毕业论文柴油曲轴受力图

柴油机（内燃机）的工作原理

柴油发动机工作时，活塞在汽缸内往复运动，进行着进气、压缩、作功和排气4个工作行程，如图3-4所示。图中如果活塞往复两次，即曲轴转两圈完成这个过程，这种柴油发动机称为四冲程柴油机；若活塞往复1次，即曲轴转1圈，完成这4个过程，这种柴油机称二冲程柴油机。农用车所用的柴油机都是四冲程柴油机。

图3-4 柴油机工作原理示意图

（a）进气行程 （b）压缩行程 （c）作功行程 （d）排气行程 1.喷油器 2.高压油管 3.喷油泵 4.燃烧室

（1）进气行程

由于曲轴的旋转，通过连杆使活塞在汽缸内从上止点向下止点运动，这时排气门关闭，进气门打开。进气过程开始时，活塞位于上止点，汽缸内残存有上一循环未排净的废气，因此，汽缸内的压力稍高于大气压力。随着活塞下移，汽缸内容积增大，压力减小，当压力低于大气压时，在汽缸内产生真空吸力，新鲜空气通过进气门被吸入汽缸内，直至活塞向下运动到下止点。整个进气过程曲轴转半圈。对进气过程的要求是进气要充分，进气量越多越好。

（2）压缩行程

曲轴继续旋转，活塞从下止点向上止点运动，这时进气门和排气门都关闭，汽缸内形成封闭容积，随着活塞的上移，压力和温度不断升高。压缩过程要求气门关闭要严，汽缸和活塞环之间的密封性要好，不漏气。

（3）作功行程

当压缩行程接近终了时，柴油经过高压喷油泵和喷油嘴，呈雾状与空气很快混合，形成可燃混合气，喷入有高压、高温气体的汽缸内，立即燃烧放出大量的热，使汽缸内的压力和温度急剧上升。此时，进、排气门关闭，高温高压的气体急剧膨胀，推动活塞从上止点向下止点移动，通过连杆使曲轴作旋转运动，对外作功。

（4）排气行程

在飞轮惯性力作用下，旋转的曲轴带动连杆活塞从下止点向上止点运动，这时进气门关闭，排气门打开。由于废气压力高于外界大气压，同时在活塞的推动下，将工作废气从排气门排出。

排气行程结束，即活塞到达上止点后，曲轴继续旋转，活塞又开始从上止点向下止点运动，开始下一个进气行程。柴油机每进行一次进气—压缩—作功—排气的过程，叫做一个工作循环。在这个循环中，曲轴转了2圈，经历了4个行程，所以称这种柴油机为四冲程柴油机。在柴油机的一个工作循环中，只有1个（作功）行程是由活塞带动曲轴旋转来作功的，其他3个行程都是为作功做准备的，需要由曲轴带动活塞运动。

单缸柴油机的曲轴转两圈只有半圈作功，所以会产生较大的振动，曲轴旋转也不平衡。

多缸柴油机是指两个缸以上的柴油机。多缸柴油机的功率大，实际上是用一根曲轴将若干个单缸柴油机组合起来，并将各缸的工作行程按一定的顺序排列，这样在每一工作循环的两圈中，就有相互交替的多次作功，各缸的离心力和惯性力可以互相抵消或减弱，使得柴油机振动减小，运转平稳。

四轮农用车最常用的四缸四冲程柴油机就是由4个缸组成，除曲轴和飞轮为4个缸共有外，其余构造与单缸四冲程柴油机基本相同。各缸的活塞连杆组都与曲轴相连，每一个缸都按照进气、压缩、作功、排气完成工作循环。曲轴每转两圈（720°），各缸都完成一个工作循环，为保证转速均匀，各缸的作功行程都均匀地分布在720°的曲轴转角内，即每隔720°/4=180°就有一个缸作功。四缸四冲程柴油机各缸的作功次序常采用1—3—4—2或1—2—4—3，其工作过程见表3-4。

表3-4 四缸四冲程柴油发动机工作次序

除常用的单缸和四缸柴油机外，农用车上也有用二缸四冲程柴油机和三缸四冲程柴油机的，二缸四冲程柴油机的工作次序为1—2—0—0或1—0—0—2；三缸四冲程柴油机的工作顺序一般为1—3—2或1—2—3，每个缸作功的相互间隔角度为240°。

曲柄连杆机构的作用是提供燃烧场所，把燃料燃烧后气体作用在活塞顶上的膨胀压力转变为曲轴旋转的转矩，不断输出动力。曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动零件。

柴油机的主要机构组件一般包括：机体、曲柄连杆机构、配气机构、燃油系统、润滑系统、冷却系统、电器系统。1、机体：是柴油机的骨架，由它来支撑和安装其它部件，包括：缸体、缸套、缸盖、缸垫、油底壳、飞轮壳、正时齿轮壳、前后脚。2、曲柄连杆机构：是柴油机的主要运动件，它可以把燃料燃烧产生的能量，通过活塞，活塞销，连杆，曲轴、飞轮转变成机械能传出去。包括曲轴、连杆、活塞、活塞销、活塞销卡簧、活塞销衬套、活塞环、主轴瓦、连杆瓦、止推轴承、曲轴前后油封、飞轮、减震器等。3、配气机构：是定时把进、排气门开启和关闭。包括正时齿轮、凸轮轴、挺座、顶杆、摇臂、气门、气门弹簧、气门座圈、气门导管、气门锁块、进排气管、空气滤清器、消音器、增压器等。4、燃油供给系：是按柴油机的需要，定时、定量的把柴油供给燃烧室燃烧。包括柴油箱、输油管、柴油滤清器、喷油泵、喷油器等。5、润滑系：是把润滑油供给各运动摩擦副，包括机油泵、机油滤清器、调压阀、管路、仪表、机油冷却器等。6、冷却系：是把柴油机工作时产生的热量散发给大气。包括水箱、水泵、风扇、水管、节温器、水滤器、风扇皮带、水温表等。7、电器：是启动、照明、监测、操作的辅助设备。包括发电机、启动马达、电瓶、继电器、开关、线路等。原理：普通柴油机的是由发动机凸轮轴驱动，借助于高压油泵将柴油输送到各缸燃油室。这种供油方式要随发动机转速的变化而变化，做不到各种转速下的最佳供油量。而现在已经愈来愈普遍采用的电控柴油机的共轨喷射式系统可以较好解决了这个问题。共轨喷射式供油系统由高压油泵、公共供油管、喷油器、电控单元（ECU）和一些管道压力传感器组成，系统中的每一个喷油器通过各自的高压油管与公共供油管相连，公共供油管对喷油器起到液力蓄压作用。工作时，高压油泵以高压将燃油输送到公共供油管，高压油泵、压力传感器和ECU组成闭环工作，对公共供油管内的油压实现精确控制，彻底改变了供油压力随发动机转速变化的现象。主要特点有以下三个方面：1．喷油正时与燃油计量完全分开，喷油压力和喷油过程由ECU适时控制。2．可依据发动机工作状况去调整各缸喷油压力，喷油始点、持续时间，从而追求喷油的最佳控制点。3．能实现很高的喷油压力，并能实现柴油的预喷射。

柴油发动机——可以说是进入21世纪以来，全球汽车市场最热门的话题之一。并且随着油价的不断攀升，柴油发动机省油的特性，令其在市场上倍受关注。柴油发动机，在国内市场，并不为普通民众所熟悉。柴油发动机由于排放不清洁而受到法规的限制，因此在国内某些大城市，如首都北京禁止小型柴油轿车上牌，其他很多地方也只能见到使用柴油发动机的卡车和大客车等。然而在我国对柴油小车采取限制的同时，柴油发动机省油、低转速扭矩输出大的特性，一直为国际车厂所喜欢，也成为都市生活最合适的动力系统选择。在经过数十年的研发之后，国际车厂已开发出各方面均不逊于汽油发动机的产品，使其不论在性能、排放等方面，均与汽油发动机平分秋色。 而在柴油炼制成本较低的情形之下，柴油发动机更是受到先进国家消费者的喜爱，甚至连高价位的豪华车，亦纷纷搭载柴油发动机，其表现之优异可见一斑。随着时代的进步，技术的发展，也是实际的需要所致，限制柴油汽车的相关法规，也正在逐渐修改完善，令柴油车可以在汽车市场中施以长计。究竟柴油发动机与汽油发动机之间有什么不同呢？内燃机的崛起在机械工程学的定义中，凡利用热能而产生动力的机械，统称为热机(Heat Engine)。而热机又分为内燃机与外燃机两大类，燃料在热机内部燃烧产生热能，再将热能转变为机械动力者，皆称为内燃机，如汽油发动机、柴油发动机、燃气涡轮发动机等。而燃料在热机外燃烧者称为外燃机，如蒸气机。在一般常见的发动机中，又分为利用点火器(如火花塞)点火的火花点火(SI)发动机，及利用高压高温空气使燃料燃烧的压缩点火(CI)发动机。汽油发动机属于火花点火发动机，柴油发动机则属压缩点火发动机。十八世纪末期，瓦特(James Watt)发明了蒸气机促使了英国第一次的工业革命，也改变了人类的生活方式，使人们由自身劳力或畜力转而利用机械动力。一百年后(1876年)，德国人奥图(Nikolaus Otto)发明了第一具四冲程内燃发动机，随后(1887年)，戴姆勒(Daimler)将四冲程发动机成功应用于汽车上。公元1892年，德国工程师狄赛尔(Rudolf Diesel)发明了燃烧效率较高的非火花点火发动机，并取得专利，这是内燃机发展的一个新里程碑。柴油发动机的发展在奥图发明了第一台四冲程内燃发动机后，当时许多工程师都致力于内燃机的发展，但是多以火花点火发动机为发展方向，如梅赛德斯-奔驰的创办人戴姆勒，正是将汽油发动机应用于车辆的始祖。但由于当时点火装置技术并不成熟，狄赛尔便以空气压缩使温度升高的理论，朝向压缩点火方向发展内燃机技术。也就是先将气缸内的空气压缩至高温，再将燃料注入燃烧室，燃料因高温高压而自燃，产生发动机所需动力柴油发动机之父——狄赛尔(Rudolf Diesel)另辟蹊径，在奥图循环发动机之外，开创了柴油发动机的新世界! 由于要将空气加热至燃料的燃点温度，需要极大的压力，当时的燃油——汽油在如此高温高压下，会产生猛烈的爆震，所以狄赛尔必须发展不同的燃油，他甚至曾经尝试使用植物油，而最后选定了当时最不受重视的柴油。柴油因不易点燃不能作为火花点火发动机燃料，并且柴油点燃后会产生黑烟，也不能像煤油般作为照明燃料，所以在那时不受重视。但是柴油稳定不易爆震的特性，正好可作为压缩点火发动机使用。经过将近二十年的研发，第一具压缩点火发动机于1892年问世，同年，狄赛尔也取得此项技术专利。由于狄赛尔的柴油发动机在发展初期技术尚未成熟，尽管它有不错的热效率及省油特性，在当时却很难与技术已经成熟的汽油发动机竞争。然而狄赛尔却仍将它推入市场中，导致他销售的20台柴油发动机一一招致退货，并且在往后一段时间，人们都无法接受柴油发动机。而失意的狄赛尔也于1913年10月29日投海自尽。柴油发动机在沉寂了一段时间后，美国Cummins公司在1924年时，将供油喷射泵应用于柴油发动机上，解决了当时狄赛尔以高压空气供油方式的不稳定运转，并首度将柴油发动机装于卡车上，奠定了车辆使用柴油发动机的基础。1936年，柴油发动机也搭载于梅赛德斯-奔驰260D，这也是柴油发动机首次应用于轿车。替代能源前合适的过渡方案柴油发动机由于动力大而且省油，但早期因噪音及黑烟的排放，所以多为大型车辆及工程机械所使用。而柴油发动机正因扭矩大而省油的特性，也让欧洲许多车厂致力改进以适用于小型车辆上。在共轨直喷与可精确供油的压电式喷嘴技术成熟后，柴油发动机更适合小行车使用。在寻求替代能源的现今，柴油发动机虽不是终极的方案，但是柴油发动机的省油特性，可作为十分合适的过渡方案。● 柴油发动机分为二冲程与四冲程有别于汽油的火花点火(SI)发动机，柴油发动机为压缩点火(CI)发动机。与汽油发动机一样，柴油发动机依其运转方式可分为四冲程与二冲程发动机。二冲程柴油发动机可能大家较为陌生，但是当过装甲兵的读者，对于坦克装甲车上使用的八缸二冲程柴油发动机，应该会有点印象。用在一般车辆上的柴油发动机，还是以四冲程居多，以下内容还是以介绍四冲程柴油发动机运作原理为主。四冲程柴油发动机的运作原理柴油发动机以压缩点火的方式，利用空气的高温点燃柴油，产生动力。 进气行程排气门关闭而进气门打开。当活塞从上止点往下行时，仅有在进气歧管中的空气经由进气门被吸入气缸中，此时并没有燃油进入气缸内。压缩行程在进气行程结束后，并当活塞从下止点开始往上走时，进气门即关闭并停止进气。在活塞上升的同时压力和温度便开始增加。在柴油发动机中，空气必需被压缩加热，直至它到达点火温度以上。做功行程当压缩行程接近终了时，喷油嘴将燃油以雾化方式喷出，经压缩加热后之空气即会点燃被雾化的燃油。在此结果下，气缸内的压力将迅速上升并将活塞往下推，此推力变成让曲轴产生转动的力量。排气行程在燃烧过程结束后，并当活塞往下走接近下止点时，排气门即会开启。当活塞再度往上行时，废气便经由排气门、排气歧管和消音器将废气排出。● 高压缩比与压缩点火奥迪的柴油技术也非常成熟，其TDI涡轮增压柴油发动机具有动力强大、省油和排放清洁的众多优点。 柴油发动机在机构组件方面，非常类似于汽油发动机的，但是汽油发动机主要是靠火花塞来点燃混合气，而柴油发动机则是纯粹导入空气并经过高压缩比(16～23:1)的气缸容积来压缩空气，使所压缩的空气其温度迅速上升超过500℃，然后经由喷油嘴将柴油注入加以雾化，之后藉由已被压缩的空气所产生的高温来自行点燃雾化的柴油。因此柴油发动机不需使用点火系统，但它仍需要喷射泵和喷油嘴所组成的燃油喷射系统。为什么可以靠压缩空气来点燃油气，而不需要火花塞呢？原因是当空气分子被导入气缸压缩后，空气中分子受到互相冲撞与摩擦，因而使分子移动速度迅速增加。空气分子加速表示已从外部吸收了能量，造成温度上升。然而要使气缸内空气达到能够点燃柴油温度，是需要很高压缩比的，所以高压缩比是柴油发动机必备的一大特性。柴油发动机与汽油发动机的应用与发展，至今已有一个多世纪之久，两种发动机各有其市场，也各有其应用领域。一般来说，柴油发动机因为它所产生的动力较大，而运转度较低，多半应用于船舶、重型车辆及大型机械；而汽油发动机因其体积与重量小，运转精致且适合高速运转，可应用于轿车、割草机等小型机械及小型螺旋桨飞机等。主流的四冲程柴油发动机（图右）与四冲程汽油发动机（图左）的设计类似，主要差别在于压缩点火与火花塞点火。新一代的柴油发动机大多采用共轨直喷技术，而汽油发动机则朝向缸内燃油直喷的方向发展。 由于柴油发动机技术不断更新，越来越多轿车及商旅车采用小排气量的柴油发动机，到底柴油发动机车与汽油发动机车有什么不同呢？以下将就其机械特性与行驶特性对柴油和汽油发动机做比较，而柴油发动机以目前广泛应用于小型车的共轨直喷发动机为比较对象。● 机械特性柴油发动机与汽油发动机在机械特性上的差异 汽油发动机柴油发动机（共轨直喷型）燃油汽油、液化石油气柴油进气混合气/纯空气纯空气点火方式火花点火（火花塞）压缩点火压缩比6～11：116～23：1负载控制控制混合比控制燃油量空燃比13～17（混合比浓度）16：1以上（空气超过燃油的稀薄燃烧）燃烧压力50～70bar60～90bar热效率25～30%35～40%燃料雾化利用真空或高压喷嘴使汽油雾化使用高压喷嘴使柴油雾化燃料特性燃点越高越好燃点越低越好燃烧过程混合燃烧（火焰传播）扩张燃烧火焰最高转速7500rpm以上4500rpm左右废气温度高低发动机重量轻重前面我们为您详细介绍了柴油发动机的历史、发展以及其工作基本原理，接下来我们将深入介绍柴油发动机的供油系统，包括直接喷射 VS 间接喷射及柱塞式喷射泵系统 VS 共轨式喷射系统。● 各种柴油系统比较：直接喷射 VS 间接喷射各种不同形式的柴油发动机除排气量的不同外，最大的差别在于其燃烧室及供油系统设计。柴油发动机依燃烧室设计不同，可分为直接喷射(DI)式及间接喷射(IDI)式两种，间接喷射又可分为预燃室型与涡流式型两大类。直接喷射式：直接喷射发动机的缸头燃烧室设计是平的，主燃烧室位于活塞上端锻造成的特殊的凹陷空间内，并经过处于凹洞中央处的多孔型喷油嘴来完成迅速将燃油喷的之目的。直接喷射式柴油发动机将燃油直接注入气缸中优点：燃烧室构造简单且表面积较小，热损失和耗油率低；缸头构造简单，受热变形机会小；发动机启动容易且不需预热塞；燃烧室表面积的容积率小，冷却损失亦小。缺点：对燃油的可燃性级数的要求较高；需要较高的燃油喷射压力；使用的多孔型喷油嘴价格较高；喷油嘴微小的衰退会大大影响发动机的性能；因其气流涡动较弱，空气的使用率较差，不适合在高转速运作。预燃室型间接喷射：预燃室位于主燃烧室上方，在燃烧冲程前期，喷油嘴将燃油喷入预燃室中产生局部燃烧，因而产生高温高压气体。随此压力，剩余的燃油经喷油嘴的油孔喷出并进入主燃烧室中，然后与涡动的空气混合来完全燃烧。预燃室型发动机，它的燃烧过程分两阶段完成，差别是在燃油与空气的混合是利用从预燃室所喷出的气流来完成。预燃式型间接喷射柴油发动机，先在预燃室内点火，再点燃主燃烧室优点：因燃油喷射压力相对较低(80~150bar)，燃油系统故障较率低且寿命较长；对燃油可燃性级数要求较低；运行较宁静且不易发生爆震；空气与燃油的混合状况较佳。缺点：缸头构造复杂；因预燃室的表面积容量大，所以冷却损失亦较大；发动机启动困难且需预热系统；需较大启动扭力，也就是需要高功率的启动马达；耗油率较直接喷射式更高。涡流型间接喷射：涡流型在压缩冲程期间，空气流入涡流室，当燃油喷入时会产生强大的涡动效果，然后到达燃烧室。燃油点燃是借着喷入涡流室的燃油与空气混合时产生强烈的循环而发生。在预燃室型式中，燃油仅局部被点燃，但在涡论室型式中，所有的燃油均被点燃。因此，涡流室的容积占整个燃烧室容积的70~80%以上。涡流室型式的燃烧特性介于直接喷射式与预燃室型式之间。涡流型间接喷射是介于直接喷射和预燃室型间接喷射之间的设计优点：燃油与空气之混合状况较佳，发动机转速与平均有效压力可提升；具更低的喷射压力；因发动机的转速范围更广，发动机运转更平顺。缺点：缸头构造复杂；热效率较直接喷射式低；在低速时容易发生爆震；在发动机启动期间需要预热塞。各种柴油系统比较：柱塞式喷射泵系统 VS 共轨式喷射系统柴油发动机的燃烧方式是将燃油喷入燃烧室中，并于燃烧室中之空气混合来产生自燃。因此，为达最大性能与平稳运行的情况，必须有适当的喷油量与喷油时机。同时，在喷入燃油之时必须要让燃油以雾化形式来喷出以获取平顺的燃烧效果。简单的说，柴油发动机的供油系统必须在喷油量、喷油时间及燃油雾化三方面有准确的控制。下面我们将介绍柱塞式喷射泵系统及共轨式喷射系统这两种不同柴油发动机之供油系统。柱塞式喷射泵系统：柱塞式喷射泵系统为传统柴油发动机所采用之供油系统，因为其制造技术成熟成本低，目前仍广为中大型柴油发动机采用。其运行方式是由供油泵将燃油自油箱吸至喷射泵内，喷射泵内有一凸轮轴，凸轮轴由发动机传动。凸轮轴转动使得凸轮依发动机旋转正时来压动控制各缸喷油压力的柱塞，以建立燃油压力，并将燃油藉由高压油管输送至各缸喷油嘴，并将燃油注入汽缸内，而喷油嘴的启闭是由发动机凸轮轴所控制。因为是由发动机运转来驱动喷射泵，所以燃油压力会随着发动机转速的不同而改变。柱塞式喷射泵系统虽广为柴油发动机采用，但因为其喷射泵是以机械方式驱动，无法依据发动机负荷状况提供精确的供油量；并且由于喷射泵至各缸的距离并不相同，使得输送至各缸的燃油压力不尽相同。这样的缺陷会降低发动机运转的精致性，并增加噪音、排污及油耗。共轨式喷射系统： 『新的共轨式柴油发动机，具有控制精准、重量轻等优势，能有效控制排放』 共轨式喷射系统是由高压泵将燃油加压，并输送至具有调压阀的共享油轨中，再由喷油嘴将油轨中的燃油注入汽缸中。目前应用于小型车及商旅车的共轨直喷发动机，是由发动机控制系统(ECU)来控制高压泵、调压阀及喷油嘴等组件之运作，使得燃油在极高的压力下，仍能依据当时之发动机负载及转速准确地调整喷油量，让发动机运转顺畅，并且运转噪音及排污量都较传统柴油发动机小了许多。并且喷油泵体积及重量也较柱塞式喷射泵小，减轻不少发动机重量。

以往进行曲轴强度分析时，常用经验本文利用SolidWorks软件建立2110型柴油机曲轴的三维模型，并导入ANSYS软件划分你是搞摸具设计的吗?``我本人是搞