柴油机全析：原理、分类与构造

柴油机全析：原理、分类与构造

柴油机作为一种极为重要的动力机械，在众多领域都有着广泛的应用。深入了解其基础知识，涵盖概述、分类、工作原理、术语以及构造等方面，对于正确使用、维护和研发柴油机均具有关键意义。

一、柴油机概述

内燃机作为复杂的能量转换装置，其类型多样，构造与布置各异。往复活塞式内燃机通常由两大机构和五个系统构成。而柴油机则是以柴油为燃料，借助在气缸内压缩空气产生高温，使喷入的柴油自燃，进而利用燃气膨胀做功的内燃机。

在我国，柴油机的生产功率范围广泛，从 2.2 千瓦至 47280 千瓦不等，气缸直径处于 65 毫米至 900 毫米之间，转速范围为 5.6 转 / 分钟至 4400 转 / 分钟。其具备诸多显著特点，例如易于启动，无论是在寒冷天气还是长时间停机后，都能相对便捷地启动运转；操作维护方便，不需要复杂的操作流程和专业技能，日常维护工作也较为简单易行；结构紧凑、体积小、重量轻，这使得其便于运输与安装，能够适应各种不同的使用场景和空间限制；经济性好，在燃油消耗和运行成本方面具有一定优势；使用范围广，可广泛应用于发电、船舶、排灌、汽车、拖拉机以及工程机械等众多领域，是理想的动力机械之一。

二、柴油机分类

（一）按工作循环分类

1、二冲程柴油机：在一个工作循环中，曲轴旋转一周，即 360 度，完成进气、压缩、燃烧膨胀和排气四个过程。其特点是功率密度相对较高，结构相对简单，但由于换气过程不够完善，燃油经济性和排放性能相对较差，常用于一些对功率要求较高但对排放要求相对较低的场合，如部分船舶和小型发电机组。

2、四冲程柴油机：一个工作循环中，曲轴需旋转两周，即 720 度，依次完成进气、压缩、燃烧膨胀和排气四个冲程。它具有燃油经济性好、排放相对较低的优点，广泛应用于各种领域，如汽车、大型船舶、工业发电等。

（二）按气缸数量分类

1、单缸柴油机：只有一个气缸，结构简单，成本较低，适用于一些小型、轻型的设备，如小型农用机械、小型发电机等，能够满足基本的动力需求。

2、多缸柴油机：包含两个或以上气缸，通过合理的气缸排列和工作顺序设计，能够提供更平稳的动力输出，减少振动和噪音，适用于对动力性能和运行稳定性要求较高的设备，如大型车辆、船舶主机、工程机械等。

（三）按汽缸排列方式分类

1、立式：气缸呈垂直布置，这种排列方式结构紧凑，占地面积小，常用于小型柴油机和一些对空间要求较高的设备。

2、卧式：气缸水平放置，具有较低的重心，运行稳定性较好，在一些固定设备或对稳定性有特殊要求的场合应用较多。

3、直列式：多个气缸呈直线排列，结构简单，制造和维修方便，是较为常见的一种排列方式，广泛应用于各种中、小型柴油机。

4、斜置式：气缸与水平或垂直方向呈一定角度倾斜排列，可在一定程度上优化发动机的整体布局，改善动力传输和平衡性。

5、V 形：将气缸分成两排，呈 V 字形排列，能够缩短发动机的长度，提高功率密度，常用于高性能的汽车发动机和大型柴油机。

6、X 形、W 形、对置汽缸、对置活塞等：这些排列方式相对较为特殊，具有各自独特的结构特点和性能优势，一般应用于特定的、对发动机性能有特殊要求的领域或设备中，如某些大型船舶发动机或特殊用途的工业柴油机。

（四）按冷却方式分类

1、水冷柴油机：通过冷却液在发动机内部的循环流动，带走热量，实现冷却。这种冷却方式冷却效果好，能够有效控制发动机的温度，适用于大功率、长时间连续运行的柴油机，如大型船舶主机、发电用柴油机等。

2、风冷柴油机：依靠空气的流动直接对发动机进行冷却，结构相对简单，不需要复杂的冷却系统，但冷却效果相对有限，常用于一些小型、移动性较强且对冷却要求不是特别高的设备，如小型摩托车发动机、部分农用机械等。

（五）按进气方式分类

1、自然吸气式：依靠活塞下行时气缸内产生的负压，将空气自然吸入气缸，结构简单，成本较低，但进气量相对有限，功率提升潜力较小，适用于一些对功率要求不高的小型柴油机。

2、增压式：通过增压装置（如涡轮增压器或机械增压器）提高进气压力，使更多的空气进入气缸，从而可燃烧更多的燃料，提高发动机的功率和扭矩输出。根据增压程度的不同，可分为低增压、中增压、高增压和超高增压等。增压式柴油机在现代高性能发动机中应用广泛，如汽车、船舶、工程机械等领域的大功率发动机。

（六）按曲轴转速分类

1、高速机：转速通常在 1000 转 / 分钟以上，具有功率密度高、响应速度快等特点，适用于对功率和转速要求较高的场合，如汽车、摩托车、小型发电机组等。

2、中速机：转速一般在 300 转 / 分钟至 1000 转 / 分钟之间，兼顾了功率和扭矩输出的平衡性，常用于船舶、发电、工业驱动等领域，能够满足较为广泛的动力需求。

3、低速机：转速低于 300 转 / 分钟，扭矩输出大，可靠性高，主要应用于大型船舶主机，如远洋货轮、大型油轮等，能够提供稳定、持久的动力输出，适应长时间、大功率的运行需求。

（七）按用途分类

1、固定式：主要用于固定场所的动力供应，如发电站、泵站、工厂等，通常对功率稳定性、耐久性和可靠性要求较高。

2、移动式：可在不同地点移动使用，如汽车、拖拉机、工程机械、船舶等，需要考虑其机动性、适应性以及在不同工况下的性能表现。

三、柴油机工作原理

柴油机的工作过程是按照特定规律，持续地将柴油和空气送入气缸，在气缸内柴油着火燃烧，释放热能，高温高压的燃气推动活塞做功，从而实现热能向机械能的转化。

四冲程柴油机的正常运转由四个关键工作过程构成：

1、进气过程：活塞从上止点向下止点移动，此过程中曲轴的曲柄从 0 度旋转至 180 度。进气门开启，新鲜空气在气缸内外压力差的作用下被吸入气缸，为后续的燃烧过程提供必要的氧气。

2、压缩过程：活塞从下止点返回上止点，曲柄相应地从 180 度转动到 360 度。此时，气缸内的空气被压缩，压力和温度迅速升高，为柴油的自燃创造了良好的条件。

3、燃烧膨胀过程（工作过程）：活塞再次从上止点向下止点运动，曲柄从 360 度转到 540 度。在压缩冲程末期，喷入气缸的柴油在高温高压的空气中迅速自燃，燃气急剧膨胀，推动活塞向下运动，对外做功，将燃料的化学能转化为机械能。

4、排气过程：活塞又从下止点回到上止点，曲柄由 540 度转到 720 度。排气门打开，燃烧后的废气在活塞的推动下经排气门排出气缸，为下一个工作循环做好准备。

四、柴油机术语

1、上止点：活塞在运动过程中离曲轴中心线最远的位置，此时活塞处于气缸的顶部极限位置，是确定气缸容积和活塞行程的重要参考点。

2、下止点：与上止点相反，是活塞离曲轴中心线最近的位置，即活塞位于气缸的底部极限位置。

3、活塞行程：活塞在上、下两个止点之间运行的距离，其长度等于两倍的曲柄半径，即 S = 2R。活塞行程的大小直接影响气缸的工作容积和发动机的排量。

4、曲柄半径：指曲轴旋转中心到曲柄销中心的距离，它是决定活塞行程的关键参数之一，与发动机的结构设计和性能密切相关。

5、活塞平均速度：计算公式为 Cm = sn / 30（米 / 秒），其中 Cm 表示活塞平均速度，S 为活塞行程，n 为转速。活塞平均速度反映了活塞在气缸内运动的快慢程度，对发动机的磨损、热负荷以及动力性能都有重要影响。

6、燃烧室容积 Vc：当活塞位于上止点时，活塞顶上方的空间即为燃烧室，该空间的容积就是燃烧室容积。燃烧室容积的大小与发动机的压缩比、燃烧效率等性能指标密切相关。

7、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，计算公式为 Vh =（∏.D2 / 4）.S.106（升），其中 D 为气缸直径（单位为毫米）。气缸工作容积是衡量发动机排量和做功能力的重要参数之一。

8、气缸总容积 Va：活塞位于下止点位置时气缸内的全部容积，等于燃烧室容积与气缸工作容积之和，即 Va = Vc + Vh。

9、压缩比：表示活塞从下止点移动到上止点时，气体在气缸内被压缩的程度，是气缸总容积与燃烧室容积的比值。一般柴油机的压缩比在 12 至 20 之间，压缩比的大小直接影响发动机的热效率、动力性能和排放性能。较高的压缩比可使燃料燃烧更充分，提高热效率，但也对发动机的结构强度和燃油品质提出了更高要求。

10、总排量：对于多缸柴油机，所有气缸工作容积之和即为总排量。总排量是衡量发动机整体规模和功率潜力的重要指标，通常排量越大，发动机的功率输出能力越强。

11、指示功 Wi：指气缸内的气体在完成一个工作循环时对活塞所做的功，它反映了气缸内燃烧过程中气体能量转化为机械能的实际情况，是衡量发动机工作循环效率的重要参数之一。

12、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做的指示功 Wi，单位为 Pa 或（N/m2）。平均指示压力可用于评估发动机在单位容积内的做功能力，是分析发动机燃烧性能和机械效率的重要依据。

13、指示功率 Pi：指单位时间内发动机所做的指示功，单位为 kW。指示功率反映了发动机在理想状态下（不考虑机械损失）的功率输出能力，是衡量发动机燃烧效率和做功速度的重要指标。

14、指示燃油消耗率 gei：以指示功率每千瓦小时的耗油量来表示，单位为 g/(kW・h)，它反映了发动机在产生单位指示功时的燃油消耗情况，是评价发动机燃油经济性的重要参数之一。

15、有效功率 PS：从内燃机输出轴上实际获得的功率，是发动机对外做功的有效输出，单位为 kW。有效功率考虑了发动机在运行过程中的各种机械损失，如摩擦损失、泵气损失等，是衡量发动机实际工作能力和性能的关键指标。

16、机械效率 ηm：有效功率与指示功率的比值，即 ηm = PS / Pi。机械效率反映了发动机在将指示功转化为有效功过程中的能量损失情况，机械效率越高，说明发动机的机械损失越小，能量利用越充分。

17、输出扭矩 Tiq：内燃机输出轴的扭转力矩，简称扭矩，单位为 N・m，可通过专用的水力或电力测功器测量。扭矩是衡量发动机输出动力大小和驱动能力的重要参数，对于需要克服较大阻力矩的设备，如车辆爬坡、船舶推进等，扭矩的大小尤为重要。根据公式 Ps = n・Tiq / 9550（其中 n 为内燃机输出轴转速，单位为 r/min），可由测得的扭矩和转速计算出内燃机的有效功率。

18、平均有效压力 pme：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 相对应，定义为单位气缸工作容积所发出的有效功。平均有效压力可用于综合评价发动机的有效做功能力和性能水平，是发动机设计、性能分析和比较的重要指标之一。

19、有效燃油消耗率 ge：单位有效功的耗油量，通常以每千瓦小时所消耗的燃料重量表示，单位为 g／(kW.h)。有效燃油消耗率直接反映了发动机在实际运行过程中的燃油经济性，是衡量发动机节能水平的关键指标，对于降低运行成本和提高能源利用效率具有重要意义。

20、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。主要适用于车用内燃机，如汽车、摩托车等在超车或追击等短时间高负荷工况下使用，在正常行驶时则按标定功率运转。

21、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。对于车用内燃机，常以 1 小时功率为标定功率，相应的转速为标定转速，以满足车辆在较长时间运行中的动力需求。对于船用主机、工程机械和机车等，1 小时功率通常作为最大功率，在特殊工况下可短时间使用。

22、12 小时功率：在标准环境条件下，内燃机连续运行 12 小时的最大有效功率。适用于一些需要较长时间连续运行但负荷相对不是特别高的场合，如部分工业设备和小型发电装置等。

23、持续功率：在标准环境（大气压力 0.1MPa，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。船用主机、工程机械和机车等通常以持续功率为标定功率，以确保设备在长时间运行过程中的耐久性和可靠性，船舶在航行过程中对发动机的可靠性要求极高，因此使用功率的标定相对保守。

五、柴油机构造

柴油机主要由以下多个重要的构造与系统组成：

1、机体组件：包括机体、曲轴箱、气缸套、气缸盖等。机体是柴油机的骨架，支撑和安装着其他各个部件；曲轴箱用于容纳曲轴，并为其提供良好的润滑和散热环境；气缸套则是气缸的内衬，直接与活塞和燃气接触，承受高温高压的作用，其材质和加工精度对发动机的性能和寿命有着重要影响；气缸盖则封闭气缸顶部，上面安装有气门、喷油器等部件，其结构设计和密封性能至关重要。

2、曲柄连杆机构：由活塞、活塞环、活塞销、连杆、曲轴和飞轮等部件构成。活塞在气缸内上下往复运动，承受燃气压力并将其传递给连杆；活塞环用于密封活塞与气缸壁之间的间隙，防止燃气泄漏和机油窜入气缸；活塞销连接活塞与连杆小头，使活塞的运动能够顺利传递给连杆；连杆则将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动；曲轴是发动机的核心部件之一，将连杆传来的力转化为扭矩输出，驱动外部设备做功；飞轮则具有较大的转动惯量，可储存能量，使发动机运转更加平稳，同时在发动机启动和换挡等过程中起到辅助作用。

3、配气机构与进、排气系统：包含进、排气门组件、推秆、挺柱、凸轮轴、正时齿轮、进、排气管、空滤器等。配气机构的主要作用是按照发动机的工作循环和发火顺序，定时地开启和关闭进、排气门，控制新鲜空气的进入和燃烧废气的排出。凸轮轴通过正时齿轮与曲轴相连，在曲轴的驱动下旋转，其凸轮轮廓推动挺柱、推杆，进而控制气门的开启和关闭时刻及升程。进、排气管则负责将新鲜空气引入气缸和将废气排出气缸，空滤器则用于过滤进入发动机的空气，防止灰尘等杂质进入气缸，保护发动机内部部件免受磨损。

4、燃料供给与调节系统：包括喷油泵、喷油器、输油泵、柴滤器、调速器等。喷油泵将柴油从油箱中吸出，并提高其压力，按照发动机的工作顺序和负荷需求，定时、定量地将柴油输送到喷油器；喷油器则将高压柴油雾化成细小的油滴，喷入气缸内与空气混合，形成可燃混合气；输油泵负责将柴油从油箱输送到喷油泵，保证燃油的持续供应；柴滤器用于过滤柴油中的杂质，防止杂质进入喷油泵和喷油器，影响其正常工作；调速器则根据发动机的负荷变化自动调节喷油泵的供油量，使发动机在不同工况下能够稳定运行，保持转速的相对恒定或按照预定的规律变化。

5、润滑系统：由机油泵、机油滤清器、压力调节阀、润滑油道等组成。机油泵将机油从油底壳中吸出，提高其压力后，通过润滑油道输送到发动机的各个运动部件，如曲轴、连杆、活塞等，起到润滑、冷却、清洗和密封等作用。机油滤清器则用于过滤机油中的杂质，保证机油的清洁度，防止杂质对发动机部件造成磨损。压力调节阀则用于调节润滑系统的油压，确保机油在各部件之间能够形成稳定的油膜，同时避免油压过高对系统造成损坏。

6、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。冷却系统的主要任务是带走发动机在工作过程中产生的热量，防止发动机过热。水泵使冷却水在发动机内部的冷却水腔和外部的散热水箱等部件之间循环流动，将热量从发动机传递到散热水箱等散热部件，进而散发到周围环境中。风扇可增强空气流动，提高散热效率，在发动机温度较高或低速运转时，风扇的作用尤为重要，促使更多冷空气流过散热水箱，加速热量交换。机油散热器用于冷却机油，确保机油在合适的温度范围内工作，以维持良好的润滑性能，因为机油温度过高会导致其粘度下降，润滑效果变差，增加机件磨损。空气冷却器则针对增压后的空气进行冷却，提高空气密度，使燃烧更充分，提升发动机功率并降低排放。节温器则能根据发动机水温自动调节冷却液的循环路径和流量，在发动机冷启动时，节温器可使冷却液在发动机内部小循环，快速提升发动机温度，使其尽快达到正常工作温度；当发动机温度升高到一定程度后，节温器切换冷却液循环路径，使其进入大循环，经过散热水箱散热，从而使发动机保持在适宜的工作温度范围内，保证发动机的高效稳定运行。

7、起动系统：包括气启动、电启动两种方式。气启动由气马达或分配盘组成，通常适用于一些大型柴油机，如船舶主机等，利用压缩空气的能量驱动气马达旋转，进而带动曲轴转动使发动机启动。电启动由启动电机、继电器、电瓶、启动按钮及连线组成，广泛应用于各种中小型柴油机以及汽车发动机等，通过电瓶提供电能给启动电机，启动电机带动曲轴旋转实现发动机的启动。起动系统的可靠性和性能对于柴油机在各种工况下的顺利启动至关重要，尤其是在寒冷天气或长时间停机后，良好的起动系统能确保发动机迅速、可靠地启动运转。

8、增压系统：主要由增压器和空气中冷器组成。增压器通过压缩进气空气，提高进气密度，使更多的空气进入气缸，从而可燃烧更多的燃料，显著提高发动机的功率和扭矩输出，提升发动机的动力性能。常见的增压器有涡轮增压器，它利用发动机排出的废气能量驱动涡轮旋转，进而带动同轴的压气机压缩进气空气。空气中冷器则用于冷却增压后的高温空气，降低空气温度，进一步提高空气密度，这样不仅能提升发动机的充气效率，还能减少氮氧化物等有害气体的生成，有利于改善发动机的排放性能，使发动机在满足环保要求的同时实现更高的动力输出和更好的经济性。

柴油机各构造与系统相互协同、紧密配合，共同确保了柴油机能够稳定、高效地运行，将柴油的化学能转化为机械能，为众多领域的设备提供可靠的动力源泉。无论是在工业生产中的发电、驱动各类机械，还是在交通运输领域的汽车、船舶、铁路机车等，柴油机都凭借其独特的性能和优势发挥着不可替代的重要作用，并且随着技术的不断发展与创新，柴油机在性能、可靠性、环保性等方面也在持续优化与提升，以适应不断变化的市场需求和日益严格的环保法规要求。