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1、柴油机的能量转换过程燃料的化学能气体压力能机械能一、基本概念1.什么是柴油机？柴油机是以柴油为燃料的将化学能转换为机械能的动力装置。第1页/共56页2.什么叫活塞的死点（或止点）？什么是上死什么叫活塞的死点（或止点）？什么是上死点和下死点？什么是活塞的冲程（行程）？点和下死点？什么是活塞的冲程（行程）？上死点下死点活塞行程S曲轴回转中心曲柄半径R活塞行程S曲柄半径R=2第2页/共56页曲轴旋转时，活塞所能到达的两个极限位置称作活塞的死点；距离曲轴旋转中心最远的称作活塞的上死点；距离曲轴旋转中心最近的称作活塞的下死点；上下死点之间的距离称作活塞的冲程（行程）。第3页/共56页3.什么是气缸压缩容
2、积？工作容积？气缸总容积什么是气缸压缩容积？工作容积？气缸总容积？什么是柴油机的总排量？什么是柴油机的总排量？压缩容积Vc工作容积Vs气缸总容积Va第4页/共56页活塞位于上死点时其顶部与气缸盖底部活塞位于上死点时其顶部与气缸盖底部之间的气缸容积称作之间的气缸容积称作压缩容积压缩容积；活塞从上死点移到下死点所扫过的容积活塞从上死点移到下死点所扫过的容积称作称作工作容积工作容积；活塞位于下死点时其顶部与气缸盖底部活塞位于下死点时其顶部与气缸盖底部之间的气缸容积称作之间的气缸容积称作气缸总容积气缸总容积；所有气缸的工作容积之和称为柴油机的所有气缸的工作容积之和称为柴油机的排量排量。第5页/共56页
3、 气缸压缩容积、工作容积、气缸总容积和总气缸压缩容积、工作容积、气缸总容积和总排量之间的关系：排量之间的关系：气缸总容积Va=压缩容积Vc+工作容积Vs柴油机排量Va=气缸数工作容积VsL第6页/共56页按冲程数分：有四冲程和二冲程。按冲程数分：有四冲程和二冲程。四冲程：曲轴旋转两周完成一个工作循环。四冲程：曲轴旋转两周完成一个工作循环。二冲程：曲轴旋转一周完成一个工作循环。二冲程：曲轴旋转一周完成一个工作循环。按气缸排列方式分：有直列式、按气缸排列方式分：有直列式、V V型、型、W W型和型和星型排列等。星型排列等。按气缸数分：有单缸机和多缸机（二缸和二按气缸数分：有单缸机和多缸机（二缸和二
4、缸以上的）。缸以上的）。二、柴油机分类第7页/共56页按进气方式：有自然吸气、增压和增压中冷。按进气方式：有自然吸气、增压和增压中冷。按冷却介质分：有水冷和风冷柴油机。按冷却介质分：有水冷和风冷柴油机。按转速分：有高速机、中速机和低速机。按转速分：有高速机、中速机和低速机。转速：转速：n n1000r/min 1000r/min 高速机高速机 600r/min600r/minn1000r/min n1000r/min 中速机中速机 n600r/min n600r/min 低速机低速机按用途分：固定用柴油机和移动式柴油机。按用途分：固定用柴油机和移动式柴油机。第8页/共56页三、柴油机主要性能指
5、主要性能动力性能经济性能可靠性排放性能维修性能第9页/共56页转速功率动力性能指标扭矩动力性能指标是用来表征做功能力大小的指标。第10页/共56页功率：在单位时间内柴油机对外输出的有效功，单位为kW。转速：柴油机曲轴每分钟所转动的圈数，单位为r/min。扭矩：柴油机对外输出的有效扭矩转动力矩，单位为Nm Pe=Men/9550(kW)动力性能指标是满足用户的配套需求。第11页/共56页经济性能指标机油消耗率有效热效率经济性能指标表征柴油机的工作使用成本。燃油消耗率第12页/共56页有效热效率：燃料燃烧所产生的热量转换成有效功的百分数。燃油消耗率：柴油机单位时间、单位功率所消耗的燃油量，单位为g
6、/(kWh)。机油消耗率：柴油机单位时间、单位功率所消耗的机油量，单位为g/(kWh)。以上指标是发动机在台架试验中测量考核的指标，与用户的实际情况存在差异，影响的因素也较复杂。第13页/共56页四、四冲程柴油机基本工作原理柴油机一个工作循环由四个工作冲程组成，即：进气冲程压缩冲程做功冲程排气冲程柴油机的连续运转是由无限个工作循环构成。在柴油机四个工作冲程中，只有燃烧做功冲程对外做功，其他三个冲程消耗能量。第14页/共56页吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 排气冲程 180CA180CA180CA180CA进气阀 排气阀 第15页/共56页进气冲程进气冲程 活塞由上止点向下止活塞由上止点向下止点移
7、动，进气阀打开，点移动，进气阀打开，排气阀关闭。排气阀关闭。在柴油机进气冲程中，在柴油机进气冲程中，纯净空气被吸入气缸，纯净空气被吸入气缸，为柴油燃烧提供氧气。为柴油燃烧提供氧气。第16页/共56页压缩冲程压缩冲程 活塞由下止点向上止点活塞由下止点向上止点移动，进气阀和排气阀移动，进气阀和排气阀全部关闭。全部关闭。柴油机压缩比较大，柴油机压缩比较大，压缩终点时气缸内气体压缩终点时气缸内气体压力可高达压力可高达35MPa，温度可达温度可达310340K，为气缸内油气混和与点为气缸内油气混和与点火做好准备。火做好准备。第17页/共56页做功冲程做功冲程 活塞由上止点向下止点活塞由上止点向下止点移动
8、，进气阀和排气阀同移动，进气阀和排气阀同时关闭。时关闭。压缩冲程结束时喷入燃压缩冲程结束时喷入燃烧室内的柴油，与高温高烧室内的柴油，与高温高压气体混和并燃烧。燃气压气体混和并燃烧。燃气受热膨胀，推动活塞下移，受热膨胀，推动活塞下移，对外做功。对外做功。第18页/共56页排气冲程排气冲程 活塞由下止点向上止活塞由下止点向上止点移动，进气阀关闭，点移动，进气阀关闭，排气阀打开。排气阀打开。通过活塞将废气排出通过活塞将废气排出气缸，为下一个工作循气缸，为下一个工作循环做好准备。环做好准备。第19页/共56页五、柴油机的基本组成柴油机的基本组成 机体组件曲柄连杆机构配气机构燃油供给系统润滑系统冷却系统
9、启动系统第20页/共56页（一）机体组件（一）机体组件【功能功能】各机构和系统的装备骨架，并各机构和系统的装备骨架，并作某些系统的组成部分。作某些系统的组成部分。【组成组成】气缸盖、气缸体、曲轴箱、油气缸盖、气缸体、曲轴箱、油底壳等零部件。底壳等零部件。第21页/共56页汽缸体汽缸体曲轴箱曲轴箱WD615柴油机机体第22页/共56页（二）曲柄连杆机构（二）曲柄连杆机构【功能功能】将活塞的往复运动转换为曲轴将活塞的往复运动转换为曲轴的旋转运动，从而实现热能向机械能的的旋转运动，从而实现热能向机械能的转换；曲轴飞轮组还承担着柴油机功率转换；曲轴飞轮组还承担着柴油机功率输出的功能。输出的功能。【组成
10、组成】活塞组、连杆组、曲轴飞轮组。活塞组、连杆组、曲轴飞轮组。第23页/共56页WD615柴油机曲柄连杆飞轮飞轮曲轴曲轴连杆连杆活塞活塞第24页/共56页（三）配气机构（三）配气机构【功能功能】定时向柴油机气缸内提供充足定时向柴油机气缸内提供充足而干净的新鲜空气，并将燃烧后的废气而干净的新鲜空气，并将燃烧后的废气排出气缸体。排出气缸体。【组成组成】进、排气门、摇臂、凸轮轴、进、排气门、摇臂、凸轮轴、正时齿轮、气门挺杆、气门弹簧等。正时齿轮、气门挺杆、气门弹簧等。第25页/共56页曲轴齿轮曲轴齿轮凸轮轴齿轮凸轮轴齿轮中间齿轮中间齿轮喷油泵齿轮喷油泵齿轮机油泵齿轮机油泵齿轮WD615柴油机配气机构
11、（一）第26页/共56页WD615柴油机配气机构（二）挺柱挺柱凸轮轴凸轮轴挺杆挺杆第27页/共56页排气门排气门进气门进气门挺柱挺柱排气门摇臂排气门摇臂进气门摇臂进气门摇臂WD615柴油机配气机构（三）气门调解螺钉气门调解螺钉第28页/共56页（四）燃油供给系统（四）燃油供给系统【功能功能】按照柴油机工作循环所规定的按照柴油机工作循环所规定的时间及柴油机负荷情况，向柴油机气缸时间及柴油机负荷情况，向柴油机气缸内喷入适量的柴油。内喷入适量的柴油。【组成组成】柴油箱、低压油管、输油泵、柴油箱、低压油管、输油泵、滤清器、高压油泵、高压油管及喷油器滤清器、高压油泵、高压油管及喷油器等零部件。等零部件。
12、第29页/共56页高压油泵高压油泵柴滤器柴滤器高压油管高压油管喷油器喷油器低压油管低压油管WD615柴油机燃油供给系第30页/共56页（五）润滑系统（五）润滑系统【功能功能】将清洁的润滑油以一定的压力不间断将清洁的润滑油以一定的压力不间断地送到柴油机各摩擦表面或高温零件冷却表地送到柴油机各摩擦表面或高温零件冷却表面，以减少摩擦阻力和零件的磨损，并带走面，以减少摩擦阻力和零件的磨损，并带走摩擦时产生的热量和金属屑，以及高温零件摩擦时产生的热量和金属屑，以及高温零件所吸收的热量，保证柴油机长期可靠工作。所吸收的热量，保证柴油机长期可靠工作。【组成组成】滑油泵、滑油滤清器、滑油冷却器和滑油泵、滑油滤
13、清器、滑油冷却器和滑油管路等。滑油管路等。第31页/共56页油底壳油底壳机油泵机油泵WD615柴油机润滑系统机油滤清器机油滤清器机油冷却器机油冷却器第32页/共56页（六）冷却系统（六）冷却系统【功能功能】对柴油机的高温零件进行适当对柴油机的高温零件进行适当冷却，以保证其正常的工作温度，这也冷却，以保证其正常的工作温度，这也是保证柴油机长期可靠工作的必要条件是保证柴油机长期可靠工作的必要条件之一。之一。【组成组成】水泵、水箱、散热器及节温器水泵、水箱、散热器及节温器和管路等。和管路等。第33页/共56页水泵水泵节温器节温器风扇风扇进水口进水口出水口出水口WD615柴油机冷却系统出水管出水管第3
14、4页/共56页（七）启动系统（七）启动系统【功能功能】为柴油机的启动提供外部动力，为柴油机的启动提供外部动力，并保证启动的安全性和可靠性。并保证启动的安全性和可靠性。【组成组成】电启动方式：启动钥匙和开关，电启动方式：启动钥匙和开关，启动电源，启动线路和电动马达等。启动电源，启动线路和电动马达等。第35页/共56页发电机发电机起动机起动机WD615柴油机起动系统第36页/共56页（一）柴油机工况（一）柴油机工况 顾名思义，柴油机工况就是指顾名思义，柴油机工况就是指柴油机实际运行的工作状况。柴油机实际运行的工作状况。表征表征内燃机运行工况的参数可由下式给内燃机运行工况的参数可由下式给出：出：Pe
15、Ttqn 式中，式中，Pe为有效功率，为有效功率，Ttq为内燃机转矩，为内燃机转矩，n为内燃机的工作转为内燃机的工作转速。速。六、柴油机的基本特性第37页/共56页 描述工况的三个参数只有两个是描述工况的三个参数只有两个是独立变量，换句话说，当其中任意两个独立变量，换句话说，当其中任意两个参数固定之后，第三个参数就可以通过参数固定之后，第三个参数就可以通过上式求出。比较常用的是用上式求出。比较常用的是用T Ttqtq与与n n或者或者PePe与与n n两组参数来表征内燃机稳定运行两组参数来表征内燃机稳定运行的工况点。的工况点。转速转速n n表示内燃机工作过程进行的表示内燃机工作过程进行的速度快
16、慢，速度快慢，而而TtqTtq或者或者PePe说明内燃机发说明内燃机发出功率或承受负荷能力的大小。出功率或承受负荷能力的大小。第38页/共56页（二）柴油机工况分类（二）柴油机工况分类 内燃机的工作区域取决于内燃机内燃机的工作区域取决于内燃机的用途。用途不同时，工作区域将有很的用途。用途不同时，工作区域将有很大的差异。通常将内燃机工况分为三类：大的差异。通常将内燃机工况分为三类：第一类工况第一类工况：特点是柴油机的功率变特点是柴油机的功率变化时转速几乎保持不变。该工况又称为化时转速几乎保持不变。该工况又称为固定式柴油机工况，如发电用内燃机等。固定式柴油机工况，如发电用内燃机等。此工况属线工况。
17、灌溉用内燃机，除启此工况属线工况。灌溉用内燃机，除启动和过度工况外，在运行过程中负荷与动和过度工况外，在运行过程中负荷与转速基本均保持不变，称为点工况。转速基本均保持不变，称为点工况。第39页/共56页 第二类工况第二类工况：其特点是内燃机的功率其特点是内燃机的功率与转速接近于幂函数关系。当内燃机作与转速接近于幂函数关系。当内燃机作为船用主机驱动螺旋桨时，内燃机所发为船用主机驱动螺旋桨时，内燃机所发出的功率必须螺旋桨吸收的功率相等，出的功率必须螺旋桨吸收的功率相等，而吸收功率又取决于螺旋桨转速的高低，而吸收功率又取决于螺旋桨转速的高低，且与转速成幂函数关系。这样内燃机功且与转速成幂函数关系。这
18、样内燃机功率就呈现一种十分有规律的变化。该类率就呈现一种十分有规律的变化。该类工况常被称为螺旋桨工况或推进工况，工况常被称为螺旋桨工况或推进工况，也属于线工况。也属于线工况。第40页/共56页 第三类工况第三类工况：其特点是功率和转速都其特点是功率和转速都在较大范围内变化，它们之间没有特定在较大范围内变化，它们之间没有特定的关系。汽车及其他陆地运输用内燃机，的关系。汽车及其他陆地运输用内燃机，都属于这种工况。此时，内燃机的转速都属于这种工况。此时，内燃机的转速取决于行驶速度，可以从最低稳定转速取决于行驶速度，可以从最低稳定转速到一直变到最高转速；负荷取决于行驶到一直变到最高转速；负荷取决于行驶
19、阻力，在同一转速下，从零可以变到全阻力，在同一转速下，从零可以变到全负荷。内燃机可能的工作区域就是该种负荷。内燃机可能的工作区域就是该种类型内燃机的实际工作区域，相应的工类型内燃机的实际工作区域，相应的工况区域称为面工况。况区域称为面工况。第41页/共56页第42页/共56页（三）柴油机性能特性（三）柴油机性能特性 所谓柴油机特性，就是指柴所谓柴油机特性，就是指柴油机各性能参数随参数调整或运转油机各性能参数随参数调整或运转工况变化的规律。性能指标随运行工况变化的规律。性能指标随运行工况变化的特性称为工况变化的特性称为性能特性性能特性。用。用来表示特性的曲线叫特性曲线。来表示特性的曲线叫特性曲线
20、。第43页/共56页负荷特性负荷特性-指转速不变时，柴油指转速不变时，柴油机性能指标随负荷而变化的关系，机性能指标随负荷而变化的关系，用曲线的形式表示出来就称为负荷用曲线的形式表示出来就称为负荷特性曲线。驱动发电机、压缩机、特性曲线。驱动发电机、压缩机、风机、水泵等动力装置的内燃机，风机、水泵等动力装置的内燃机，都是按照负荷特性运行的。都是按照负荷特性运行的。第44页/共56页速度特性速度特性-指柴油机在油量调节机指柴油机在油量调节机构（油量调节齿条）保持不变的情况构（油量调节齿条）保持不变的情况下，其主要性能指标随转速的变化关下，其主要性能指标随转速的变化关系。系。当油量控制机构在标定位置时
21、，测当油量控制机构在标定位置时，测得的柴油机速度特性为得的柴油机速度特性为全负荷速度特全负荷速度特性性，简称，简称外特性外特性；油量低于标定位置；油量低于标定位置时的速度特性，称为时的速度特性，称为部分负荷速度特部分负荷速度特性性。第45页/共56页 WD615T1-3A柴油机柴油机1850r/min负荷特性和外速度特性负荷特性和外速度特性柴油机负荷 燃油消耗率第46页/共56页 由于外特性上反映了柴油机由于外特性上反映了柴油机能够达到的最高性能，确定了最大能够达到的最高性能，确定了最大功率、最大扭矩以及对应的转速，功率、最大扭矩以及对应的转速，因而十分重要，所有的发动机出厂因而十分重要，所有
22、的发动机出厂时都必须提供柴油机外特性。时都必须提供柴油机外特性。第47页/共56页万有特性万有特性-柴油机几个主要特性参数柴油机几个主要特性参数之间相互关系的综合特性成为柴油机的之间相互关系的综合特性成为柴油机的万有特性。万有特性。从万有特性上，可以清晰地了解到内燃从万有特性上，可以清晰地了解到内燃机在各种工况下的性能，很容易找出最机在各种工况下的性能，很容易找出最经济的负荷和转速。经济的负荷和转速。在万有特性图上，最内层的等燃油消耗在万有特性图上，最内层的等燃油消耗率相当于内燃机运转的最经济区域，等率相当于内燃机运转的最经济区域，等值曲线越向外，经济性越差。值曲线越向外，经济性越差。第48页
23、/共56页WD615T4柴油机万有特性第49页/共56页 等燃油消耗率曲线的形状与位置对等燃油消耗率曲线的形状与位置对内燃机的实际使用经济性能有重要的影内燃机的实际使用经济性能有重要的影响。响。-如果该曲线的形状在横向上较长，则如果该曲线的形状在横向上较长，则表示内燃机在负荷变化不大而转速变化表示内燃机在负荷变化不大而转速变化较大的情况下工作时，燃油消耗率变化较大的情况下工作时，燃油消耗率变化较小。较小。-如果曲线形状在纵向较长，则表示内如果曲线形状在纵向较长，则表示内燃机在负荷变化较大而转速变化不大的燃机在负荷变化较大而转速变化不大的情况下工作时，油耗率变化较小。情况下工作时，油耗率变化较小
24、。第50页/共56页-对于汽车用内燃机，最经济区域应对于汽车用内燃机，最经济区域应大致在万有特性的中间位置，这样常用大致在万有特性的中间位置，这样常用转速和负荷就可以落在最经济区域内，转速和负荷就可以落在最经济区域内，并希望等燃油消耗率曲线在横向较长。并希望等燃油消耗率曲线在横向较长。-对于拖拉机和工程机械用内燃机，对于拖拉机和工程机械用内燃机，其转速变化范围较小，而负荷变化范围其转速变化范围较小，而负荷变化范围较大，最经济区域应在标定转速附近，较大，最经济区域应在标定转速附近，并沿纵向较长。并沿纵向较长。第51页/共56页潍柴企业标准综合比油耗产生背景 由于工程机械柴油机工况复杂，负荷、转速
25、等变化频繁，负荷特性、外特性及万有特性并不能真实反映发动机在实际使用过程中的耗油量。为统一柴油机经济性评价和性能优化时的依据，有必要建立一套柴油机按实际使用状况下的综合燃油消耗率耗的计量标准。单位时间内，柴油机按配套机械工作要求输出所需动力消耗的燃油量成为综合比油耗。第52页/共56页柴油机综合比油耗的计算依据 计算综合比油耗必须考虑按配套主机计算综合比油耗必须考虑按配套主机对动力的要求。即考虑柴油机工作时的工对动力的要求。即考虑柴油机工作时的工况点和在该工况点的运行时间长短两因素况点和在该工况点的运行时间长短两因素的影响。实际上这两项因素越按柴油机实的影响。实际上这两项因素越按柴油机实际运行
26、情况细化，综合比油耗结果越接近际运行情况细化，综合比油耗结果越接近实际值。但由于工程机械作业情况的复杂实际值。但由于工程机械作业情况的复杂性及匹配从动机的多样性，实际上难以对性及匹配从动机的多样性，实际上难以对上述两影响因素具体进行量化处理，只能上述两影响因素具体进行量化处理，只能用统计数字进行概率计算。对工程机械用用统计数字进行概率计算。对工程机械用发动机，属移动式非公路设备，目前较多发动机，属移动式非公路设备，目前较多采用采用GB/T8190.4-1999GB/T8190.4-1999不同用途发动机不同用途发动机的试验循环的试验循环C1C1循环工况号（右图）代表循环工况号（右图）代表使用状
27、况该标准是移动式非公路用发动使用状况该标准是移动式非公路用发动机排放标准统一化的基础，普遍为人们所机排放标准统一化的基础，普遍为人们所接受。因此按实际运行状况计算的柴油机接受。因此按实际运行状况计算的柴油机综合比油耗也借用了这个标准综合比油耗也借用了这个标准 。第53页/共56页柴油机综合比油耗的计算、测量方法及要求柴油机综合比油耗测量方法柴油机综合比油耗测量方法即要求即要求1.1.试验按工况顺序号进行试验按工况顺序号进行2.2.燃油消耗量按质量法测量，燃油消耗量按质量法测量，试验时间不少于试验时间不少于30s30s，每，每个工况点测量三次，取个工况点测量三次，取平均值平均值3.3.试验误差控
28、制：独立试验试验误差控制：独立试验时转速时转速5r/min;5r/min;扭矩扭矩10Nm;10Nm;4.4.对比试验，应尽可能使各工况点保对比试验，应尽可能使各工况点保持一致，对无法调整的中间转速持一致，对无法调整的中间转速50 r/min.50 r/min.；各工况点扭矩；各工况点扭矩30Nm30Nm柴油机综合比油耗计算公式gew=(Geiki)/(Neiki)式中代号含义：i:工况号1到8.gew：柴油机综合燃油消耗率;g/kWhGei:柴油机各工况点时的小时耗油率；g/hki:柴油机各工况点的加权数，无量纲Nei：柴油机各工况点的功率；kW第54页/共56页WD615T1-3A柴油机综合比测量实例1 1下表是下表是WD615T1-3AWD615T1-3A柴油机的柴油机的C1 8C1 8工况数据工况数据计算计算WD615T1-3AWD615T1-3A柴油机的综合燃油消耗率为柴油机的综合燃油消耗率为223.7g/kWh223.7g/kWh。第55页/共56页感谢您的观看！第56页/共56页