第二节 柴油机的基本参数

一、柴油机的基本术语

柴油机要完成将燃料的化学能转变为机械能，需要一系列的机构和零部件，才能实现能量的转换。柴油机的常用术语位置示意图如图1-18所示，具体说明见表1-4。

图1-18 柴油机的常用术语位置示意图

1—气缸 2—活塞 3—连杆 4—曲轴 5—曲轴主轴颈 6—曲轴连杆轴颈

表1-4 柴油机的常用术语说明

（续）

二、柴油机的主要技术参数

在柴油机出厂铭牌和使用说明书上，都标有柴油机的几种主要性能指标。它们既是评价和选择柴油机的主要标准，又是正确使用柴油机的基本依据。柴油机的性能指标很多，但对于柴油机的使用者，需要了解和掌握的性能指标主要是动力性能指标、燃油经济性能指标以及运转性能指标等。

动力性能指标主要包括转矩、功率和转速等。这些指标直接关系到柴油机（或设备）的使用效果和运行状态，是柴油机使用者必须首先掌握的指标之一。

燃油经济性能指标主要包括耗油量、耗油率等。这些指标关系到柴油机（或设备）运行时的经济效果，即是否省油等直观问题。柴油机出厂时，一般都有每千瓦时的燃油消耗率，这个指标的数值越小，在同等条件下，柴油机越省油。

运转性能指标主要包括冷起动性能、噪声、排放指标及可靠性等。

（1）柴油机的转速 柴油机要实现连续不断的工作循环，必须有一个在单位时间内做功次数的指标。一般使用每分钟内曲轴旋转的圈数来表示，称为转速。此数值越大，表示单位时间内柴油机做功的次数越多，柴油机的输出功率就越大。转速用n表示，单位是r/min。大型柴油机的转速每分钟仅数百转，而中型柴油机的转速一般在2500r/min以下，小型柴油机的转速可达3000r/min以上。柴油机转速的标定说明见表1-5。

表1-5 柴油机转速的标定说明

（2）柴油机的有效转矩 柴油机飞轮上对外输出的扭力矩称为有效转矩，简称转矩，用Me（或Te）表示，单位为N·m。它是指燃料在气缸内与空气混合后燃烧产生的热量，使气体膨胀做功所产生的旋转力矩，克服各部分摩擦阻力矩和驱动各辅助装置（如喷油泵、冷却液泵、照明用发电机等）所消耗的转矩，最后经曲轴传到飞轮上可以提供使用的转矩。

柴油机驱动设备底盘及车辆所需的力传到飞轮上，成为阻碍飞轮转动的反力矩，通常称为柴油机的负荷。在实际工作中，柴油机飞轮上输出的转矩应与柴油机的负荷相等。

（3）柴油机的有效功率 柴油机单位时间内对外所做的功称为有效功率，简称功率，用Ne表示，单位为kW。通常把在1s内做1000N·m的功称为1kW。柴油机的功率与转矩、转速的关系如下

从关系式中可以看出：在功率一定的情况下，转速低时转矩大，转速高时转矩小。柴油机在实际工作中，飞轮输出的转矩应与外界负荷相等。也就是说，如果柴油机的负荷增加，则转矩也相应增加，这时柴油机的转速降低；如果柴油机的负荷减小，则转矩也相应减小，这时柴油机的转速升高。

柴油机的转速、功率和输出转矩还可以用曲线的方式直观地表示出来（图1-19）。

（4）柴油机的标定功率 根据柴油机的特性、用途和使用特点而确定的有效功率的最大使用界限称为柴油机的标定功率。目前，我国试行的国家标准中将标定功率分为下述4种，在给定标定功率的同时，必须给出其相应的转速，详见表1-6。

图1-19 柴油机的特性曲线

表1-6 柴油机的功率标准

根据使用特点，生产厂在柴油机铭牌上一般标明上述4种功率中的1～2种。这些标定功率是在柴油机的不同调整状态下得到的，实际使用时，每台柴油机只能根据主要用途进行调整，即只有一种标定功率。

三、柴油机的燃油消耗率

柴油机的燃油消耗率是一个反映柴油机燃油经济性能的重要指标，它反映的是单位时间内每千瓦功率所消耗的燃油量，是一个在试验室里测量计算的相对指标。柴油机的燃油消耗率见表1-7。

表1-7 柴油机的燃油消耗率

由于柴油机的功率不同，其每小时或每100km的耗油量也不同，所以不能用耗油量来衡量不同柴油机的燃料经济性。评价柴油机是否省油的指标是燃油消耗率，此数值越低，说明柴油机的燃料经济性越好。

四、柴油机的配气相位及其含义

1.配气相位的定义

配气相位是用曲轴转角表示的进、排气门的开启时刻和开启延续时间，通常用环形图表示柴油机的配气相位（图1-20）。

2.理论配气相位分析

理论上讲，进气、压缩、做功和排气行程各占180°，也就是说进、排气门都是在上、下止点开闭，延续时间都是180°曲轴转角。但实际表明，理论配气相位对实际工作是很不适应的，它不能满足柴油机对进、排气门的要求，具体原因如下。

①气门的开、闭有个过程。气门开启总是由小到大，关闭总是由大到小。

②气体惯性的影响。随着活塞的运动，气体惯性会造成进气不足、排气不净。

图1-20 柴油机的配气相位

③柴油机速度的要求。实际柴油机曲轴转速很高，活塞每一行程历时都很短。当转速为3000r/min时，一个行程只有60s/（3000×2）=0.01s，即使转速为1500r/min，一个行程也只有0.02s，这样短的进气或排气过程，使柴油机进气不足、排气不净。

可见，理论上的配气相位不能满足柴油机进气充分、排气干净的要求。为了使进气充足、排气干净，除了从结构上进行改进（如增大进、排气管道等）外，还可以从配气相位上实现气门早开晚闭，延长进、排气时间。

（1）气门早开和晚闭的可能 活塞到达进气下止点时，由于进气吸力的存在，气缸内气体压力仍然低于大气压，在大气压的作用下仍能进气；另外，此时进气流还有较大的惯性。由此可见，进气门晚关可以增加进气量。

进气门早开，可使进气一开始就有一个较大的通道面积，可增加进气量。

在做功行程快要结束时，排气门打开，可以利用做功的余压使废气高速冲出气缸，排气量约占50%。排气门早开，势必造成功率损失，但因气压低，损失并不大，而早开可以减少排气所消耗的功，又有利于废气的排出，所以总功率仍是提高的。

根据柴油机排气过程压力特性，活塞到达上止点时，气缸内废气压力仍然高于外界大气压，加之排气气流的惯性，排气门晚关可使废气排得更净一些。

由此可见，气门具有早开和晚关的可能。气门早开和晚关对柴油机实际工作的意义如下。

①进气门早开增大了进气行程开始时气门的开启高度，减小了进气阻力，增加了进气量。

②进气门晚关延长了进气时间，在大气压和气体惯性力的作用下，增加了进气量。

③排气门早开可借助气缸内的高压自行排气，大大减小了排气阻力，使排气干净。

④排气门晚关延长了排气时间，在废气压力和废气惯性力的作用下，使排气干净。

（2）气门重叠 由于进气门早开，排气门晚关，势必造成在同一时间内两个气门同时开启。两个气门同时开启时时间相当的曲轴转角称为气门重叠角。在这段时间内，可燃混合气和废气不会乱串，原因如下：

①进、排气流各自有自己的流动方向和流动惯性，而重叠时间又很短，不至于混乱，即吸入的可燃混合气不会随同废气排出，废气也不会经进气门倒流入进气管，而只能从排气门排出。

②进气门附近有降压作用，有利于进气。

（3）进、排气门的实际开闭时刻和延续时间

①实际进气时刻和延续时间。在排气行程接近终了时，活塞到达上止点前，即曲轴转到离上止点还差一个角度α时，进气门便开始开启，进气行程直到活塞越过下止点后，即曲轴转到离开下止点一个角度β时，进气门才关闭。整个进气过程延续时间相当于曲轴转角180°+α+β。

α为进气提前角，一般α=10°～30°，β为进气延迟角，一般β=40°～80°，所以进气过程曲轴转角为230°～290°。

②实际排气时刻和延续时间。同样，做功行程接近终了时，活塞在下止点前排气门便开始开启，提前开启的角度即排气提前角γ一般为40°～80°，活塞越过下止点后排气门关闭，延迟关闭的角度即排气延迟角δ一般为10°～30°，整个排气过程相当于曲轴转角180°+γ+δ，即曲轴转角为230°～290°。气门重叠角α+δ=20°～60°。

从上面的分析可以看出，实际配气相位和理论配气相位相差很大，实际配气相位中气门要早开晚关主要是为了满足进气充足、排气干净的要求。但实际中，究竟气门什么时候开、什么时候关最好，这主要根据具体车型，经过试验的方法确定，由凸轮轴的形状、位置及配气机构来保证。

五、柴油机的喷油提前角

柴油机的喷油提前角是柴油机燃烧规程中的一个重要参数。喷油提前角的基本含义是在柴油机压缩行程即将结束前，即在活塞即将达到压缩行程上止点前的某个角度（比如5°～30°曲轴转角，具体视柴油机的转速和喷油方式而定，电控高压共轨或单体泵柴油机的喷油提前角相对较小，机械泵柴油机的喷油提前角较大），来自喷油泵的高压燃油经过喷油器喷入气缸，使燃油与燃烧室内的空气充分混合，在活塞达到上止点时，燃烧已经全面开始。这样可以获得最大的燃烧爆发力和良好燃烧效果，进而获得良好的动力。

喷油提前角过大或过小都将对燃烧效果产生不良的影响。喷油提前角过大使气缸内的压缩空气的压力和温度都较低，不利于燃油与空气的混合及燃烧，而且还将导致柴油机工作粗暴、排气冒黑烟、功率不足等。但是，如果喷油提前角过小，则也会导致柴油机的后燃严重，使柴油机整体温度高、排气管烧红、排气冒黑烟、功率不足等。

机械式喷油泵柴油机的喷油提前角一般在13°～30°，由制造厂家根据设计参数确定，不能随意改变。而对于单体泵或电控柴油机，由于喷油时刻和精度大大提高，所以喷油提前角较小，一般在5°～12°，同样由生产厂家根据设计参数确定。

随着柴油机电控技术的发展，喷油提前角的机械调整方法已被电子自动控制取代，因此，电控柴油机的喷油提前角已不可能由人工进行现场调整，只能通过改变ECU参数调整。

六、柴油机的气门间隙

柴油机的气门间隙是指气门杆顶部与摇臂间自由状态下的间隙，其位置图如图1-21所示。

气门间隙是柴油机配气正时的重要参数，是柴油机运行过程中经常需要检查调整的参数。气门间隙不正确，可能导致柴油机动力不足、排气冒黑烟等故障。因此，必须定期对气门间隙进行检查和调整。

①气门间隙过大。进、排气门开启滞后，缩短了进、排气时间，降低了气门的开启高度，改变了正常的配气相位，使柴油机因进气不足、排气不净而功率下降，此外，还使配气机构零件的撞击增加，磨损加快。

②气门间隙过小。柴油机工作后，零件受热膨胀，将气门推开，使气门关闭不严，造成漏气，功率下降，并使气门的密封表面严重积炭或烧坏，甚至可能出现气门撞击活塞的现象。

采用液压挺柱的配气机构不需要留气门间隙，因此也不需要调整气门间隙。

图1-21 柴油机的气门间隙位置图

不同的柴油机，由于设计理念和制造精度等的不同，其气门间隙也是不一样的。因此，在检查调整气门间隙时，一定要参照该机的具体数据进行调整，不能凭经验办事。否则，可能导致柴油机无法正常工作或气门系统噪声很大。

七、柴油机的循环喷油量和喷油压力

（1）柴油机的循环喷油量 柴油机单个气缸每个工作循环的喷油量称为循环喷油量。

对于国产柴油机，喷油泵每个循环的喷油量可以非常容易地获得。而对于进口柴油机，其供油量往往不能获得较为精确的数值。

根据多年来的实践经验，可以通过计算的方法获得柴油机每循环的参考供油量。柴油机在出厂前都要进行台架试验。生产厂家或供应商一般都会提供额定功率、转速、单位功率的耗油量等特定参数曲线（图1-22）。可以用这些特定参数计算出喷油泵每100个循环的参考供油量。计算方法如下：

图1-22 柴油机的外特性曲线

假定每100个循环的供油量为Δh，则有

式中Δh——每100个循环的参考加油量，单位为ml；

ge——柴油机的耗油率，单位为g/kW·h；

γ——燃油密度，对于柴油，γ=0.825g/cm3；

i——气缸数；

Ne——柴油机功率，单位为kW；

n——柴油机转速，单位为r/min。

由上述公式计算出来的循环供油量是理论参考值。实际应用时必须对该油量进行适当修正，修正系数δ为1.10～1.14。因此，实际供油量为

实际供油量=δ×Δh（ml）

实际供油量大于计算供油量的原因是柴油机在实际工作过程中，喷油泵柱塞泵出的燃油绝大部分进入气缸燃烧产生动力，其中一部分经喷油器回油管回到油箱，没有参与燃烧。

（2）喷油器喷油开启压力 为使瞬间喷入气缸的燃油与空气能够迅速混合，要求喷油器的喷油油束射线具有一定的压力和流速。

喷油器的喷油开启压力与柴油机的燃烧室结构有关，分开式燃烧室对喷油压力的要求相对较低，如道依茨BF12L413FW低污染柴油机（涡流室式燃烧室）的喷油器开启压力为12.5～13.3MPa。开式燃烧室对喷油器喷油开启压力的要求较高，如道依茨F12L513风冷柴油机（ω形燃烧室）的喷油器开启压力为23.5～24.3MPa。单体泵和电喷共轨柴油机的喷油器开启压力会更高，可达25.0MPa以上。