第1章 柴油机概述

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1.3四冲程柴油机的工作原理
• 柴油机是将柴油的化学能转变成机械能的机器。完成能量的转换并对 外输出功率需要经过下面儿个过程。 • ①将液态柴油蒸发，与空气充分混合后燃烧放出热量(柴油的化学 能通过燃烧转变成热能); • ②燃烧产生的热量加热汽缸中的气体，使气体的压力升高，体积膨 胀，推动活塞移动(热能通过气体的体积膨胀转变成机械能); • ③移动的活塞通过连杆使曲轴旋转，并通过飞轮将动力输出(通过 曲柄连杆机构往复直线运动变成连续的转动)。 • 下面以单缸柴油机为例，说明柴油机的基本结构、工作原理和工作 过程。
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1.1发动机的概念及分类
• 1.1.2 发动机的分类
• (1)按所用燃料的不同分类 • 现代汽车发动机根据所用燃料的不同可分为汽油发动机和柴油发动 机(以下分别简称汽油机和柴油机)。我们通常所说的汽油和空气在化 油器内混合成可燃混合气，再输入汽缸加以压缩，然后用电火花点火 使之燃烧而发热做功，这种发动机被称为化油器式汽油机。新式汽油 机是把汽油直接喷入进气管或汽缸内，与空气混合形成可燃混合气， 再用电火花点燃，这种发动机被称为汽油喷射式发动机。汽车用柴油 机使用的燃料一般是轻柴油，它由喷油泵和喷油器将柴油直接喷入燃 烧室，与汽缸内经过压缩的空气混合，使之在高温下自燃做功。
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1.2柴油发动机的组成
• 气门分成进气门与排气门两大类，分别用来封闭进气道与排气道。 气门安装在固定于缸盖的气门导管内，气门弹簧一端支承于缸盖，另 一端支承于气门尾端。气门弹簧将气门头的密封锥面紧紧地压在气门 座圈相应的锥面上，将气道封闭。摇臂总成固定于缸盖，摇臂的一端 与气门尾端接触，另一端与挺柱之间通过推杆传力。 • 凸轮轴的前端固定有正时齿轮，与曲轴正时齿轮啮合，由曲轴通过 正时齿轮带动其旋转。凸轮轴旋转时，凸轮周期性地将挺柱推起，通 过推杆使摇臂绕摇臂轴摆动。摇臂的一端将气门向下推，克服弹簧弹 力后将气门打开。凸轮转过以后，对气门的推力逐渐消失，气门在弹 簧的作用下关闭。
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1.2柴油发动机的组成
• • (2)曲柄连杆机构的结构介绍 发动机机体由缸体、缸盖和油底壳组成。缸体的上部是汽缸盖，下 部为曲轴箱。汽缸内安置活塞，容纳并支承曲轴和凸轮轴。曲轴通过 主轴颈支承于曲轴箱相应的主轴承座上。连杆上端(连杆小头)与活塞 铰接，下端(连杆大头)与曲轴连杆轴颈连接。油底壳用来封闭缸体下 端并储存润滑油，缸盖用来封闭缸体上端。活塞上安装有活塞环，封 闭活塞与汽缸之间的间隙。 • 曲轴的前端向前伸出缸体，上面安装正时齿轮与皮带轮。曲轴的后 端向后伸出缸体，上面固定有飞轮，对外输出动力。
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1.2柴油发动机的组成
• 1.2.4冷却系统
• 发动机在工作中会将大量的热量传给缸体、缸盖及其他机件，会使 发动机温度迅速升高，可导致发动机不能正常工作，因此发动机设有 冷却系统对发动机进行冷却，以保证发动机的正常工作温度。 • 在汽缸周围和缸盖燃烧室周围设有水套，充满冷却液，直接吸收燃 气传给缸体与缸盖的热量。水泵固定在缸体前部，由曲轴通过带传动 驱动旋转。散热器安装于发动机的前方迎风面。
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1.1发动机的概念及分类
• (4)按有无增压装置分类 • 根据有无增压装置可分为增压式发动机和非增压式发动机。利用增 压器使进气压力高于大气压力，输进汽缸，称为增压式发动机。利用 汽缸的吸力把气体吸入汽缸，称为非增压式发动机。 • 此外，发动机还可根据气门装置位置、汽缸排列方式、汽缸数目等 来进行分类。目前，汽车使用最广泛的是四冲程、水冷式、非增压、 往复活塞式内燃机。
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1.3四冲程柴油机的工作原理
• 汽缸工作容积:活塞从上止点位置移动至下止点位置所让出空间的容 积，称为汽缸工作容积，用vh表示。 • 燃烧室容积:当活塞位于上止点时，活塞顶面上方空间的容积，称 为燃烧室容积，用va表示。 • 汽缸总容积:当活塞位于下止点时，活塞顶面上方空间的容积，称 为汽缸总容积，用vL表示。 • 压缩比ε:汽缸总容积与燃烧室容积之比，称为压缩比ε 。 ε = vL/va =1+vh/va。
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1.1发动机的概念及分类
• (2)按工作循环所需要的行程数分类 • 根据发动机完成一个工作循环所需要的行程数可分为四冲程发动机 和二冲程发动机。完成一个工作循环活塞上下往复四个单程的发动机 称为四冲程发动机。完成一个工作循环活塞上下往复两个单程的发动 机称为二冲程发动机。目前，二冲程发动机在汽车上应用较少。 • (3)按冷却方式不同分类 • 根据冷却方式不同分为水冷式和风冷式发动机。以水或冷却液为冷 却介质的发动机称为水冷发动机。以空气为冷却介质的发动机称为风 冷发动机。现代汽车发动机绝大多数采用的是水冷发动机。
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1.3四冲程柴油机的工作原理
• 1.3.1单缸柴油机的简单结构与参数
• • (1)单缸柴油机的简单结构 单缸柴油机结构原理简图如图1-2所示，汽缸体设有圆柱形汽缸， 圆柱形的活塞位于汽缸内，并可沿汽缸轴线做上、下往复移动。 曲轴箱固定于缸体下端面。曲轴位于曲轴箱内，通过两端的主轴颈 支承于曲轴箱两侧。 汽缸与曲轴箱相通，连杆将位于汽缸内的活塞和位于曲轴箱内的曲 轴连接起来。连杆上端通过活塞销与活塞铰接，下端则套装于曲轴的 连杆轴颈。 汽缸盖固定于缸体上端面，将汽缸封闭。喷油器固定于汽缸盖，喷 油嘴位于燃烧室内。 进气门与排气门用来封闭与打开进、排气道。进、排气门由凸轮轴 通过挺柱驱动。
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1.2柴油发动机的组成
• 现代柴油机是由多个机构与系统有机结合而成的一个整体。各机构与 系统各自承担不同的功能，互相协调工作，对外输出功率。柴油机总 体构造如图1-1所示。柴油机主要由以下机构与系统组成。
• 1.2.1曲柄连杆机构
• • (1)曲柄连杆机构的组成 曲柄连杆机构主要由发动机机体、曲轴、连杆、活塞等机件组成， 承担能量转换与运动转换的功能。曲柄连杆机构是柴油机的主要组成 部分，也是柴油机维修的主要部分。
项目一 汽车电路认知
• • • • • 1.1发动机的概念及分类 1.2柴油发动机的组成 1.3四冲程柴油机的工作原理 1.4柴油机的主要性能指标与特性 1.5内燃机编号规则
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1.1发动机的概念及分类
• 1.1.1发动机的概念 • 发动机是将某种形式的能量转换为机械能的机器，它是汽车的动力
源。汽车使用的发动机主要是往复活塞式内燃机，即燃料在机器内部 燃烧，产生的热能，通过活塞做往复直线运动而直接转化为机械能。 内燃机具有效率高、结构紧凑、体积小、质量轻等优点，因而被广泛 用做汽车动力源。汽车发动机可根据不同的方法进行分类。
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1.2柴油发动机的组成
• 1.2.6起动系统
• 柴油机由静止状态转转入运转状态的过程，称为柴油机的起动。起动 时，必须通过外力使柴油机转速达到最低稳定转速以上才可使其投入 正常运转。在柴油机上设有起动系统，除蓄电池和控制电路外，主要 是起动机。起动机固定于发动机缸体一侧，其驱动齿轮位于发动机飞 轮壳内，飞轮外缘安装有齿圈。平时，齿轮与齿圈互相脱开;启动时， 起动机电枢轴旋转，将齿轮与齿圈啮合，带动飞轮和曲轴旋转而启动。 • 发动机缸体和缸盖是发动机所有零部件的安装基体，缸体的质量直接 影响其他机件的安装位置，继而影响发动机的工作。
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1.2柴油发动机的组成
• 1.2.5润滑系统
• 发动机在运转时，互相摩擦的零件是很多的，如曲轴颈与轴瓦之间、 活塞与汽缸壁之间以及其他部位等。摩擦导致阻力增大，使发动机的 机械效率下降;摩擦还会使零件产生磨损，影响发动机的使用寿命;摩 擦使零件表面温度升高，破坏正常的配合间隙，影响零件之间的相互 运动，甚至烧熔零件表面而互相焊接，使发动机不能工作。为保证发 动机正常工作，发动机设有润滑系统，对发动机进行润滑。 • 润滑就是将内燃机油(简称机油)通过遍布发动机机体的油道，送到发 动机各摩擦零件的表面，形成一层油膜，将互相摩擦的零件分隔开。 活塞与汽缸壁之间的油膜，还起到辅助密封汽缸的作用。机油存放于 发动机油底壳内。机油泵将机油吸出，经滤清器过滤后，通过机体上 的油道送到各摩擦表面。
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1.3四冲程柴油机的工作原理
• 1.3.2四冲程柴油机工作原理与工作过程
• 柴油机完成一次能量转换并对外输出功率，需要完成进气、压缩、 做功和排气4个工作过程，称为一个工作循环。每一个工作过程对应 一个活塞冲程，完成一个工作循环需要4个活塞冲程的柴油机，称为 四冲程柴油机。四冲程柴油机完成一个工作循环，曲轴旋转720°(两 圈)，活塞上下运行各两次。 • (1)进气行程 • 活塞位于上止点，进气门打开，排气门处于关闭状态。旋转的曲轴 通过连杆将活塞下移。活塞下移导致活塞上方空间增大，压力下降， 汽缸内压力低于大气压力。外界空气在大气压力与汽缸内压力差的作 用下，进入汽缸。进气行程一直持续到活塞到达下止点，进气门关闭 为止。
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1.3四冲程柴油机的工作原理
• • • (3)参数与名词术语 上止点:当活塞移动至离曲轴旋转中心最远处时，活塞顶在汽缸内 对应的位置。 下止点:当活塞移动至离曲轴旋转中心最近处时，活塞顶在汽缸内 对应的位置。 活塞冲程:活塞在两个止点间移动一次，称为一个冲程。一个冲程 曲轴旋转180°。 曲柄半径:曲轴主轴线与连杆轴颈轴线之间的距离，称为曲柄半径， 用R表示。 活塞行程:活塞在两个止点间移动一次的距离，称为活塞行程，用S 表示，S =2R。
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1.2柴油发动机的组成
• 1.2.2配气机构
• • (1)配气机构的组成 配气机构的功用是定期将空气输入汽缸，将燃烧后产生的废气排出 汽缸。配气机构主要由凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂总成、气门、气门 座圈和凸轮轴的驱动装置等组成。 • (2)配气机构的结构介绍 • 凸轮轴是一根与汽缸组长度相同的圆柱形棒体，上面有若干个凸轮。 凸轮轴的一端是轴承支撑点，另一端则与驱动轮相连接。凸轮轴上分 布有与气门数相同的凸轮，位于凸轮上方的挺柱可以被凸轮推动而上 下移动。
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1.2柴油发动机的组成
• 散热器的进水管与缸盖水套相通，出水管通过水泵与缸体水套相通。 发动机运转时，水泵将冷却液在水套与散热器之间进行循环，把发动 机水套内高温的冷却液抽入散热器进行散热，再将散热后的低温冷却 液送入水套继续对发动机进行冷却。为了增大通过散热器的风量，加 强散热效果，在散热器后面安装有风扇。冷却系统通过控制进入散热 器的冷却液量(通过节温器)、控制风扇的转速(通过风扇离合器)和控 制散热器的通风面积(通过百叶窗)，对发动机的工作温度进行调节控 制。
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1.3四冲程柴油机的工作原理
• • • • • • (2)单缸柴油机各运动件的运动情况 由于曲轴连杆轴颈的轴线与主轴颈轴线之间有一定的距离，因此: ①活塞做往复直线移动时，通过连杆作用于曲轴连杆轴颈的作用力 产生绕主轴径轴线的力矩，使曲轴旋转; ②曲轴旋转时，连杆轴颈对连杆产生推力，通过连杆使活塞做往复 直线移动; ③在连杆运动过程中，连杆上端做往复直线运动，连杆下端做旋转 运动，连接上、下端的连杆身做摆动; ④曲轴旋转时，通过正时齿轮驱动凸轮轴旋转，凸轮轴上的凸轮定 期将气门推离气门座圈，使气门打开。当凸轮对气门的推力消失后， 气门在气门弹簧弹力的作用下关闭。 汽缸示意图如图1-3所示。
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1.2柴油发动机的组成
• 1.2.3燃料供给系统
• 燃料供给系统的主要功用是:为发动机燃料提供清洁的空气;将燃烧 后的废气排出汽缸;将柴油以高压雾状喷入燃烧室内，使之蒸发，混 合并燃烧。燃料供给系统由以下装置组成。 • (1)进排气装置 • 分列汽缸两侧的进气管、排气管与缸盖上相应的气道对正后固定于 缸盖上。空气滤清器安装于进气管口。排气消声器安装于排气管口。
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1.2柴油发动机的组成
• (2)燃油供给装置 • 安装于喷油泵壳体上的输油泵将柴油从油箱中泵出，经柴油滤清器 过滤后，送入喷油泵低压油腔。喷油泵固定于发动机缸体的一侧，由 正时齿轮驱动。喷油泵的分泵数量与汽缸数相同，每一个分泵通过高 压油管与安装于缸盖上的喷油器连通。每一个汽缸有一个喷油器，喷 油器体穿进缸盖，喷油嘴位于燃烧室内。喷油泵产生的高压柴油通过 高压油管进入喷油器，喷油器将高压柴油以雾状喷入燃烧室内。喷油 器与喷油泵的低压油腔之间有回油管相通，多余的柴油通过回油管流 回低压油腔。