的曲軸后端。當柴油機在燃燒膨脹沖程中氣體壓力通過活塞連桿推動曲軸時，也帶動飛輪一起轉動。此時飛輪將獲得的一部分能量“儲存”起來。當柴油機運轉到其它三個輔助沖程時，飛輪便放出所“儲存”的能量，使曲軸仍然保持原有的轉速，從而大大提高柴油機運轉的均勻性。因此，單缸柴油機上必須安裝一個尺寸與質量相當大的飛輪，以保證它的正常運轉。

由于生產發展的需要，對柴油機功率的增加提出了新的要求，于是就出現了多缸柴油機。多缸柴油機具有兩個和兩個以上的氣缸，各缸的活塞連桿機構都連接在同一根曲軸上。一般常用的多缸柴油機有直列2、4、6缸和V型6、8、12缸等機型，大型船用柴油機還有16缸或更多缸的機型。在多缸柴油機中，對每個氣缸來講，它是按照前述的單缸柴油機的工作過程進行工作的。但在同一時刻每缸所進行的工作過程卻不相同。它們是根據氣缸數目和曲柄排列方式的不同、按照一定的工作順序而工作的。為了保證柴油機運轉均勻性和平衡性的要求，對四沖程柴油機，曲軸轉動兩轉（即720o）內，每個氣缸都必須完成一個循環。因此，各缸應相隔一定的轉角而均勻的著火。若多缸柴油機有i個氣缸，則著火間隔角應為：θ=720/i多缸柴油機的工作順序1．四缸柴油機的工作順序著火間隔：θ=720/i可知：四缸機的著火間隔角為180°。各缸的著火順序可為：1-3-4-2，即表示第一缸著火以后，依次為第3、4、2缸的順序相繼著火。

圖1-33四缸柴油機的工作順序上圖為四缸柴油機示意圖和著火順序，四缸柴油機的曲軸由四個曲拐構成，各曲拐平面之間的相互夾角為180°；若第1、4缸內的活塞運行到上止點位置時，第一缸進行做功沖程，則第四缸進行吸氣沖程，而第三缸和第二缸分別開始進行壓縮沖程和排氣沖程。在曲軸轉過180°后，則第二缸和第三缸的活塞處于上止點位置，第三缸開始進入做功沖程，第二缸為進氣沖程。此時一、四缸分別力排氣和壓縮沖程。如此循環，使四個氣缸每隔180°曲軸轉角，交替進入做功沖程推動活塞運動。4DF型和4DL型柴油機即按此著火順序工作。根據四缸機曲拐排列的特點，也可按1-2-4-3的著火順序工作。曲軸轉角（o）第一缸第二缸第三缸第四缸0～180做功

排氣壓縮進氣180～360排氣進氣做功壓縮360～540進氣壓縮排氣做功540～720壓縮做功進氣排氣四缸柴油機的工作順序（1-3-4-2）表1-1曲軸轉角（o）第一缸第二缸第三缸第四缸0～180做功

壓縮排氣進氣180～360排氣做功進氣壓縮360～540進氣排氣壓縮做功540～720壓縮進氣做功排氣四缸柴油機的工作順序（1-2-4-3）表1-22．六缸柴油機的著火順序

根據公式對于六缸柴油機的著火間隔角應為120°曲軸轉角（見下圖），各曲拐平面之間的相互夾角也為120°，各缸著火順序一般力1-5-3-6-2-4（如6DL型柴油機等）。這種工作次序既能保證柴油機有較好的運轉均勻性和平衡性，又不使相鄰的氣缸連續著火，對曲軸主軸承的工作有利。由表可見六缸柴油機的運轉均勻性比四缸柴油機更好。不僅如此，直列六缸柴油機由于其曲軸布置的特點，曲柄連桿機構的運轉平穩性最好，震動小。因此，六缸直列柴油機的結構布置是最為常見的柴油機結構布置方式之一。六缸柴油機的著火順序

圖1-34曲軸轉角（o）第一缸第二缸第三缸第四缸第五缸第六缸0-1800-60做功排氣進氣做功壓縮進氣壓縮排氣60-120做功120-180進氣180-360180-240排氣壓縮240-300做功進氣300-360壓縮排氣360-540360-420進氣做功420-480排氣壓縮480-540做功進氣540-720540-600壓縮排氣600-660進氣做功660-720排氣壓縮六缸柴油機的著火順序（1-5-3-6-2-4

）

表1-3六缸柴油機的著火順序3．V型六缸柴油機著火順序四沖程V型六缸柴油機（V型夾角為120°時）的著火間隔角仍為120°，3個曲拐互成120°夾角（六缸柴油機最常見的曲拐布置方式，見下圖所示）。工作順序是R1-L3-R3-L2-R2-L1。面對柴油機的冷卻風扇，右列氣缸用R表示，由前向后氣缸號分別為R1、R2、R3；左列氣缸用L表示，氣缸號分別為L1、L2和L3，工作循環見表。如果V型夾角的布置不是120°，而是90°或60°或者曲拐的布置也不是互成120°時，其著火間隔角度就不會是均勻的120°，因此，柴油機的著火間隔角度將與曲拐的布置和V型角度有關。V型六缸柴油機著火順序圖1-35曲軸轉角（o）R1缸R2缸R3缸L1缸L2缸L3缸0-1800-60做功排氣進氣做功進氣壓縮壓縮排氣60-120120-180進氣做功

180-360180-240排氣壓縮240-300做功進氣300-360壓縮排氣360-540360-420進氣做功420-480排氣壓縮480-540做功進氣540-720540-600壓縮排氣600-660進氣做功660-720排氣壓縮V型六缸柴油機著火順序（R1-L3-R3-L2-R2-L1）表1-4柴油機可燃混合氣的形成和燃燒都是直接在燃燒室內進行的。當活塞接近壓縮上止點時，柴油噴入氣缸，與高壓高溫的空氣接觸、混合，經過一系列的物理、化學變化才開始燃燒。之后便是邊噴射，邊燃燒。其混合氣的形成和燃燒是一個非常復雜的物理化學變化過程，其主要特點是：①燃料的混合和燃燒是在氣缸內進行的。

②混合與燃燒的時間很短0.0017～0.004秒（氣缸內）。

③柴油粘度大，不易揮發，必須以霧狀噴入。

④可燃混合氣的形成和燃燒過程是同時且連續而重疊地進行的，即邊噴射，邊混合，邊燃燒。

柴油機的燃燒過程柴油機的燃燒過程一般分為備燃期、速燃期、緩燃期和后燃期四個階段。見圖1-36圖1-36（1）備燃期：從噴油開始→開始著火燃燒為止噴入氣缸中的霧狀柴油并不能馬上著火燃燒，氣缸中的氣體溫度，雖然已高于柴油的自燃點，但柴油的溫度不能馬上升高到自燃點，要經過一段物理和化學的準備過程。也就是說，柴油在高溫空氣的影響下，吸收熱量，溫度升高，逐層蒸發而形成油氣，向四周擴散并與空氣均勻混合（物理變化）隨著柴油溫度升高，少量的柴油分子首先分解，并與空氣中的氧分子進行化學反映，具備著火條件而著火，形成了火源中心，為燃燒作好了準備。這一時期很短，一般僅為0.0007～0.003秒。（2）速燃期：從燃燒開始→氣缸內出現Pmax時為止火源中心已經形成，已準備好了的混合氣迅速燃燒，在這一階段由于噴入的柴油幾乎同時著火燃燒，而且是在活塞接近上止點，氣缸工作容積很小的情況下進行燃燒的，因此，氣缸內的壓力P迅速增加，溫度升高很快。（3）緩燃期：從出現Pmax→出現Tmax為止這一階段噴油器繼續噴油，由于燃燒室內的溫度和壓力都高，柴油的物理和化學準備時間很短，幾乎是邊噴射邊燃燒。但因為氣缸中氧氣減少，廢氣增多，燃燒速度逐漸減慢，氣缸容積增大。所以氣缸內壓力略有下降，溫度達到最高值，通常噴油器已結束噴油。（4）后燃期：緩燃期以后的燃燒

這一時期，雖然不噴油，但仍有一少部分柴油沒有燃燒完，隨著活塞下行繼續燃燒。后燃期沒有明顯的界限，有時甚至延長到排氣沖程還在燃燒。后燃期放出的熱量不能充分利用來做功，很大一部分熱量將通過缸壁散至冷卻水中，或隨廢氣排出，使柴油機過熱，排氣溫度升高，造成柴油機動力性下降，經濟性下降。因此，要盡可能地縮短后燃期。柴油機的燃燒室

燃燒室的優劣對柴油機的性能有決定性的作用，因此是柴油機設計制造的關鍵。

燃燒室按組織燃燒過程的特點和結構不同分為開式、半開式、預燃室式和渦流室式四類。前兩類屬于直接噴射式燃燒室；后兩類屬于分隔式燃燒室。（一）直接噴射式燃燒室低速柴油機和部分中、高速柴油機主要用無渦流的開式燃燒室。燃燒室由氣缸蓋底面和活塞頂面形成，具有一定形狀的整體空間。多孔噴油器（6～10孔）能使燃油霧化良好，并均勻分布在燃燒室空間。因此，開式燃燒室中的燃燒屬于典型的空間式燃燒過程，要求燃燒室與油束形狀和分布相配合。它的優點是燃料消耗率低，起動容易；缺點是燃料霧化要求高，難于適應變轉速工作。直接噴射式燃燒室的典型結構是ω形燃燒室。1、ω形燃燒室圖1-37①結構特點由平的氣缸蓋底面和活塞頂內的ω形凹坑及氣缸壁組成，屬于直接噴射燃燒室和空間混合方式。②混合氣形成特點主要是依靠多孔噴霧（多為4孔），利用油束和燃燒室的吻合，在空間形成混合氣。噴孔直徑小，多在0.25～0.4mm內，噴孔軸線夾角為140°～160°內，噴油壓力較高，一般在20Mpa左右。結構緊湊，熱損失小，故熱效率高，經濟性好，容易起動。工作粗暴，燃燒噪音大。2、四角形燃燒室

1-螺旋進氣道；2-噴油器；3-四角形燃燒室；S-渦流四角形燃燒室屬于直接噴射式燃燒室和空間混合式。圖1-38特點

①結構特點

燃燒室底部仍是ω形，燃燒室上部逐漸過渡為四方形，噴射時四個噴孔對著燃燒室的四個角噴油。②可抑制渦流的增強，減少NOx生成量。（二）半開式燃燒室小型高速柴油機大多采用有渦流的半開式燃燒室。這種燃燒室又分為多種類型，主要有油膜式燃燒室和復合式燃燒室等。1、油膜式燃燒室1）油膜式燃燒室

油膜式燃燒室是1956年由德國的莫勒所發明。燃燒室位于活塞頂內，呈球形。燃料噴向燃燒室壁面，大部分燃油在強渦流作用下噴涂在燃燒室壁面上，形成很薄的油膜，小部分燃油霧化分布在燃燒室空間并首先著火，隨后即引燃從壁面上蒸發的燃料。這種燃燒室可使工作過程柔和，燃燒完全，聲輕無煙，并可使用輕質燃料；缺點是低溫時起動較困難。圖1-39①結構特點球形油膜燃燒室位于活塞頂部中央，形狀大于半個球，與噴油器相對的位置，開有缺口與球面相切，燃油從這里順氣流方向噴在室壁上形成油膜。它屬于直接噴射式燃燒室，油膜蒸發混合方式。

采用強渦流螺旋進氣道。

燃燒室底壁較薄，其背面有來自飛濺和從連桿小頭噴油孔噴出的潤滑油加以冷卻。

采用單孔噴嘴或雙孔噴嘴。

②混合氣形成特點燃油順氣流沿球面切線方向噴入時，約95%被噴涂均布在室壁上，形成一層薄的油膜，5％散布在燃燒室空間形成火源，點燃混合氣。

油膜逐層蒸發、逐層卷走、逐層燃燒，形成燃氣渦流。

噴油壓力較高，油耗率較低。能適應多種不同著火性能的燃料。

其進氣管上多安裝加熱裝置（如火焰加熱器等）。

2、復合式燃燒室

復合式燃燒室是1964年由中國的史紹熙等發明，燃燒室在活塞頂內呈深盆形，口部略有收縮，用特殊形狀的進氣道形成進氣渦流，采用單孔軸針式噴油器。噴油器軸線與燃燒室壁面基本平行，燃料噴向燃燒室的周邊空間。在渦流作用下，粗大的油粒散落在燃燒室壁面上形成油膜，細小的油粒在空間與空氣混合。當轉速較高時，燃燒室渦流速度高，壁面上的油膜燃料增多，具有油膜燃燒的特點；而在低轉速和起動時，渦流速度低，空間混合的燃料量增多，具有空間式燃燒的特點，能改善冷起動性能。圖1-40復合式燃燒室結構特點

復合式燃燒室把油膜蒸發混合燃燒與空間混合燃燒合理地結合起來，兼有兩者的優點，故又稱為復合式燃燒系統，其工作過程柔和，可燃用多種燃料，對噴油系統要求低，而且起動容易。缺點是低負荷排氣中未燃的碳氫化物含量較高。（三）分開式燃燒室

分開式燃燒室有預燃室式燃燒室和渦流室式燃燒室兩類1、預燃室式燃燒室

預燃室式燃燒室由預燃室和主燃燒室兩部分組成。預燃室在氣缸蓋內，占壓縮容積的25～40％，有一個或數個通孔與主燃燒室連通。燃料噴入預燃室中，著火后部分燃料燃燒，將未燃的混合物高速噴入主燃燒室，與空氣進一步混合燃燒。這種燃燒室適用于中小功率柴油機。圖1-41①結構特點

整個燃燒室分兩部分，預燃室位于氣缸蓋內為總燃燒室容積的25％～40％，活塞上方為主燃室。噴油嘴安裝在預燃室中心線附近，為便于冷起動，多裝有電熱塞。預燃室用耐熱鋼單獨制成，裝入氣缸蓋不和冷卻水直接接觸。大部分燃料是在主燃燒室中混合燃燒，是屬于空間混合方式。②混合氣形成特點

利用壓縮紊流先預燃。利用強烈的燃燒渦流，促使完全燃燒。對噴油的霧化質量要求不高，可采用不易堵塞的大直徑單孔噴嘴，噴油壓力較低（8MPa～12MPa），有適應大轉速范圍和不同著火性能燃料的能力。運轉平順，燃燒噪聲小，但經濟性較差。熱量損失較大，起動性能差，須加裝電熱塞。

2、渦流室式燃燒室

渦流室式燃燒室由渦流室和主燃燒室組成。渦流室位于氣缸蓋上，呈球形或倒鐘形，占總壓縮容積的50～80％，有切向通道與主燃燒室相通。在壓縮行程時，壓入渦流室的空氣產生強烈的渦流運動，促使噴入其中的燃料與空氣混合。著火后混合物流入主燃燒室，形成二次流動，進一步與主燃燒室內的空氣混合燃燒。

圖1-42渦流室式燃燒室渦流室式燃燒室和預燃室式燃燒室都用軸針式噴油器，噴油壓力較低，工作可靠；由于渦流室內渦流隨轉速增高而加強，柴油機高轉速時柴油和空氣仍能很好地混合。

渦流室式燃燒室柴油機的轉速可4000r.p.m以上，工作過程柔和，排氣中有害成分較少。但散熱損失和氣體流動損失大，而且后燃較嚴重，故燃料消耗率較高；冷車起動困難，往往需要加裝預熱塞。①結構特點

整個燃燒室也是分為兩部分球型渦流室在氣缸蓋內；活塞上方為主燃燒室。渦流室容積占總燃燒室容積的50％～80％，用一個和數個切向大面積通道相通。屬于空間混合方式。噴油器和電熱塞安裝在渦流室內。渦流室下半部分鑲有耐熱鋼制成的鑲塊，和其座孔有一定的隔熱間隙，并用螺釘定位。活塞頂部多制有導流槽或分流凹坑，使渦流室中的氣流噴出時形成二次渦流。②混合氣形成特點

利用強烈的定向渦流混合和燃燒。利用二次流動，促使燃氣更完全的燃燒。對噴油的霧化質量要求不高，可采用不易堵塞的單孔噴嘴，噴油壓力較低（10MPa～12MPa），噴油泵壽命較長，對不同著火性能燃料的適應性好。適用于高速柴油機，轉速可達5000r.p.m。工作較平順，排氣質量較好，但熱損失較大，經濟性較差，須用較高的壓縮比（17～22），并加裝電熱塞。

柴油機的配氣相位

1．配氣相位的定義

配氣相位是用曲軸轉角表示的進、排氣門的開啟時刻和開啟延續時間，通常用環形圖表示－配氣相位圖。圖1-43圖1-442．配氣相位理論分析

理論上講進、壓、功、排各占180°，也就是說進、排氣門都是在上、下止點開閉，延續時間都是曲軸轉角180°。但實際表明，簡單配氣相位對實際工作是很不適應的，它不能滿足柴油機對進、排氣門的要求，具體原因是：

①氣門的開、閉有個過程：開啟總是由小→大；關閉總是由大→小。

②氣體慣性的影響：隨著活塞的運動，同樣造成進氣不足、排氣不凈。

③柴油機速度的要求：實際柴油機曲軸轉速很高，活塞每一行程歷時都很短。例如：6DL柴油機，額定轉速為2300轉/分，一個沖程所用時間僅為60/（2300×2）=0.013秒左右

，這樣短的進氣或排氣過程，使柴油機進氣不足，排氣不凈。

可見，理論上的配氣相位不能滿足柴油機進氣充分排氣干凈的要求，那么，實際的配氣相位又是怎樣滿足這個要求的呢，具體分析如下。

為了便進氣充足，排氣干凈，除了從結構上進行改進外（如增大進、排氣管道），還可以從配氣相位上想點辦法，氣門能否早開晚閉，延長進、排氣時間。（1）氣門早開晚閉的可能從示功圖中可以看出，活塞到達進氣下止點時，由于進氣吸力的存在，氣缸內氣體壓力仍然低于大氣壓，在大氣壓的作用下仍能進氣；另外，此時進氣流還有較大的慣性。由此可見，進氣門晚關可以增加進氣量。

進氣門早開，可使進氣一開始就有一個較大的通道面積，可增加進氣量。

在做功行程快要結束時，排氣門打開，可以利用做功的余壓使廢氣高速沖出氣缸，排氣量約占50%。排氣門早開，勢必造成功率損失，但因氣壓低，損失并不大，而早開可以減少排氣所消耗的功，又有利于廢氣的排出，所以總功率仍是提高的。

圖1-45從柴油機示功圖上還可以看出，活塞到達上止點時，氣缸內廢氣壓力仍然高于外界大氣壓，加之排氣氣流的慣性，排氣門晚關可使廢氣排得更凈一些。

由此可見，氣門具有早開晚關的可能，那么氣門早開晚關對柴油機實際工作又有什么好處呢。

①進氣門早開：增大了進氣行程開始時氣門的開啟高度，減小進氣阻力，增加進氣量。

②進氣門晚關：延長了進氣時間，在大氣壓和氣體慣性力的作用下，增加進氣量。

③排氣門早開：借助氣缸內的高壓自行排氣，大大減小了排氣阻力，使排氣干凈。

④排氣門晚關：延長了排氣時間，在廢氣壓力和廢氣慣性力的作用下，使排氣干凈。

（2）氣門重疊：由于進氣門早開，排氣門晚關，勢必造成在同一時間內兩個氣門同時開啟。把兩個氣門同時開啟時間相當的曲軸轉角叫做氣門重疊角。在這段時間內，可燃混合氣和廢氣是否會亂串，回答是不會的，這是因為：

1）進、排氣流各自有自己的流動方向和流動慣性，而重疊時間又很短，不至于混亂，即吸入的可燃混合氣不會隨同廢氣排出，廢氣也不會經進氣門倒流入進氣管，而只能從排氣門排出；

2）進氣門附近有降壓作用，有利于進氣。

（3）進、排氣門的實際開閉時刻和延續時間：1）實際進氣時刻和延續時間：在排氣行程接近終了時，活塞到達上止點前，即曲軸轉到離上止點還差一個角度α，進氣門便開始開啟，進氣行程直到活塞越過下止點后β時，進氣門才關閉。整個進氣過程延續時間相當于曲軸轉角180°+α+β。

α－進氣提前角一般α=10°～30°

β－進氣延遲角一般β=40°～80°

所以進氣過程曲軸轉角為230°～290°2）實際排氣時刻和延續時間：同樣，做功行程接近終了時，活塞在下止點前排氣門便開始開啟，提前開啟的角度γ一般為40°～80°，活塞越過下止點后δ角排氣門關閉，δ一般為10°～30°，整個排氣過程相當曲軸轉角180°+γ+δ。

γ-排氣提前角一般γ=40°～80°

δ-進氣延遲角一般δ=10°～30°

所以排氣過程曲軸轉角為230°～290°

氣門重疊角α+δ=20°～60°

從上面的分析，可以看出實際配氣相位和理論配氣相位相差很大，實際配氣相位，氣門要早開晚關，主要是為了滿足進氣充足，排氣干凈的要求。但實際中，究竟氣門什么時候開、什么時候關最好，這主要根據各種車型，經過實驗的方法確定，由凸輪軸的形狀、位置及配氣機構來保證。第四節：柴油機的基本參數

柴油機常用的基本參數，主要有：轉速、功率、扭矩、油耗等。

柴油機在日常使用中的調整參數有：噴油提前角、氣門間隙、循環噴油量和噴油壓力等。1.柴油機輸的出轉速柴油機要實現連續不斷的工作循環，必須有一個在單位時間內做功次數的指標。一般使用每分鐘內曲軸旋轉的圈數來表示，稱為轉速。此數值越大，表示單位時間內柴油機做功的次數越多，柴油機的輸出功率就越大。轉速用字母n表示，其單位是：r/min。大型柴油機的轉速每分鐘僅數百轉。柴油機可以根據功率標定情況適時運轉。（1）額定轉速額定轉速或標定轉速：最大油門時，允許柴油機全負荷工作的最高轉速。（2）最高空轉轉速最高空轉轉速：最大油門時，柴油機不帶負荷時的最高轉速。一般高出額定轉速5～10%而中型柴油機的轉速一般在2500r/min以下。小型柴油機的轉速可達3000r/min以上。（3）怠速最低穩定轉速，即怠速：柴油機不帶負荷時可以穩定運轉的最低轉速。在此轉速以下，柴油機運轉不平穩且容易熄火。（4）工作轉速柴油機的工作轉速：同型號的柴油機用途不同，其工作轉速也不同車用一般為高速，工程機械用一般中高速，固定用途一般為中低速。如錫柴6DL車用柴油機，車用轉速一般為1500～2000r/min；工程機械用轉速一般為1800～2300r/min；發電機組用轉速為1500（50HZ）1800r/min（60HZ）。柴油機轉速越高，柴油機各零部件受到的力矩也越大，對零部件材質的要求也越高。因此，為了保證柴油機有一定的使用壽命，柴油機的轉速不能無限制的提高。2.柴油機的輸出功率

柴油機的輸出功率，是直接反映柴油機動力性能的指標，是柴油機的主要參數之一。我們通常所說的柴油機功率是指柴油機在額定工況（標定工況）下的試驗室功率，它表示柴油機最大可能的對外做功的能力，一般用字母Pe表示。功率的單位是：kw（千瓦）。

根據柴油機的特性、用途和使用特點而確定的柴油機的最大使用極限功率，叫做柴油機的標定功率。目前我國試行的國家標準中將標定功率分為下述四種，在給定標定功率的同時，必須給出其相應的轉速（1）15min功率：柴油機允許運轉15min的最大有效功率。適用于需要有短時良好的超負荷和加速性能的重型汽車、特種車輛、摩托車等（2）1h功率：柴油機允許連續運轉1h的最大有效功率。適用于需要一定功率貯備以克服突增負荷的工程機械、機車、船舶等。（3）12h功率：柴油機允許連續運轉12h的最大有效功率。適用于僅需要在12h內連續運轉并充分發柴油機功率的拖拉機、工程機械、排灌機械等。（4）持續功率：柴油機允許長時間運轉的最大有效功率。適用于需要長期持續運轉的工程機械、排灌機械、電站、船舶等。

根據使用特點，生產廠在柴油機銘牌一般標明上述四種功率中的1種功率。這些標定功率是在柴油機的不同調整狀態下得到的，實際使用時，每臺柴油機只能根據主要用途進行調整，即只有一種標定功率。3.柴油機的輸出扭矩

反應柴油機克服外界阻力變化的能力的指標之一是柴油機的輸出扭矩，一般用字母Te表示。單位是：N.m（牛頓.米），扭矩是柴油機的重要指標。在實際使用過程中，它直接表示柴油機的爬坡能力和工作是否有勁等直觀感覺。功率不變時，扭矩值隨柴油機轉速降低而升高。

扭矩（Te）的基本定義

扭矩（Te）的基本定義是：（垂直）作用力（F）乘以作用力到支點之間的距離（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）；對于柴油機而言，扭矩等于：Te＝K.（Pe/n）（N.m）；式中：K－系數（K＝9545.50）；Pe－有效功率（KW）；ｎ－轉速（r/min）。

柴油機最大扭矩值與額定工況時的扭矩值之比稱為柴油機的扭矩系數。即：Ke

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

扭矩表示柴油機克服外界阻力的能力。扭矩大，柴油機克服外界阻力的能力就大，爬坡能力就強。反之，就差。4.柴油機的燃油消耗

柴油機的燃油消耗率（be或ge）是一個反映柴油機經濟性能的重要指標，它反應的是單位時間內每千瓦功率所消耗的燃油量，是一個在試驗室里測量計算的相對指標。

1）燃油消耗率

在柴油機試驗臺上，通過測量柴油機的功率和單位時間內的燃油消耗量，可以計算出該柴油機的燃油消耗率。

（1）計算公式是：be＝（103×Gt）/Pe式中：be—燃油消耗率，單位是：g/kw.h（克/千瓦.時）Gt－柴油機每小時的耗油量，單位是：kg；Pe－功率：kw；

（2）100km耗油量（L/100km）在實際使用中，衡量柴油機是否省油的通用方法是看該車輛（或設備）的100km（或小時）耗油量。即車輛（或設備）行駛100km（或工作1h）所消耗的燃油量。百千米耗油量只能通過實際測量計算獲得。100km油耗（L/100km）＝車輛實際的燃油消耗量（L）/車輛行駛的距離（km）；實際耗油量與車輛的使用條件、載重噸位、駕駛習慣等均有關系。在同等的行駛條件下，100km油耗越低，說明該柴油機越省油。5.柴油機的使用調整參數

柴油機的供油提前角是柴油機燃燒規程中的一個重要參數。其基本含義是：在柴油機壓縮沖程即將結束前，也即在活塞即將達到壓縮沖程上止點前的某個角度（比如為5～30°曲軸轉角，具體視柴油機轉速和噴油方式而定，電控高壓共軌或單體泵柴油機噴油提前角相對較小，機械泵柴油機噴油提前角較大），來自噴油泵的高壓燃油經過噴油器噴入氣缸，使燃油與燃燒室內的空氣充分混合，在活塞達到上死點時，燃燒已經全面開始。這樣可以獲得最大的燃燒爆發力和良好燃燒效果，進而獲得良好的動力。

如果噴油提前角過大和過小，都將對燃燒效果產生不良的影響。噴油提前角過大，此時氣缸內的壓縮壓力和溫度都較低，不利于燃油與空氣的混合和燃燒，而且還將導致柴油機工作粗暴，排氣冒黑煙、功率不足等問題。但是，如果噴油提前角過小，也會導致柴油機后燃嚴重，柴油機整體溫度高、排氣管燒紅、排氣冒黑煙、功率不足等嚴重問題。

隨著柴油機電控技術的發展，噴油提前角的機械調整方法已被電子自動控制取代，因此，電控柴油機的噴油提前角已不可能人工現場調整，只能通過改變ECU參數獲取。

（1）噴油提前角（2）氣門間隙

氣門間隙是柴油機配氣正時的重要參數，它是柴油機運行過程中經常需要檢查調整的參數。氣門間隙不正確，可能導致柴油機動力不足、冒黑煙等故障。因此，必須定期對氣門間隙進行檢查和調整。不同的柴油機，由于設計理念和制造精度等的不同，其氣門間隙也是不一樣的。因此，在檢查調整氣門間隙時，一定要參照該機的具體數據進行調整，不能憑經驗辦事。否則，可能導致柴油機無法正常工作或氣門系統噪聲很大。

圖1-46（3）循環噴油量對于國產柴油機，噴油泵每循環的噴油量可以非常容易的獲得。而對于進口柴油機，其供油量往往不能獲得較為精確的數值。根據多年來的實踐經驗，可以通過計算的方法獲得柴油機每循環的參考供油量。柴油機在出廠前都要進行臺架試驗。生產廠家會提供某些如：額定功率、轉速、每千瓦小時的耗油量等特定參數曲線。用特定參數計算出噴油泵每100個循環的參考供油量。其參考計算方法如下：假定每100循環的供油量為Δh，則有：Δh

＝（100×ge×Pe）/［γ×60×ｉ×（n/2）]＝4.0404×ge×Pe）/（ｉ×ｎ）式中：Δh－每100循環的參考加油量（ml）；ｇe－柴油機燃油消耗率（g/kw.h）；γ－燃油比重；對于柴油，γ＝0.825g/cm3。ｉ－氣缸數；Pe－柴油機功率（kw）；ｎ－柴油機轉速（r/min）。由上述公式計算出來的循環供油量，是理論參考值。實際應用時，必須對該油量進行適當修正，修正系數為（δ＝）1.10～1.14。因此，實際供油量為：實際供油量＝δｘΔh（ml）。實際油量大于計算油量的原因是：因為柴油機在實際工作過程中，噴油泵柱塞泵出的燃油，由于噴油器存在有泄漏等因數，即柱塞泵出的燃油絕大部分進入氣缸燃燒產生動力，其中也有一部分經噴油器回油管回到油箱，沒有參與燃燒。所以實際供油量要大于計算供油量。（4）噴油器噴油開啟壓力

為使瞬間噴入氣缸的燃油與空氣能夠迅速混合，要求噴油器的油束具有一定的壓力和流速。噴油器的噴油開啟壓力與柴油機的燃燒室結構有關，分開式燃燒室對噴油壓力的要求相對較低，如道依茨BF12L413FW低污染柴油機（渦流室式燃燒室）的噴油器開啟壓力為12.5+0.8MPa。開式燃燒室對噴油器噴油開啟壓力的要求較高，如道依茨F12L513風冷柴油機（ω型燃燒室）的噴油器開啟壓力為：23.5+0.8MPa。單體泵和電噴共軌柴油機的噴油器開啟壓力會更高，可達25.0MPa以上。功率、扭矩與轉速之間的關系

柴油機的功率、轉速和扭矩之間的計算公式如下：Pe＝n.Te/9550或：Te=9550.Pe/n

式中：Pe－輸出功率，kw；Te－輸出扭矩，N.m；n－柴油機轉速，r/min。柴油機的特性曲線

由三者的關系式可知，柴油機的功率與扭矩成正比。功率一定時，柴油機的扭矩與轉速成反比。也即柴油機功率一定時，轉速越高，曲軸受到的扭矩越小，克服外界阻力變化的能力就小。反之，曲軸受到的扭矩就大，克服外界阻力變化的能力就強；但也容易造成機械故障。這就是柴油機慢速爬坡時容易造成損壞的原因之一。柴油機轉速升高，柴油機的功率就會增大、扭矩在一定轉速范圍內會增加，表現為車輛的動力性能好、加速性能好、起步快。擔當轉速升高到某個數值后，柴油機的功率將繼續增大，但扭矩可能會減小。也就是說：柴油機的最大功率轉速不是該機的最大扭矩轉速。柴油機在最大油門狀態下，最大扭矩轉速要比最大功率轉速低30-50%（參考）。柴油機功率、轉速和扭矩曲線如圖所示。Pe－功率曲線；Te－扭矩曲線；be－油耗曲線圖1-47第五節：柴油機的基本結構

內燃機是一種由許多機構和系統組成的復雜機器。無論是汽油機，還是柴油機；無論是四行程柴油機，還是二行程柴油機；無論是單缸柴油機，還是多缸柴油機，要完成能量轉換，實現工作循環，保證長時間連續正常工作，就必須具備一些機構和系統。柴油機主要由以下三大機構和五大系統組成，即由曲柄連桿機構、配氣機構、傳動機構、燃料供給系、潤滑系、冷卻系、增壓系統（或進排氣系統）和起動系組成，隨著柴油機電控技術的發展，柴油機還增加了電控系統由這些機構和系統的協調動作和周而復始的運動，為設備源源不斷的提供動力，具體介紹如下。燃油供給系統配氣機構傳動機構曲柄連