第五章 机车柴油机的优化技术

８、对燃料要求苛刻，同时排放废气和产 生的噪音对环境有一定的污染。
三、柴油机的基础知识 机车柴油机是一种往复式活塞，压燃式内 燃机。通过活塞在活塞在气缸内作上下往 复运动，由连杆、曲轴机构将活塞的往运 动转变成旋转运动，作为功率输出。 其功率大小通常是用千瓦或马力来表示：
千瓦：所谓千瓦是单位时间内作功的叫 功率。 马力：而马力则是指在1秒钟内作75kg —米的功。 1kw≈1.3马力
（1）
(5)发动机的定义：将某一种能量转变为 机械能而驱动别的机械作功的机器，称 为发动机或动力装置（动力机械）。热 力、风力、水力、太阳能及原子能等动 力装置。
外然机、内燃机的定义 外然机：指把燃料（煤、油、天然气） 在锅炉内燃烧后，再将蒸汽送到汽缸内 膨胀作功的机器叫外燃机。 内燃机：指将燃料（柴油、汽油、煤气、 天然气等）直接送到气缸内膨胀作功的 机器叫内燃机。
内将残余气体从排气排出，强制驱赶废气 的现象也叫扫气。 2、换气-压缩冲程 扫气结束后活塞越过外止点向内止点运动 ，下活塞首先关闭排气口，进气口仍然进 气，通常称之为后充现象，但瞬间随上活 塞转动就关闭进气口，上下活塞都越过外 止点后向内止点运动，开始压缩空气直到 接近内止点时，燃油开始喷射，为下一个 循环作准备。
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汽缸内的残存燃气，使汽缸里充满新鲜 压力空气，为下个工作循环准备。这就 是曲轴180º~360º（也叫压缩、排气冲 程） 这就是二冲程柴油机，在一个工作循环 内，就完成四冲程柴油机进气、压缩、 膨胀作功、排气的二个循环过程，相当 曲轴转动两周的转角720º。 而二冲程柴油机第一冲程就完成了进气、 压缩过程；第二冲程完成膨胀作功、排 气的过程。也就是曲轴转角的360º转角。
（8）
实际上（以16V240为例） 进气时：活塞在离开上止点前半场42º左右打开。 而到下止点迟后备干部42º时关闭，曲轴转264º。 压缩时：活塞在进气门关后开始到上止点 也就是曲轴转角的136º。由于燃油从喷入 到高温点燃需要时间即曲轴的转角，故必 须在上止点前边21º时喷油。 作功时：最高压力和最高温度是在活塞离 开上止点某角10º左右是最佳点，这就是作 功开始，活塞下行到下止点前段时间42º时 排气门打开，剩余的高温、高压迅速涌向 集流管继续作功。（活在行程135º） 排气时：活塞在下止点前段时间42º就打开
二、柴油机的主要特点
1、工作热效率高，具有显著的节能效果 （１）柴油机的工作热效率一般在36％～ 41％，最佳可达50％。 （２）汽油机的工作热效率一般在30% （３）燃汽轮机的工作热效率一般在30 ％～35％。 （ ４）蒸汽机的工作热效率一般在16％； 而蒸汽机车的总效率更低6％～9％；内燃 机车则达到27％～35％是其4倍多。
作功，带动增压气涡轮工作。
（7）
C、当活塞越过上止点后，上行将气缸内残 气排出。 D、当活塞上行到上止点前某点时进气阀开 启，为下一个工作循环做准备。 E、在这个时刻进、排气阀同时开启，进气 压力大于废气，将残余废气迅速吹走。 （通 常叫作扫气）
（三）曲轴转角与配气相位图 通常是将曲轴的转角按360º在坐标系中 来划分每个活塞冲程的行程与曲轴转角的 相互关系。 曲轴转角 连杆传动使活塞的往复运动与 曲轴的转动是相对应的。因此，通常把四 冲程柴油机曲柄旋转轨迹（0º~720º转角）
3、柴油机的广泛用途 柴油机诞生后由于它的优越性凸显，被 广泛地应用在各个领域中。 （1）蓬勃发展的交通业：水（内河运 输、海上运输业飞速发展）陆交通。 （2）大力促进工、农业的生产发展。 （3）矿山、筑路、城市建设等。 （4）军事工业大发展。 舰艇、潜艇、坦克、各种装甲车辆等。 （二）机车柴油机的发展 1、20世纪初柴油机首先在船上应用。 2、1912年瑞士苏尔寿公司制造736kw
（4）
（４）水需处理后才用，损耗也不大，一 般跑完一、二个往返才补充水，但是日常 上下班是要检查水位，防止水损耗过大而 导致运动件过热。
６、使用可靠，工作寿命长 （１） 一般是按机车走完多少万公里来衡 量（轮、架、大修来定）。 （２）柴油机一般使用寿命在15000～ 30000h之间 。或者80～160万公里。 （３）机车采用新工艺后，运营里程越来 越长，使用寿命也在增加。因此，机车的 使用也就效率越来越高。 ７、结构复杂、零部件加工、装配、运用、 及维修技术要求高。
首部：系列符号、换代标志符号。 中部：缸数符号、气缸排列形式、冲程符号、缸径符号。 后部：结构特征符号：无号—水冷式、F—风冷式、N—凝
（10）
东风型号10LE207J柴油机工作过程 这种柴油机有上下两根曲轴，是用垂直传 动轴将上曲轴的功率传递给下曲轴输出的。 为了有效的工作，下曲轴领先上曲轴12º。 它分内、外止点。进、排气口设在缸壁的 上下部分。活塞相对运动时分别启闭气 口，现在了解一下柴油机工作过程： 1、膨胀-换气冲程 活塞离开内止点后喷入汽缸中的燃油在高 温高压下燃烧膨胀推动上下活塞向向运动 ，通过曲轴旋转作功。由于下曲轴领先12 度，故率先开启排气口，当上活塞开启进 气口时，1.3公斤左右的新鲜空气冲入汽缸
４、启动迅速，操纵简便 （１）能在较短的时间内完成启动任 务，并且能够达到全负荷运转。 （２）操作简便，安全可靠。 （３）设有多功能的安全保护装置。 （４） 可以自动化操作。 ５、燃料、机油和冷却水的消耗量少 （１）内燃机车一般只装备９kl左 右的燃油箱 。 （２）冬、夏使用的燃油型号不一样。 （３）机油一般是在一定的走行公里 后才补加，但日常上下班是要检查油 位，防止滑油漏泄而伤害运动件。
工作循环 完成一次能量转换过程叫做工作
循环。
二冲程柴油机 活塞二次冲程及曲轴旋转一
周就完成一次工作循环（能量转换），我
们就称之为二冲程柴油机。
四冲程柴油机 活塞往复四次冲程及曲轴旋
转二周，完成一个工作循环，就叫做四冲
程柴油机.
（二）柴油机的工作原理
1、进气冲程
A、活塞由上止点向下止运行。
B、理论上进、排气阀的开启与关闭。
描述活塞在气缸运动的轨迹。 配气相位图 坐标图解形式描述活塞在气 缸中上、下止点间的运动位置 ，并在坐标 系中以曲轴转角，按进、排气门启闭位置 绘制的图叫配气相位图。
四冲程柴油机理论上讲： 第一冲程：活塞从上止点行到下止点 就是曲轴0º~180º（这叫进气冲程） 第二冲程：活塞从下止点行到上止点 就是曲轴180º~360º（这叫压缩冲程） 第三冲程：活塞从上止点行到下止点 就是曲轴360º~540º（这叫作功冲程） 第四冲程：活塞从下止点行到上止点 就是曲轴540º~720º（这叫排气冲程）
（5）
（一）柴油机的术语 气缸 是柴油机燃油燃烧作功功场所 缸径 也是活塞的公称直径 上下止点（死点） 活塞在气缸内运动上下 极端的位置。 活塞行程 （S） 上下止点间的距离。也叫 活塞冲程。 气缸容积 （Vmin）活塞顶到达上止点时与 气缸壁、气缸头三者所构成的有效空间， 气缸最小容积或压缩容积。 工质 气缸内的工作介质。参与燃烧、吸热 并推动活塞膨胀作功的气体。 压缩比 气缸的总几与压缩容积之比。
3、燃烧、膨胀作功冲程 A、在上止点附近提前供油点火燃烧 B、供油提前角的设计意义，太早与太迟的
问题。
C、最高压力每平方厘米16~20t。 D、燃烧高温达二千多度。 E、高温、高压的燃气推动活塞下行作功，
达下止点。
4、排气冲程 A、当活塞下行到下止点前，排气阀打开 B、迅速排出的残余高温、高压气体，继续
第五章 机车柴油机的优化技术
第一节 机车用柴油机 第三节 机车柴油机状
的节能技术
态监测、故障诊断 技术
第二节 减少机车用柴
油机的有害物质排 放、噪音及振动技 术
内燃机车柴油机的基本原理
一、发动机的概述 （一）欧洲工业革命 1、动力革命 工业化步伐日益发展，生产力的快速提 高，现有的机械动力越来越不适应社会 的需求，人们在不断地寻求新的更大的 更好的动力来为各行各业服务。那么一 场动力革命的浪潮就自然而然地在欧洲 掀起了。 理由：原有的蒸汽机作为动力太差人意 笨重、复杂、功力小、体积大、效率低、 内燃机：重量轻、体积小、功率大、效 率高、操作简便等优点，受到人们的器 重，内燃机的快速发展也就在情理之中。
C、内低外高气压关系。
（6）
D、活塞与曲柄运行和旋转关系。 E、进、排气阀提前开启与迟后关闭意义。 2、压缩冲程 A、进、派气阀关闭。 B、活塞由下止点向上止点运行开始压缩 新鲜空气。 C、到达上止点时压缩容积最小2500~ 3500KPa。 D、同时温度将上升达780~1000度左右。 E、理论活塞到达上止点时喷射燃油，即 刻燃烧。（气缸头表面每压力平方厘米的 高温、高压达16t）
排出废气，尔后越过下止点向上止点运 行，再越过上止点42º时关闭。（活塞运行 290º）此时当活塞快上止点前42º时，进气 门又提前打开了，为下一个工作循环作准 备。这里又有一个进气门开到派气门关闭 的84º的重叠角，1.9~2.0公斤压力新鲜空 气迅速吹往废气集流管，使气缸内充入新 的空气。 凸轮轴的工作过程 四冲程柴油机完成一个工作循环需要曲轴 的两个周期而凸轮轴配合工作则只需要转 一周就可以完成进气、压缩（含供油）、 作功、排气的所有工作过程。 （9）
（3）
２、功率和转速范围宽广，能适应各种 不同用途。 （１）输出功率能从0,59kw~40440kw 之间。 （２）标定转速在850~1600n/h内 （３）同时品种繁多，用途广泛。 ３、结构紧凑和轻巧，适应水、陆交 通工具的动力装置 （１）体积有小到大部分。0.15到二、 三层楼那么高。 机车用的一般在2～3m，宽在２m左右。 （２）单位气缸容积所作的功率在本 世纪内13～21km。
参看（9页）10E207J型柴油机配气相位图 （11）
（四）柴油机的组成 机车上使用的柴油机基本组成 1、运动件 2、固定件 3、配气机构 4、进、排气系统 5、燃油系统 6、功调系统 7、机油系统 8、冷却水系统 9、辅助系统 10、防护系统 11、柴油机编号
国标GB725-82规定： 柴油机的型号由阿拉伯数字和 汉语拼 音 字母组成。柴油机型号分首、中、 后及尾四个部分组成。
二冲程柴油机理论上讲： 第一冲程：活塞从下止点往上止点运行 时，越过下止点某个曲轴转角时进、排 气阀关闭，随着活塞的上行，活塞顶边 缘封闭进排气门，开始压缩空气，在上 止点前某个角度喷射燃油点火燃烧，然 后到达上止点。就是曲轴0º~180º（这 叫进气、压缩冲程） 第二冲程：活塞从上止点向下止点运行 高温、高压的燃气推动活塞下行作功。 当活塞接近进气口时，排气门打开，燃 气迅速排出。当活塞下行打开进气门时， 由储气室的压力空气迅速通过汽缸吹走
（2）
机车柴油机在普鲁士铁路上投入运营。
3、一战后1913年美、苏制造一些内燃机 车，但为了备战很快就停产。
4、二战后，美国和西方经济逐渐复苏， 铁路运输业为了适应经济发展，内燃机车
的制造也达到了迅速发展。
5、50年代单机功率700~1500 kw 。 6、60年代单机功率3000kw以上。 7、现在单机功率5000kw以上。 （三）中国柴油机发展
2、内燃机诞生 (1)设想过程、理论上的准备、（图纸设 计、数据计算、工装设备设计等） 技术上准备（技术人员培养、各种人才的 培养、机械设备的安装 、各种设备使用与 调试）不断探索、反复试验、批量生产。 (2) 1878年英国工程师噢托制造以煤气为 燃料，电火花点燃的四冲程内燃机，人们 把他的发明称为发动机的里程碑。 (3)1898年德国工程师鲁道夫·狄塞尔创造 了世界上第一台往复活塞压燃式内燃机。 (4)与蒸汽机作为动力相比较有明显优越 性。内燃机的广泛应用：工农业生产的 动力、陆海空交通运输、军事工业等，都 广泛使用内燃机作为动力的。
1、1940年旧中国才向国外购买图纸生产 部门220kw（到300马力）柴油机， 年产量不到8000千瓦。 2、新中国成立后，1958年开始研制，59 年开始生产方式736kw（约定1000马力）
的内燃机车。70年代后可以制造业2200 ~3000kw的干线机车。现在也可以制造 5000马力以上的内燃机车，完全可以和 国外机车相媲美。