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柴油机基础知识

第一章柴油机基础知识

第一节柴油机概述

内燃机是一种复杂的能量转换机器。

随着技术水平的不断提高，各种类型内燃机的构造及其布置也就各有差异。

往复活塞式内燃机的基本构造，都由下列二个机构和五个系统所组成。

以柴油作燃料,当空气在气缸内受压缩而产生高温，使喷入的柴油自然，燃气膨胀而作功的内燃机，称为柴油机。

我国现生产柴油机的功率覆盖面为2.2—47280KW，柴油机的气缸直径65—900mm，转速5.6—4400r/min。

特点：

易于起动、操作维护方便、结构紧凑、体积小、重量轻、便于运输安装、经济性好、使用范围广，是较理想的动力机械，广泛用作发电、船舶、排灌、汽车、拖拉机和工程机械等动力。

第二节柴油机分类

按照工作循环分类：

二冲程柴油机和四冲程柴油机；

按照气缸数量分类：

单缸柴油机和多缸柴油机；

按照汽缸排列方式分类：

立式、卧式、直列式、斜置式、V形、X形、W形、对置汽缸、对置活塞等；

按照冷却方式分类：

水冷柴油机和风冷柴油机；

按照进气方式分类：

自然吸气式和增压式；增压式可分为：

低增压、中增压、高增压和超高增压等；

按照曲轴转速分类：

高速机、中速机、低速机；

按照用途分类：

固定式、移动式；

第三节柴油机工作原理

按照一定规律，不断地将柴油和空气送入气缸，柴油在气缸内着火燃烧，放出热能，高温高压的燃气推动活塞作功，将热能转化成机械能。

四冲程柴油机的正常运转通过以下四个工作过程来完成;

进气过程:

活塞由上止点移动到下止点，即曲轴的曲柄内0°转到180°（活塞位于第一冲程上止点时，曲轴的曲柄位置定为0°）。

在这个冲程中，进气门打开，新鲜空气被吸入气缸。

压缩过程:

活塞由下止点移动到上止点，即曲柄由180°转到360°。

在这个冲程中，气缸内的气体被压缩;

燃烧膨胀过程（工作过程）:

活塞再由上止点移动到下止点，即曲柄由360°转到540°。

在这个冲程中燃气膨胀做功，所以又称为工作冲程或做功冲程。

排气过程:

活塞再由下止点移动到上止点，即曲柄由540°转到720°。

在这个冲程中排气门打开，燃烧后的废气经排气门排出气缸.

柴油机术语

上止点：

活塞离曲轴中心线最大距离时的位置；

下止点：

活塞离曲轴中心线最小距离时的位置；

活塞行程：

活塞运行在上、下两个止点间的距离；活塞行程等于两倍的曲柄半径长度，即S=2R。

曲柄半径:

曲轴旋转中心到曲柄销中心的距离;

活塞平均速度：

Cm=sn/30（米/秒）；Cm--活塞平均速度S—活塞行程n—转速

燃烧室容积Vc：

活塞位于上止点位置时，活塞顶上面的空间叫燃烧室，这个空间容积叫燃烧室容积；

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；Vh=（∏.D2/4）.S.106（升）；D单位为mm.

气缸总容积Va：

活塞位于下止点位置时，气缸内的容积；Va=Vc+Vh

压缩比：

活塞从下止点移动到上止点时，气体在汽缸内被压缩的程度，即气缸总容积与燃烧室容积的比值；一般柴油机压缩比为12—20；

总排量：

多缸柴油机所有气缸工作容积之和；

指示功Wi:

表示气缸内的气体完成一个工作循环时对活塞所作的功。

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作的指示功Wi，单位为Pa或（N/m2）。

指示功率Pi:

表示单位时间内所作的指示功，单位为kW。

指示燃油消耗率gei:

指示燃油消耗率[单位为g/（kW·h）]表示单位指示功的耗油量，以指示功率每千瓦小时的耗油量表示。

有效功率PS:

从内燃机输出轴上所获得的功率，称为有效功率（单位为kW）。

机械效率ηm:

有效功率和指示功率之比称为机械效率。

输出扭矩Tiq:

内燃机的有效功率，通常是从内燃机输出轴上测得的输出扭矩和转速中计算出来的。

内燃机输出轴的扭转力矩称为输出扭矩Tiq，简称为扭矩，单位为N·m，可由专用的水力或电力测功器测出。

取所测某工况下的转距和转速，应用下列公式计算该工况下的内燃机有效功率Ps（单位为kW）：

Ps=n·Tiq/9550

式中n——内燃机输出轴转速，单位为r/min

平均有效压力pme:

在评价内燃机有效指标时，常用平均有效压力pme，它是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值相对应。

平均有效压力的定义为单位气缸工作容积所发出的有效功。

有效燃油消耗率ge:

单位有效功的耗油量称为有效燃油消耗率，通常以每千瓦小时所消耗的燃料重量来表示，共单位为g／（kW.h）。

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；

1小时功率：

在标准环境条件下，内燃机连续运转l小时的最大有效功率；

12小时功率：

在标难环境条件下，内燃机连续运行12小时的最大有效功率；

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。

15分钟功率是对车用内燃机而言，如汽车、摩托车和摩托艇等在超车或追击时以最高速度行驶，在15分钟内允许以满负荷运行。

在正常行驶过程中，按内燃机标定功率运转。

对车用内燃机，通常以1小时功率为标定功率，15分钟功率作为最大功率，相应的转速为标定转速和最大转速。

汽车经常处在低于标定功率下行驶，因此车用内燃机的标定功率可以标得高一些，以充分发挥内燃机的工作能力。

船用主机、工程机械和机车通常以持续功率为标定功率，1小时功率为最大功率。

船舶在航行时对内燃机的耐久性和可靠性要求很高，使用功率不能标定得太高。

使用功率的标定是一项复杂的工作。

使用功率标定得越高，使用寿命越短。

目前产品使用功率的标定是根据用户的要求和产品的性能，由生产厂标定。

负荷特性：

保持柴油机转速不变，其性能参数随负荷变化的规律；对于用做恒转速的从动机动力时，如发电用柴油机，负荷特性具有重要的使用价值。

速度特性：

保持供油量不变的情况下，柴油机的性能参数随转速变化的关系；供油量保持最大时的速度特性称为全负荷速度特性，又叫做外特性；选择车用和工程机械用柴油机时，着重考虑外特性。

调速特性：

将调速手柄固定在某一位置不动，由调速器自动控制喷油泵齿条的移动，使负荷由零逐渐变到最大，此时柴油机扭矩和功率等参数与转速的变化关系；一般将调速手柄固定在最大功率位置。

螺旋桨特性：

Ne=An3Me=Bn2

式中，比例系数A、B取决于螺旋桨结构、船的航速和水的密度等因素；当发动机按螺旋桨特性工作时，超速3﹪，功率就增加10﹪。

柴油机构造

柴油机主要由以下构造与系统组成：

机体组件：

包括机体、曲轴箱、气缸套、气缸盖等；

曲柄连杆机构：

包括活塞、活塞环、活塞销、连杆、曲轴和飞轮等；

配气机构与进、排气系统：

包括进、排气门组件、推秆、挺柱、凸轮轴、正时齿轮、进、排气管、空滤器等；

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；

润滑系统：

包括机油泵、机油滤清器、压力调节阀、润滑油道等；

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；

起动系统：

包括气启动、电启动；气启动由气马达或分配盘组成，电启动由启动电机、继电器、电瓶、启动按钮及连线组成；

增压系统：

包括增压器、空气中冷器；

第二章主要固定件

第一节机体

机体的功用与结构：

机体是柴油机的主体骨架，它的内、外部安装着柴油机的各种零部件。

机体由气缸盖、气缸体—曲轴箱、油底壳等零部件所组成，它的作用是作为内燃机各机构各系统的装配骨架和分别作为曲柄连构机构、配气机构、冷却和润滑等系统的组成部分。

气缸体的内部有气缸，气缸中有作往复运动的活塞，其顶部有气缸盖，三者密封成燃烧室，燃油就在燃烧室内燃烧，使气体膨胀而推动活塞。

活塞通过连杆与曲轴相连，组成曲柄连杆机构。

曲柄连杆机构的功能是将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动而实现热能转化为机械能。

根据用途不同,潍柴发动机机体结构主要分为:

1、半隧道式（龙门式）,X6170、226B系列柴油机采用该结构；

2、机座式，6160系列柴油机采用该结构；

3、框架式，WD615、618柴油机采用该结构；

WD615气缸体：

根据用途不同可分为：

车用、船用、发电用、工程用气缸体等。

车用：

采用欧II气缸体（612600010373B）或在此基础上变型；带WEVB排气门制动机体（612600010815）；

船用、发电用、部分客车：

612600010988欧II气缸体；

工程用：

可分为左后取力机体（612600010649）、中后取力机体（612600010952）、右后取力机体（612600010669）、工程机械机体（61500010373B）；

根据排放标准不同可分为：

基本型、欧I（61560010096）、欧II气缸体（612600010373B）、欧I后取力气缸体（612600010306）；

欧I与欧II气缸体主要从以下几方面区分：

1、机油冷却器安装位置；

2、欧II气缸盖进水孔数量少两个；

3、欧II机体取消机体与框架之间的套管；

4、增加机体进水口密封胶圈（∮58*3）、机体与水泵通气孔密封胶圈（∮11.3*2.4）。

第二节气缸套

气缸套与气缸盖、活塞共同构成燃烧室。

根据气缸套结构可分为干式和湿式两种；干式缸套壁后较薄，一般在1.5—3.5mm之间，主要用于缸径小于140mm的柴油机；

潍柴生产的WD615、618发动机采用该缸套，缸壁厚度为2mm，缸径126mm。

底孔尺寸∮130H6（+0.025）mm，缸套外径∮130（-0.028+0.010）mm；缸心距150mm。

现用缸套61500010344与缸套61500010319区别在于缸套凸台直径大2mm，（从134.50加大136.50mm）,其它机型为湿式缸套。

气缸套磨损可分为三类：

磨料磨损、熔着磨损、腐蚀磨损；

磨料磨损主要由以下几方面造成，

1、进气不干净；

2、装配时不清洁；

3、燃烧不良造成积炭；

熔着磨损主要是气缸内壁与活塞环受高温或是润滑不良；

腐蚀磨损主要是燃油中含有硫分，以及燃烧的生成物，对缸壁形成酸性类腐蚀，脱离的微粒，又成为磨料磨损，因此腐蚀磨损危害性最大。

第三节气缸盖

气缸盖的主要功用：

1、密封气缸；

2、构成柴油机进、排气通道；

3、控制燃料和空气进入气缸；

第四节曲柄连杆机构

活塞组主要功用：

活塞与气缸套和气缸盖共同围成柴油机的燃烧室，依靠活塞的上下移动使柴油机工作；承受燃气压力，通过连杆带动曲轴旋转；密封气缸、防止燃气泄漏，阻止过多的机油窜入燃烧室；

同一台柴油机所配活塞质量之差不大于10g，应选择同一重量级别的活塞；重量级别分为：

G1、G2、G3、G4、G5；

柴油机机型不同，燃烧室容积和周围尺寸不同，WD61564、68机以及欧I、欧II排放标准的活塞燃烧室容积为87立方厘米，其余为84立方厘米，第一道环槽镶有耐热圈；

安装活塞时，活塞外径与燃烧室凹坑之间窄的一侧朝向高压油泵一侧；

活塞与活塞环配合间隙：

活塞直径125.843---125.857，活塞安装间隙0.121---0.164，磨损极限0.35---0.40；

活塞环开口间隙：

第一道环0.35---0.60，磨损极限1.00，第二道环0.25---0.40，磨损极限1.00，第三道环0.35---0.55，磨损极限1.00；

活塞销安装间隙0.005---0.018，磨损极限0.030，活塞销直径49.994---50.00，销孔直径50.005---50.012；

气环宽度2.978---2.99，凹槽宽度3.06---3.08，配合间隙0.07---0.12，磨损极限0.28；油环宽度3.975---3.99，凹槽宽度4.04—4.06，配合间隙0.05---0.085，磨损极限0.26；

连杆组主要功用：

连接曲轴和活塞，把作用在活塞上的力传给曲轴，将活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动。

连杆上标有质量级别字母，在更换连杆时要特别注意，选择同一组别的连杆替换，同一组连杆质量差为29g；

安装时，连杆大端（连杆和连杆盖组合图中注有标记部位的一侧）朝向高压油泵一侧；连杆螺钉只允许使用一次，更不能用其它螺钉代用；

连杆分为两种：

61500030062（直连杆），61500030009（楔形连杆），现大部分机型都用61500030009连杆；连杆小头底孔尺寸∮55H6（+0.022）mm，衬套孔径∮50.04—50.055mm，活塞销直径49.994-50.00mm，配合间隙0.04-0.06mm，磨损极限0.10mm。

曲轴的主要功用：

将活塞的往复直线运动，通过连杆的作用，转变为曲轴自身的旋转运动，就是将膨胀功转化为扭矩。

在安装曲轴时应特别注意止推片的安装方向，止推片带有凹槽的一面朝向旋转面；

主轴瓦的径向安装间隙应在0.095—0.171mm范围内，磨损极限为0.18mm；轴向间隙应在0.052—0.255mm，磨损极限为0.35mm，主轴径标准尺寸99.970—100.00mm，主轴瓦内径标准尺寸100.095—100.141mm；曲轴底孔尺寸∮108H6（+0.022），连杆轴径标准尺寸81.970—82.00mm，连杆大头孔尺寸∮88H6（+0.022），轴瓦直径标准尺寸82.028—82.050mm，连杆瓦径向安装间隙应在0.28—0.080mm，磨损极限0.10mm；曲轴在修磨后必须再次氮化处理。

飞轮的主要功用：

飞轮具有较大的转动惯量，使曲轴的转速保持均匀。

飞轮的分类是根据用途不同区分的，相应的飞轮壳也随之变动。

第五节配气机构与进、排气系统

配气机构是实现柴油机进、排气过程的控制机构，它的作用是按柴油机的工作次序，定时地打开或关闭气缸的进气门和排气门。

配气机构由进气门、排气门和它们的开启与闭合的控制件与传动件——凸轮轴与正时齿轮、气门挺杆等以及进气管、排气管和空气滤清器、消声器等所组成。

其作用是按工作循环的需要定时地向气缸供应充足的干净新鲜空气（柴油机），并将燃烧后的废气排出气缸。

1、气门组件包括气门、气门导管、气门弹簧和弹簧座及锁紧装置等部件；

气门的功用是控制进排气道的开启和关闭。

分为进气门和排气门两种。

现WD615所用的进气门612600050073或61560050042，排气门612600050025或61560050041，阀杆直径为∮11mm；进气门锥角110°，排气门锥角90°；进气门阀杆标准尺寸10.77—10.95mm，与导管配合间隙0.05—0.086mm，磨损极限0.12mm；排气门阀杆标准尺寸10.79—10.97mm，与导管配合间隙0.03—0.066mm，磨损极限0.12mm。

气门导管的功用是作为气门运动的导向面，保证气门准确地落到气门座上，并传导一部分热量。

现WD615所用气门导管612600040113，导管内径尺寸11.018mm，磨损极限0.100mm；气门导管高出量22mm。

气门弹簧的功用是保证气门和气门座紧密密封，并防止气门在开启过程中，因气门、挺柱、推杆等运动件的惯性力而产生彼此脱开现象。

现WD615所用进排气门内外弹簧相同，内弹簧61500050001，外弹簧61500050002，排气门弹簧带弹簧下座61500040014，气门锁夹61500050025、弹簧上座61500050109、气门杆密封套612600040114相同。

2、气门驱动机构包括凸轮轴、挺柱、推杆和气门摇臂等。

凸轮轴的功用是控制气门的运动，并使其按一定的工作次序和时间开启。

凸轮轴612600050085，轴径尺寸59.94—59.97mm，轴套尺寸60.01—60.06mm，径向配合间隙0.04—0.12mm，轴向间隙0.1--0.4mm；轴套底孔尺寸∮65H7（+0.03），轴套外径∮65（+0.087-0.107），进气凸轮高度50.481±0.1mm，排气凸轮高度49.492±0.1mm；在安装轴套时，油孔位置应在水平面以上18°处。

挺柱和推杆的作用是把凸轮轴的运动传到气门机构去，以控制气门的开闭。

挺柱61500050032，挺柱底孔直径38.00-38.039mm，外径37.95-37.975mm；推杆81500050070。

欧I柴油机614050058C气门推杆总成换装不带凹槽的气门推杆凹头，用以明显区分欧I、欧II柴油机的气门推杆总成。

摇臂的作用是改变推杆的运动方向，驱动气门开闭。

摇臂比一般在1.2-1.6左右，摇臂孔直径23.972-23.993mm，摇臂轴直径23.927-23.960mm，配合间隙0.012-0.066mm，进气摇臂614050048，排气摇臂614050049，摇臂座614050119。

进排气系统包括进气管、空气滤清器、排气管；排气管可分为干式和水套排气管两种。

第六节燃油供给与调节系统

燃油供给与调节系统的作用是根据柴油机工作过程的需要，定时、定量、定压、依次地向燃烧室输送雾化良好的柴油。

柴油机燃油供给系一般由低压油路和高压油路两部分所组成。

低压管路由输油泵促成柴油从油箱流向柴油滤清器后压入喷油泵。

高压油路由喷油泵在一定的时刻建立高压油随后将高压油压入喷油器，再以雾状喷入燃烧室。

第七节润滑系统

润滑系的主要作用是将洁净的润滑油，以一定压力不间断地送入内燃机各摩擦副的摩擦表面，以减少其摩擦阻力和磨损，并带走摩擦时所产生的热量和金属磨屑，保证运动零件的工作可靠性和耐久性。

润滑系一般由机油泵将油底壳里的润滑油抽吸上来，通过集滤器和滤清器得到滤清后再经冷却器冷却，最后通过管道输送到各摩擦表面。

主要作用是减磨、冷却、清洗、密封、防锈。

润滑系统包括机油泵、滤清器、冷却器、压力阀、冷却喷嘴、集油器等；WD615现用机油泵AZ1500070021A（48mm加宽机油泵），滤清器61000070005，冷却器61500010334（八片），主油道压力阀AZ1500070097，冷却喷嘴61560010090、612600010659。

第八节冷却系统

冷却系统的作用就是利用冷却介质（空气或水）对柴油机进行适当冷却，保证零件在允许的温度条件下工作。

根据冷却方式可分为水冷和风冷；水冷分为闭式循环、开式循环两种。

风冷式内燃机的冷却系比较简单，小功率风冷机（如摩托车用）只用气缸体和气缸盖上的散热片来冷却；对于一些多缸大功率风冷机还须配备风扇和导风罩以加强冷却效果。

水冷式内燃机的冷却系通常比较复杂，常用水泵造成冷却水的强制循环，冷却水从散热水箱中被水泵抽吸出来压入内燃机的冷却水套，然后由回水管流回散热水箱。

为了加强散热水箱的冷却作用，常用风扇加强气流运动。

此外，为了保持内燃机的正常冷却强度，还配备了一套调温装置。

冷却系统包括水泵、散热水箱、风扇、节温器、水管等；

散热器：

车用散热器由整车厂配装，部分工程机械由潍柴配装。

第九节起动系统

利用足够的外力矩，克服各机件运动时所产生的摩擦阻力矩，并使曲轴加速，实现发动机起动。

常用的起动方式分为：

人力起动、压缩空气起动（分配盘起动和气马达起动）、电动机起动；潍柴产品常用压缩空气起动和电动机起动。

第一十节增压系统

增压系统是由增压器、空气中冷器等所组成，其作用是使进气压力增高，从而提高柴油机的有效功率。

第二章柴油机的调整

第一节配气相位的调整

机型

进气

排气

开（上止点前）

关（下止点后）

开（下止点前）

关（上止点后）

6160系列（增压）

57±5°

40±5°

46±5°

48±5°

6160系列（非增压）

16±5°

40±5°

46±5°

10±5°

6170系列

45.5°

40.5°

60.5°

45.5°

226B系列

0°45′

8°15′

32°45′

0°15′

WD615系列

34-39°

61-67°

76-81°

26-34°

WD618（四气门）

3°

25°

37°

11°

WD618（二气门）

2°

26°

49°

5°

第二节气门间隙的调整

机型

进气门间隙

排气门间隙

6160系列（增压）

0.35±0.06mm

0.35±0.06mm

6170系列

0.40±0.05mm

0.50±0.05mm

WD615系列

0.30mm

0.40mm

226B系列

0.20mm

0.30mm

WD618（四气门）

0.40mm

0.60mm

WD618（二气门）

0.35mm

0.40mm

第三节喷油压力的调整

机型

喷油压力

调整方法

6160系列250PS以下

19.6Mp

调节螺钉

6160系列

24.5Mp

调整垫片

6170系列

29.40Mp

调整垫片

WD615系列

22.05Mp

调整垫片

WD615系列（欧II）

29.40Mp

调整垫片

WD618系列

24.5Mp

调整垫片

WD618系列（欧II）

29.40Mp

调整垫片

226B系列

19.6Mp

调整垫片

226B系列（欧II）

24.5Mp

调整垫片

第四节供油提前角的调整

见第一章第六节燃油供给及调整系统。

第五节气门间隙调整次序

气缸工作状态

1缸

2缸

3缸

4缸

5缸

6缸

第一缸压缩行程

进、排气门

进气门

排气门

进气门

排气门

不能调整

第一缸压缩行程

不能调整

排气门

进气门

排气门

进气门

进、排气门

第三章WD615柴油机故障诊断与排除

第一节柴油机不能顺利起动

一、柴油机可正常转动，但无爆发声，排气口无烟；

1、油箱无油或开关未打开；

2、停车手柄在停车位置或油门没在起动位置；

3、燃油低压油路中有空气或堵塞；

4、输油泵不工作；

5、喷油器不喷油；

6、高压油泵不供油等；

针对以上故障采用相应措施排除。

二、柴油机排气口少量排烟或大量冒白烟不能起动；

1、检查空滤器及连接胶管是否堵塞或吸瘪，检查排气制动阀是否处于完全开启状态；

2、检查低压油管溢流阀密封情况；

3、检查供油提前角是否过迟；

4、检查气门间隙是否在要求范围内；

5、柴油中含有大量水分或柴滤器内水分过多；

6、检查喷油器开启压力和雾化情况；

7、检查高压油泵调速器；

8、检查气缸压力；

针对以上故障采用相应措施排除。

第二节柴油机运行中突然熄火

一、运行中渐渐无力，缓慢熄火；

1、燃油箱内燃油是否用尽，通气孔是否畅通；

2、检查低压油路是否供油不畅或进入空气；

二、运行中突然熄火；

1、检查高压油泵与传动轴的联结是否可靠；

2、弹性连接片是否破裂；

3、检查柴油机曲轴的转动情况；

4、检查高压油泵是否断轴、滚键；

针对以上故障采用相应措施排除。

第三节柴油机转速不稳定，游车

1、燃油低压管路有空气；

2、调速器内部机油太多，或太稠；

3、高压油泵供油拉杆，齿圈与齿条之间运动不灵活；

4、调速器调节弹簧失效，或各铰接部位磨损或发卡；

针对以上故障采用相应措施排除。

第四节柴油机工作无力

一、柴油机运转平稳，排烟少，无高速；

1、主机操纵机构不能将柴油机油门推拉到位；

2、燃油系统低压油路供油不畅；

3、冒烟限制器故障；

4、喷油器密封不严，有泄漏；

5、高压油泵柱塞偶件磨损，出油阀密封不严等；

针对以上故障采用相应措施排除。

二、机器运转不均匀、无力、但排烟正常；

1、高压油管破裂或漏油；

2、个别缸的喷油器针阀卡死，喷孔堵塞；