第二節 柴油機的基本參數

一、柴油機的基本術語

柴油機要完成將燃料的化學能轉變為機械能，需要一系列的機構和零部件，才能實現能量的轉換。柴油機的常用術語位置示意圖如圖1-18所示，具體說明見表1-4。

圖1-18 柴油機的常用術語位置示意圖

1—氣缸 2—活塞 3—連桿 4—曲軸 5—曲軸主軸頸 6—曲軸連桿軸頸

表1-4 柴油機的常用術語說明

（續）

二、柴油機的主要技術參數

在柴油機出廠銘牌和使用說明書上，都標有柴油機的幾種主要性能指標。它們既是評價和選擇柴油機的主要標準，又是正確使用柴油機的基本依據。柴油機的性能指標很多，但對于柴油機的使用者，需要了解和掌握的性能指標主要是動力性能指標、燃油經濟性能指標以及運轉性能指標等。

動力性能指標主要包括轉矩、功率和轉速等。這些指標直接關系到柴油機（或設備）的使用效果和運行狀態，是柴油機使用者必須首先掌握的指標之一。

燃油經濟性能指標主要包括耗油量、耗油率等。這些指標關系到柴油機（或設備）運行時的經濟效果，即是否省油等直觀問題。柴油機出廠時，一般都有每千瓦時的燃油消耗率，這個指標的數值越小，在同等條件下，柴油機越省油。

運轉性能指標主要包括冷起動性能、噪聲、排放指標及可靠性等。

（1）柴油機的轉速 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n表示，單位是r/min。大型柴油機的轉速每分鐘僅數百轉，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。柴油機轉速的標定說明見表1-5。

表1-5 柴油機轉速的標定說明

（2）柴油機的有效轉矩 柴油機飛輪上對外輸出的扭力矩稱為有效轉矩，簡稱轉矩，用Me（或Te）表示，單位為N·m。它是指燃料在氣缸內與空氣混合后燃燒產生的熱量，使氣體膨脹做功所產生的旋轉力矩，克服各部分摩擦阻力矩和驅動各輔助裝置（如噴油泵、冷卻液泵、照明用發電機等）所消耗的轉矩，最后經曲軸傳到飛輪上可以提供使用的轉矩。

柴油機驅動設備底盤及車輛所需的力傳到飛輪上，成為阻礙飛輪轉動的反力矩，通常稱為柴油機的負荷。在實際工作中，柴油機飛輪上輸出的轉矩應與柴油機的負荷相等。

（3）柴油機的有效功率 柴油機單位時間內對外所做的功稱為有效功率，簡稱功率，用Ne表示，單位為kW。通常把在1s內做1000N·m的功稱為1kW。柴油機的功率與轉矩、轉速的關系如下

從關系式中可以看出：在功率一定的情況下，轉速低時轉矩大，轉速高時轉矩小。柴油機在實際工作中，飛輪輸出的轉矩應與外界負荷相等。也就是說，如果柴油機的負荷增加，則轉矩也相應增加，這時柴油機的轉速降低；如果柴油機的負荷減小，則轉矩也相應減小，這時柴油機的轉速升高。

柴油機的轉速、功率和輸出轉矩還可以用曲線的方式直觀地表示出來（圖1-19）。

（4）柴油機的標定功率 根據柴油機的特性、用途和使用特點而確定的有效功率的最大使用界限稱為柴油機的標定功率。目前，我國試行的國家標準中將標定功率分為下述4種，在給定標定功率的同時，必須給出其相應的轉速，詳見表1-6。

圖1-19 柴油機的特性曲線

表1-6 柴油機的功率標準

根據使用特點，生產廠在柴油機銘牌上一般標明上述4種功率中的1～2種。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。

三、柴油機的燃油消耗率

柴油機的燃油消耗率是一個反映柴油機燃油經濟性能的重要指標，它反映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。柴油機的燃油消耗率見表1-7。

表1-7 柴油機的燃油消耗率

由于柴油機的功率不同，其每小時或每100km的耗油量也不同，所以不能用耗油量來衡量不同柴油機的燃料經濟性。評價柴油機是否省油的指標是燃油消耗率，此數值越低，說明柴油機的燃料經濟性越好。

四、柴油機的配氣相位及其含義

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，通常用環形圖表示柴油機的配氣相位（圖1-20）。

2.理論配氣相位分析

理論上講，進氣、壓縮、做功和排氣行程各占180°，也就是說進、排氣門都是在上、下止點開閉，延續時間都是180°曲軸轉角。但實際表明，理論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，具體原因如下。

①氣門的開、閉有個過程。氣門開啟總是由小到大，關閉總是由大到小。

②氣體慣性的影響。隨著活塞的運動，氣體慣性會造成進氣不足、排氣不凈。

圖1-20 柴油機的配氣相位

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。當轉速為3000r/min時，一個行程只有60s/（3000×2）=0.01s，即使轉速為1500r/min，一個行程也只有0.02s，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。為了使進氣充足、排氣干凈，除了從結構上進行改進（如增大進、排氣管道等）外，還可以從配氣相位上實現氣門早開晚閉，延長進、排氣時間。

（1）氣門早開和晚閉的可能 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。

根據柴油機排氣過程壓力特性，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，氣門具有早開和晚關的可能。氣門早開和晚關對柴油機實際工作的意義如下。

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

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，增加了進氣量。

③排氣門早開可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。兩個氣門同時開啟時時間相當的曲軸轉角稱為氣門重疊角。在這段時間內，可燃混合氣和廢氣不會亂串，原因如下：

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時，進氣門便開始開啟，進氣行程直到活塞越過下止點后，即曲軸轉到離開下止點一個角度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為進氣提前角，一般α=10°～30°，β為進氣延遲角，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，提前開啟的角度即排氣提前角γ一般為40°～80°，活塞越過下止點后排氣門關閉，延遲關閉的角度即排氣延遲角δ一般為10°～30°，整個排氣過程相當于曲軸轉角180°+γ+δ，即曲軸轉角為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，實際配氣相位中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，這主要根據具體車型，經過試驗的方法確定，由凸輪軸的形狀、位置及配氣機構來保證。

五、柴油機的噴油提前角

柴油機的噴油提前角是柴油機燃燒規程中的一個重要參數。噴油提前角的基本含義是在柴油機壓縮行程即將結束前，即在活塞即將達到壓縮行程上止點前的某個角度（比如5°～30°曲軸轉角，具體視柴油機的轉速和噴油方式而定，電控高壓共軌或單體泵柴油機的噴油提前角相對較小，機械泵柴油機的噴油提前角較大），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，在活塞達到上止點時，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。

噴油提前角過大或過小都將對燃燒效果產生不良的影響。噴油提前角過大使氣缸內的壓縮空氣的壓力和溫度都較低，不利于燃油與空氣的混合及燃燒，而且還將導致柴油機工作粗暴、排氣冒黑煙、功率不足等。但是，如果噴油提前角過小，則也會導致柴油機的后燃嚴重，使柴油機整體溫度高、排氣管燒紅、排氣冒黑煙、功率不足等。

機械式噴油泵柴油機的噴油提前角一般在13°～30°，由制造廠家根據設計參數確定，不能隨意改變。而對于單體泵或電控柴油機，由于噴油時刻和精度大大提高，所以噴油提前角較小，一般在5°～12°，同樣由生產廠家根據設計參數確定。

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由人工進行現場調整，只能通過改變ECU參數調整。

六、柴油機的氣門間隙

柴油機的氣門間隙是指氣門桿頂部與搖臂間自由狀態下的間隙，其位置圖如圖1-21所示。

氣門間隙是柴油機配氣正時的重要參數，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、排氣冒黑煙等故障。因此，必須定期對氣門間隙進行檢查和調整。

①氣門間隙過大。進、排氣門開啟滯后，縮短了進、排氣時間，降低了氣門的開啟高度，改變了正常的配氣相位，使柴油機因進氣不足、排氣不凈而功率下降，此外，還使配氣機構零件的撞擊增加，磨損加快。

②氣門間隙過小。柴油機工作后，零件受熱膨脹，將氣門推開，使氣門關閉不嚴，造成漏氣，功率下降，并使氣門的密封表面嚴重積炭或燒壞，甚至可能出現氣門撞擊活塞的現象。

采用液壓挺柱的配氣機構不需要留氣門間隙，因此也不需要調整氣門間隙。

圖1-21 柴油機的氣門間隙位置圖

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。

七、柴油機的循環噴油量和噴油壓力

（1）柴油機的循環噴油量 柴油機單個氣缸每個工作循環的噴油量稱為循環噴油量。

對于國產柴油機，噴油泵每個循環的噴油量可以非常容易地獲得。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。生產廠家或供應商一般都會提供額定功率、轉速、單位功率的耗油量等特定參數曲線（圖1-22）。可以用這些特定參數計算出噴油泵每100個循環的參考供油量。計算方法如下：

圖1-22 柴油機的外特性曲線

假定每100個循環的供油量為Δh，則有

式中Δh——每100個循環的參考加油量，單位為ml；

ge——柴油機的耗油率，單位為g/kW·h；

γ——燃油密度，對于柴油，γ=0.825g/cm3；

i——氣缸數；

Ne——柴油機功率，單位為kW；

n——柴油機轉速，單位為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δ為1.10～1.14。因此，實際供油量為

實際供油量=δ×Δh（ml）

實際供油量大于計算供油量的原因是柴油機在實際工作過程中，噴油泵柱塞泵出的燃油絕大部分進入氣缸燃燒產生動力，其中一部分經噴油器回油管回到油箱，沒有參與燃燒。

（2）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，要求噴油器的噴油油束射線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12.5～13.3MPa。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形燃燒室）的噴油器開啟壓力為23.5～24.3MPa。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。