柴油机基本结构参数 | [<<] [>>]
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柴油机基本结构参数（basic constructional parameter of diesel engine）主要包括冲程数τ、气缸数i,、气缸直径D、活塞行程S、曲柄半径r、连杆长度ι、气缸中心距L、气缸工作容积Vs与压缩比εC等的结构参数。它们不仅影响柴油机的作功性能、机械负荷与热负荷，而且影响柴油机的外形尺寸与重量，必须根据柴油机的用途及相关设计任务书的要求来合理确定这些参数。
冲程数τ 柴油机完成一个工作循环所需要的话塞行程数（参见内燃机），四冲程柴油机τ= 4，二冲程柴油机τ= 2。在基本结构参数与热力参数相同的条件下，二冲程柴油机单位工作容积的作功能力较大，但其经济性能与排放性能均劣于四冲程柴油机。当前除在大型船用柴油机及一些小型柴油机中采用二冲程工作循环外，其他用途柴油机广泛采用四冲程工作循环。
气缸数i 组成一台柴油机的气缸总数。当功率一定时，减小气缸直径，增加气缸数目，除有助于提高转速，减小柴油机外形尺寸外，让可以提高柴油机输出扭矩的均匀性，改善柴油机的平衡性，但其缺点是使用与维修工作量较大，所需备件也相应增多。机车柴油机视其具体用途，气缸数i大都为8、12和16。、与气缸数在12缸以上时，出于总体布置等因素的考虑，气缸排列基本采用V形结构（参见内燃机）。
气缸直径D 影响气缸工作容积的一个重要参数，主要与用途有关。它不仅影响柴油机的尺寸和重量，还影响柴油机的工作性能及有关零部件的机械负荷与热负荷。机车柴油机的气缸直径一般在180 mm～280 mm的范围内。
活塞行程S 活塞在气缸内作往复运动，其上、下止点之间的距离称为活塞行程（参见内燃机）。活跃行程S与气缸直径D这两个参数不仅确定了气缸工作容积，而且行程缸径比S/D对柴油机的外形尺寸、工作性能、机械负荷及热负荷等都有一定的影响。机车柴油机行程缸径比的基本范图是1.00~1.25。
曲柄半径r 与连杆长度ι的比值r/ι 连杆长度ι是指连杆大、小头孔中心之间的距离（参见柴油机连杆）。曲柄半径r（参见柴油机曲轴）与连杆长度ι的比值λ是一个重要的结构参数，它对柴油机的总体高度与动力学性能都有一定的影响（参见柴油机曲柄连杆机构）。从减小活塞连杆组的往复运动惯性力和柴油机的高度出发，一般希望采用较短的连杆，亦即应选用较大的曲柄半径连杆长度的比值。在机车柴油机中，通常λ的范围是
气缸中心距L与气缸直径D的比值L/D 气缸中心距L与气缸直径D的比值，其大小影响柴油机的总体长度与重量指标。为此，在保证满足气缸盖螺栓合理布置和曲轴轴瓦承载能力等要求的前提下，应尽可能地减小L/D的比值。在机车柴油机中，该比值的范围一般为
1.2～1.6。
气缸工作容积VS与柴油机压缩比εC 活塞从上止点运动到下止点时，活塞所扫过的气缸容积称为气缸工作容积，用VS表示。活塞在上止点时，活塞顶面以上的气缸空间是燃烧室,这部分年间的容积称为余隙容积，可用VCC表示。气缸工作容积与气缸余隙容积之t 称为气缸最大容积。若用V1表示气缸最大容积，则V1 =VS＋VCC。
气缸最大容积与气缸余隙容积的比值称为压缩比，用εC 表示，即
压缩比表明进人气缸的空气在气缸内被压缩的程度，它是柴油机的一个重要结构参数。采用较高的压缩比，有助于改善柴油机的启动性能与经济性能，但压缩比过高，会导致最高燃烧压力过大而使机械负荷增大（参见柴油机工作作的有效参数）。为此，在选择压缩比时，必须统筹考虑诸多因素的影响。机车柴油机大都为增压柴油机，其压缩比的一般范围是11～14。
柴油机特性（diesel engine characteristic）柴油机的性能指标及其主要参数随工况而变化的关系。主要参数包括：有效功率Ne，有效扭矩Me，转速n，燃油消耗率g，平均有效压力Pe，机械效率ηm，有效效率ηe，排气温度tr，过量空气系数α等。柴油机特性包括柴油机固有特性和柴油机调速降性。
柴油机固有特性不装设调速器或调速器不起作用时柴油机本身所具有的特性。表示柴油机主要参数随工况变化的关系曲线称为柴油机特性曲线。固有特性按实验条件的不同和参数变化关系的不同可分为负荷特性、速度特性和万有特性。
图1 柴油机负荷特性
负荷特性当转速不变时，柴油机的性能指标及其主要参数随负荷而变化的关系称为负荷特性，见图1。不同的转速对应不同的负荷特性。测取负荷特性时要在保持柴油机油温、水温基本不变的前提下同时调节测功器的阻力矩（负荷）和柴油机的循环供油量，改变负荷并保持柴油机转速不变，测量主要性能参数随负荷的变化关系。有些参数还需通过计算获得。例如有效油率ge是通过测量一段时间内的柴油消耗量G f 和柴油机发出的有效功率Ne由下式计算出来的负荷特性可表征柴油机的经济性、动力性等性能指标。
速度特性当喷油泵齿杆位置一定（即循环供油量一定）时，柴油机的性能指标与主要参数随转速而变化的关系称为速度特性。不同的循环供油量对应不同的速度特性。当喷油泵齿杆固定于柴油机发出标定功率时，测得的速度特性称为标定功率速度特性或外特性；当喷油泵齿杆固定于最大供油量以下位置时测得的速度特性称为部分负荷速度特性。
柴油机速度特性主要反映功率与扭矩随柴油机转速变化机而改变的情况。图2中Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ和Ⅴ对应不同的喷油泵齿杆位置。其他参数随柴油机转速变化而改变的情况，见图3。
图2 柴油机速度特性曲线
图3 柴油机部分参数随转速变化关系
万有特性负荷特性或速度特性曲线图只能表示某一转速或某一喷油泵齿杆位置条件下柴油机运行参数间的变化规律。对于工况变化较宽广的柴油机（如机车柴油机），要分析它在各种工况下的性能就需要用许多负荷特性和速度特性曲线图。为了能在一张图上全面表示柴油机在各种工况下的某些性能，将多个负荷特性或速度特性曲线汇总到一张图上构成多参数性能曲线，就是万有特性。
常用的万有特性是在以转速为横坐标、功率为纵坐标的图形中标出一系列燃油消耗率曲线，用来评价柴油机在各种转速和负荷条件下的经济性，见图4。
图4 柴油机万有特性曲线
柴油机调速特性柴油机装设调速器后的速度特性称为调速特性。
柴油机本身的速度特性不能满足大多数从动机械的要求，因为其扭矩曲线比较平坦，当外界阻力矩有少量变化时柴油机转速就会有很大波动。这对柴油机及其从动机械的正常运转是不利的，因此柴油机需装设调速器。调速器可以根据外界阻力矩的变化，自动调节供油量，从而使柴油机保持在所要求的转速下稳定运转。不同的调速器会导致柴油机具有不同的调速特性（图5，图6）。调速特性表征了柴油机克服外界阻力矩波动时保持稳定工作的能力。
图5 带全程机械调速器的柴油机调速特性
图6 装有恒速调速器的柴油机调速特性
有些从动机械运转时要求柴油机的功率与转速按一定的函数关系变化。如船用和液力传动内燃机车柴油机要求功率和转速按螺旋桨特性曲线变化；电传动内燃机车要求柴油机功率和转速按p 次抛物线关系变化。这时可采用特殊的调速器或转速一功率联合调节器来满足要求。相应的调速特性称为螺旋浆特性和联合调节特性。
柴油机动力学（diesel engine dynamics）研究柴油机曲柄连杆机构运行中各种动力学现象的科学。
具体说来，是研究曲柄连杆机构（参见柴油机曲柄连杆机构）各主要零部件的运动规律及其受力情况，它是柴油机主要零件强度、刚度、磨损等设计计算的依据，也是柴油机总体设计以及解决动力平衡、振动等问题的基础。其主要内容有曲柄连杆机构运动学、动力学、柴油机的（动力）平衡分析以及轴系的扭转振动等。
曲柄连杆机构运动学
研究活塞、连杆、曲轴的运动规律及其特征。曲柄连杆机构运动学的作用是将在气缸内气体力作用下活塞的周朝性直线往复运动，通过连杆转变为曲轴的旋转运动，连杆小头连接活塞，大头连接曲柄销，因此，连杆作复杂的平面运动。
曲柄连杆机构动力学
研究曲柄连杆机构运动时的作用力以及它们在各零件中的传递和输出。作用在曲柄连杆机构的作用力有∶
气体力作时活塞顶上，是曲柄连杆机构运动的原动力，可从柴油机示功图求出。
惯性力包括往复运动质量（活塞组和分配到连杆小头中心的部分连杆质量）所产生的往复惯性力以及旋转运动质量（曲柄销、曲柄以及连杆余下的部分质量）所产生的离心惯性力。前沿气缸中心线作用，其大小和方向以曲轴转一圈为周期循环改变；后者的大小不变，方向沿曲柄向外。
气体力与往复惯性力的合力沿活塞销、连杆传至曲轴。作用在曲柄销的力可分解为沿曲柄方向的径向力和垂直于曲柄方向的切向力。切向力对曲轴旋转中心形成力矩，这就是柴油机的指示力矩。在扣除摩擦阻力矩和驱动附件所消耗的力矩后，便是柴油机输出的有效力矩。
作用在曲柄销上的力以及离心惯性力，最终传至主轴承经机体传给柴油机基础。
活塞在运动过程中，会产生周期性变化、垂直于气缸壁的侧压力。由于活塞、缸套间存在间隙，侧压力使活塞对缸壁产生敲击，增加活塞、缸套的磨耗，并使柴油机产生侧向倾倒的趋势。
气体力向下经活塞、连杆、曲轴传至机体的同时，也向上作用在缸盖上，再传给机体。这两种力在机体内相互抵消。因此经机体传给基础的只有惯性力，以及侧压力对曲轴旋转中心形成的倾倒力矩（柴油机输出力矩的支承反力矩）。
柴油机平衡分和平衡法
平衡分析在稳定工况下，柴油机传给基础的总惯性力和总惯性力矩（多缸机中惯性力对曲轴中点形成的力矩），若其大小、方向不变或等于零，则称该柴油机是平衡的。