柴油机的结构与工作原理详解

柴油机形式较多，具体结构也不完全一样，但其基本结构是一样的。柴油机的基本结构包括曲柄连杆机构、配气机构、传动机构、燃油供给系统、润滑系统、冷却系统和起动系统。

（1）小型卧式单缸风冷柴油机的结构 卧式单缸风冷柴油机的结构如图1-2所示。

曲柄连杆机构、配气机构和燃油供给系统是柴油机的三大基本部分，它们互相配合，完成柴油机的工作循环，实现能量转换。柴油机在使用过程中，必须对以上各部分予以充分重视，不可忽视任何一个部分，否则，柴油机的正常工作将无法保证，甚至会造成柴油机的严重损坏。

对于现代柴油机而言，在上述基本结构的基础上，通过增加增压系统（提高进气压力）而成为增压柴油机，通过对供油系统的电控化而成为电控柴油机（包括电控供轨柴油机和电控单体泵柴油机）。

图1-2 卧式单缸风冷柴油机的结构

1—油箱开关 2—调速板 3—调速手柄 4—调速弹簧 5—起动齿轮 6—调速轴连接臂 7—输油管 8—进油管接头 9—高压油泵 10—气缸盖 11—气门室 12—油塞系带 13—喷油器 14—回油管 15—消声器 16—减压手柄 17—气门室盖 18—导风罩 19—叶片 20—飞轮固定螺母 21—曲轴 22—飞轮 23—吊环

（2）6L20/27型柴油机的结构 上海新中动力机厂引进德国MAN公司专利技术生产的6L20/27型柴油机，其型号含义表示6缸、直列式、缸径为200mm、行程为270mm。

随着计算机辅助设计的普遍采用，现代测试手段的不断完善，各种高科技产品的大量应用，柴油机在性能上、结构上、用途上都有很大的发展变化，现以6L20/27型柴油机为例说明其结构，如图1-3所示。

柴油机通常由固定部件、运动部件和各辅助系统组成。

1）固定部件，包括机体、气缸盖、气缸套和油底壳（或机座）等。这些零件构成了柴油机骨架，所有运动件和辅助系统都支承或安装在其上面。

2）运动部件，包括活塞、连杆、曲轴、飞轮和扭转减振器等。

图1-3 6L20/27型柴油机的断面图

1—机体 2—机脚 3—油底壳 4—平衡块 5—曲轴 6—连杆 7—活塞 8—仪表板 9—调速器 10—高压油管 11—高压油泵 12—凸轮轴 13—凸轮轴箱 14—喷油器 15—摇臂 16—气阀 17—气缸盖 18—排气管 19—空冷器 20—气缸套

3）辅助系统，包括以下七个部分。

①配气机构与进排气系统，包括进排气阀、摇臂、凸轮轴、定时齿轮、进气管、空气滤清器、排气管等。其作用是定时地吸入新鲜空气（为燃料提供所需要的充足氧气）和排出废气。

②燃料供给与调节系统，包括高压油泵、高压油管、喷油器、燃油泵及调速器等。其作用是定时定量向燃烧室喷入燃油和创造良好的燃烧条件，满足燃烧过程的需要。

③润滑系统，包括机油泵、机油滤清器、机油冷却器、自动调温阀及压力调节阀等。其作用是将机油送到柴油机运动件摩擦副表面，以减少运动件的磨损和摩擦阻力，并带走摩擦产生的热量。(www.xing528.com)

④冷却系统。包括水泵、冷却器（或风扇及散热器）、空冷器和自动调温阀等。其作用是利用冷却介质（水或空气）带走受热零件所吸收的热量，保证零件在高温环境中能正常工作。

⑤起动系统。柴油机的起动方式有人工起动、电起动、压缩空气起动等。起动方式不同，所需的部件也不同。压缩空气起动系统由空气瓶、分配器、起动阀和控制阀等组成；电起动系统由起动电动机、蓄电池、继电器、起动按钮等组成。6L20/27型柴油机采用压缩空气电动机起动，结构简单，起动性能好。

⑥增压系统。主要是由增压器、空冷器及相配的排气管组成。其作用是提高进入气缸的空气压力，从而提高有效功率，采用废气涡轮增压器还可提高效率。

⑦安全监测系统。由各种温度、压力、转速传感器及显示仪表、报警和停车装置等组成。其作用是保证机器的可靠运行。

（3）柴油机的工作原理

1）四行程柴油机。图1-4所示的四个简图，分别表示四行程柴油机四个行程运行的情况和活塞等机件的动作位置。

图1-4 四行程柴油机工作原理

1—进气阀 2—喷油器 3—排气阀 4—连杆 5—曲轴

①第一行程——进气行程。活塞从上止点下行，进气阀1打开，由于气缸容积的增大，使气缸内压力低于大气压力，借助气缸内外压差和活塞下行时的抽吸作用将新鲜空气通过进气阀吸入气缸。

②第二行程——压缩行程。活塞由下止点向上运动，进气阀都处于关闭状态，随着活塞上行，缸内的新鲜空气被压缩，压缩终了时的气体压力可达3～6MPa，温度高达600～700℃；燃油在压缩过程的后期（即点c之前）通过喷油器2射入气缸，并与缸中空气混合，在高温高压下自行发火燃烧。

③第三行程——工作（燃烧及膨胀）行程。在该行程之初，由于燃油强烈燃烧，气缸内的压力温度急剧升高，压力高达5～8MPa（有的高达15MPa），温度高达1400～2000℃，活塞在高温高压燃气的推动下由上止点向下运动而做功，活塞的往复运动通过连杆4变成曲轴5的回转运动。气缸中的温度和压力随气体膨胀而逐渐下降，一直到排气阀3打开，膨胀结束。此时燃气压力降至0.25～0.45MPa，温度降至600～800℃。

④第四行程——排气行程。在工作行程末期，排气阀打开，此时活塞仍在向下移动，废气靠气缸内外压差，经排气阀开始排出气缸，当活塞由下止点向上运动时，废气被活塞完全推出气缸。

在进行了上述四个行程后，柴油机就完成了一个工作循环。当活塞再次下行时，又重复进行每个行程，开始第二次循环。每个工作循环中只有工作行程是做功的，在这个行程里，完成了燃油转变成热能，又从热能转变成机械功的两次能量转换。其他三个行程都是辅助行程，不仅不能向外输出有用功，反而还要消耗功。其他三个行程消耗的能量是由飞轮提供的，即在工作行程时柴油机带动飞轮加速转动，依靠飞轮的惯性，带动柴油机完成其他三个行程。

2）两行程柴油机。两行程柴油机是在两个行程内完成一个工作循环。它没有专门的进气、排气行程，排气与进气是在膨胀行程未及压缩行程之初进行的。新鲜空气由一专设的扫气泵供应，它将空气压入气缸。燃烧后的废气除一部分自由排出外，其余部分被压入的新鲜空气所挤出，这一过程称为换气过程。二行程柴油机的工作过程如下：

①第一行程——扫气及压缩行程。活塞由下止点向上移动，活塞在遮住扫气口之前，扫气空气通过扫气口充入气缸，与此同时缸内废气被扫气空气从排气阀挤出。活塞继续上行遮住扫气口时，排气阀差不多在此时关闭，气缸内的空气开始被压缩，往后与四行程柴油机一样进行压缩和喷油燃烧等。

②第二行程——燃烧、膨胀及排气行程。活塞在燃气的高压作用下由上止点向下运动并对外做功。直到排气阀打开，由于缸内压力较高，大量废气便从排气阀排出。当活塞下行到扫气口打开时，气缸内废气压力已迅速降低，由扫气口进入气缸的空气进一步将废气从排出阀挤出，同时新鲜空气就充满整个气缸，此扫气过程持续到下一行程开始，活塞向上运动又重复另一个循环。