多缸四冲程柴油机的排列方式与工作循环

气缸排列形式（见图2-8），顾名思义，是指多气缸内燃机各个气缸排布的形式，直白地说，就是一台发动机上气缸所排出的队列形式。目前主流发动机汽缸排列形式有：直列（L）和V形排列。其他非主流的汽缸排列方式有：W形排列、水平对置发动机（H）、转子发动机（R）。

图2-8 气缸排列形式

直列发动机，一般缩写为L，比如L4就表示直列4缸。直列布局是如今使用最为广泛的气缸排列形式，尤其是在2.5L以下排量的发动机上。这种布局的发动机的所有气缸均是按同一角度并排成一个平面，并且只使用了一个气缸盖，同时其缸体和曲轴的结构也要相对简单，好比气缸们站成了一列纵队。

具体来说，我们常见的大致有L3、L4、L5、L6四款（数字代表气缸数量）。这种布局发动机的优势在于尺寸紧凑，稳定性高，低速转矩特性好并且燃料消耗也较少，当然也意味着制造成本更低。同时，采用直列式气缸布局的发动机体积也比较紧凑，可以适应更灵活的布局，也方便于布置增压器类的装置。但其主要缺点在于发动机本身的功率较低，并不适合配备6缸以上的车型。

所谓V型发动机，简单地说，就是将所有气缸分成两组，把相邻气缸以一定夹角布置在一起（左右两列气缸中心线的夹角γ＜180°），使两组气缸形成一个夹角的平面，从侧面看气缸呈V字形（通常的夹角为60°），故称V型发动机。

与上面介绍的直列布局形式相比，V型发动机缩短了机体的长度和高度，而更低的安装位置可以便于设计师设计出风阻系数更低的车身，同时得益于气缸对向布置，还可抵消一部分振动，使发动机运转更为平顺。例如一些追求舒适平顺驾乘感受的中高级车型，还是在坚持使用大排量V型发动机，而不使用技术更先进的“小排量直列型布局发动机+增压器”的动力组合。概括地说：可以这样理解，发动机气缸采用V型布局，在结构层面上克服了一些传统直列布局的劣势，但同样，精密的设计让制造工艺更复杂，同时由于机体的宽度较大，也不方便安装其他辅助装置。

在上面介绍气缸V型发动机的时候已经提过，V型布局形成的夹角通常为60°（左右两列气缸中心线的夹角γ＜180°），而水平对置发动机的气缸夹角为180°。但是水平对置发动机的制造成本和工艺难度相当高，所以目前世界上只有保时捷和斯巴鲁两个厂商在使用。

水平对置发动机的最大优点是重心低。由于它的气缸为“平放”，不仅降低了汽车的重心，还能让车头设计得又扁又低，这些因素都能增强汽车的行驶稳定性。同时，水平对置的气缸布局是一种对称稳定结构，这使得发动机的运转平顺性比V型发动机更好，运行时的功率损耗也是最小的。当然更低的重心和均衡的分配也为车辆带来了更好的操控性。

那为什么其他厂家没有研发水平对置发动机呢？除了因为水平对置结构较为复杂外，还有如机油润滑等问题很难解决。横置的气缸因为重力的原因，会使机油流到底部，使一边气缸得不到充分的润滑。显然保时捷和斯巴鲁都很好地解决了众多技术难题，但高精度的制造要求也带来了更高的养护成本，并且由于机体较宽，因而并不利于布局。

四冲程柴油机每个工作循环中，只有燃烧膨胀行程才做功，而进气、压缩和排气三个辅助行程不但不做功，而且还消耗一部分功，用来压缩气体和克服进、排气时的阻力。因此，在柴油机运行时，由于各行程中有的获得能量而有的消耗能量，造成转速不均匀，有时加速有时减速。

柴油机运转不均匀，既达不到匀速运转的要求，又使各运动零件在工作过程中受到冲击，引起零件的严重磨损，有时会造成损坏。因此，提高运转的均匀性是柴油机结构上的一个重要问题。

提高柴油机运转均匀性，通常采用两种方法：①在曲轴上安装飞轮；②采用多缸结构形式。

飞轮是一个具有较大转动惯量的圆盘，安装在柴油机的曲轴后端。当柴油机在燃烧膨胀行程中气体压力通过活塞连杆推动曲轴时，也带动飞轮一起转动。此时飞轮将获得的一部分能量“储存”起来。当柴油机运转到其他三个辅助行程时，飞轮便放出所“储存”的能量，使曲轴仍然保持原有的转速，从而大大提高柴油机运转的均匀性。因此，单缸柴油机上必须安装一个尺寸与质量相当大的飞轮，以保证它的正常运转。

由于生产发展的需要，对柴油机功率的增加提出了新的要求，于是就出现了多缸柴油机。多缸柴油机具有两个和两个以上的气缸，各缸的活塞连杆机构都连接在同一根曲轴上。一般常用的多缸柴油机有直列2、4、6缸和V型6、8、12缸等机型，大型船用柴油机还有16缸或更多缸的机型。

在多缸柴油机中，对每个气缸来讲，它是按照前述的单缸柴油机的工作过程进行工作的。但在同一时刻每缸所进行的工作过程却不相同。它们是根据气缸数目和曲柄排列方式的不同、按照一定的着火顺序而工作的。为了保证柴油机运转均匀性和平衡性的要求，对四冲程柴油机，曲轴转动两转（即720°）内，每个气缸都必须完成一个循环。因此，各缸应相隔一定的转角而均匀地着火。若多缸柴油机有i个气缸，则着火间隔角应为

θ=720/i （2-1）

1.四缸柴油机的着火顺序

由式（2-1）可知：四缸柴油机的着火间隔角为180°。各缸的着火顺序可为1-3-4-2，即表示第1缸着火以后，依次以第3、4、2缸的顺序相继着火。

图2-9所示为四缸柴油机曲轴布置图，四缸柴油机的曲轴由四个曲拐构成，各曲拐平面之间的相互夹角为180°。若第1、4缸内的活塞运行到上止点位置时，第一缸进行做功行程，则第四缸进行吸气行程，而第三缸和第二缸分别开始进行压缩行程和排气行程。在曲轴转过180°后，则第二缸和第三缸的活塞处于上止点位置，第三缸开始进入做功行程，第二缸为进气行程。此时一、四缸分别为排气和压缩行程。如此循环，使四个气缸每隔180°曲轴转角，交替进入做功行程推动活塞运动。4135型和4125型柴油机即按此着火顺序工作。根据四缸柴油机曲拐排列的特点，也可按1-2-4-3的着火顺序工作。着火顺序为1-3-4-2的四缸柴油机工作状态见表2-1。着火顺序为1-2-4-3的四缸柴油机工作状态见表2-2。

(www.xing528.com)

图2-9 四缸柴油机曲轴布置图

表2-1 四缸柴油机工作状态（着火顺序：1-3-4-2）

表2-2 四缸柴油机工作状态（着火顺序：1-2-4-3）

2.六缸柴油机的着火顺序

根据式（2-1），对于六缸柴油机的着火间隔角应为120°曲轴转角（见图2-10），各曲拐平面之间的相互夹角也为120°，各缸着火顺序一般为1-5-3-6-2-4（如6135型柴油机等）。这种着火顺序既能保证柴油机有较好的运转均匀性和平衡性，又不使相邻网气缸连续着火，对曲轴主轴承的工作有利。由表2-3可见六缸柴油机的运转均匀性比四缸柴油机更好。因此，六缸柴油机的结构布置是最为常见的柴油机布置方式之一。

图2-10 六缸柴油机的曲拐布置

3.V型六缸柴油机着火顺序

V型六缸柴油机最常见的曲拐布置方式如图2-11所示。其着火间隔角仍为120°，3个曲拐互成120°夹角。着火顺序是R1-L3-R3-L2-R2-L1。面对柴油机的冷却风扇，右列气缸用R表示，由前向后气缸号分别为R1、R2、R3；左列气缸用L表示，气缸号分别为L1、L2和L3。V型六缸柴油机的着火顺序见表2-4。

表2-3 六缸柴油机工作状态（着火顺序：1-5-3-6-2-4）

如果V型夹角的布置不是120°，而是90°或60°或者曲拐的布置也不是互成120°时，其着火间隔角度就不会是均匀的120°，因此，柴油机的着火间隔角度将与曲拐的布置和V型角度有关。

图2-11 V型六缸柴油机最常见的曲拐布置方式

表2-4 V型六缸柴油机的着火顺序（着火顺序：R1-L3-R3-L2-R2-L1）

如果柴油机的V型夹角不是120°，则左右排缸的着火间隔时间（角度）是一样的。