第一章柴油机的基本知识
第一节柴油机的基本结构
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
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
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
柴油发动机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
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V c：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V h：活塞从上止点到下止点所扫过的气缸容积。
S D V h ⋅=24π
（1-1）
8．气缸总容积V a ：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。
V a ＝ V c  ＋ V b                                    （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：
c
h c h c c a V V V V V V V +=+==1ε                          （1-3）
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V h 也随着确定了，所以若要调整压缩比，可通过改变压缩容积V c 来实现。
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
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
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
ϕ（图中阴影线所示的角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
2
1−
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 P C和 t C表示。
ϕ。约为140°～160°曲柄转角，压缩热力过程变四冲程机压缩过程所占的总角度
3
2−
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P z表示，最高温度用t z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p b约为0.25MPa～0.45MPa，温度t b约为600℃～700℃。
ϕ；约为130°～160°曲柄转角。热力过程四冲程机燃烧膨胀过程所占的总角度
−
5
4
3−
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。
ϕ。约为210°～240°曲柄转角。其热力过程变化四冲程机排气冲程所占的总角度
5−
6
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
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。