前言
人们想起柴油车，总会想起浓烟滚滚、噪音大等等问题，其实随着2003年第三代电控高压共轨喷射系统的发展，噪音问题和柴油机震动问题都有了改善，新一代的柴油发动机在保障噪音低和震动小的前提下，还拥有经济性好，动力大等优点。这吸引了国际上有关大公司对柴油发动机的热情，也大大促进了柴油车在国外的销售，如今欧洲柴油车已经抢夺了汽油车的半壁江山，而部分车型，比如路虎在欧洲90％都是柴油版本。
柴油车的优点如此突出，然而振动问题和噪声问题却日益突出，致使其零部件磨损加重、噪声升高、寿命降低、工作条件恶化。柴油机的曲轴是整个发动机中最重要的零件之一。它的受损及破坏可能引起柴油机其它零件的损坏，特别是随着发动机的强化与技术发展，使曲轴的工作条件愈发苛刻。曲轴是柴油机最重要的零部件之一，它的任务是将活塞的往复运动转换为旋转运动，并向外输出功率。柴油机的可靠性和寿命很大程度取决与曲轴的可靠性。在周期性变化的动载荷的作用下，柴油机的主要零部件在柴油机工作转速范围内发生强烈共振，严重影响柴油机工作的可靠性，在深入研究柴油机曲柄连杆机构工作过程与原理基础上，分析其运动过程于受力情况。[1]本文针对柴油机曲柄连杆机构运动和动力特性分析，运用自己在理论力学、高等数学、线性代数、工程力学等科目的知识，深入的分析了曲柄连杆机构在运动过程中的运动规律，并且用代数的方法精确地了得出了机构在运动过程中机构中主要零件的运动规律和所承爱的力及力矩变化关系式，并且以EA1113柴油机为例，进行了精确的计算。在本文的末尾还将最近几年在柴油机领域的发展现状做了一个大致的概括和总结，让我们可以更好地了解柴油机的发展趋势，从而为设计曲柄连杆机构和减小发动机震动提供了理论支持。
1.柴油机的介绍
1.1柴油机概述
柴油机是用柴油作燃料的内燃机。柴油机属于压缩点火式发动机，它又常以主要发明者狄塞尔的名字被称为狄塞尔引擎。
柴油机在工作时，吸入柴油机气缸内的空气，因活塞的运动而受到较高程度的压缩，达到500～700℃的高温。然后将燃油以雾状喷入高温空气中，与高温空气混合形成可燃混合气，自动着火燃烧。燃烧中释放的能量作用在活塞顶面上，推动活塞并通过连杆和曲轴转换为旋转的机械功。
柴油机可按不同特征分类：按转速分为高速、中速和低速柴油机；按燃烧室的型式分为直接喷射式、涡流室式和预燃室式柴油机等；按气缸进气方式分为增压和非增压柴油机；按气体压力作用方式分为单作用式、双作用式和对置活塞式柴油机等；按用途分为船用柴油机、工程机械柴油机等。
柴油机燃料主要是柴油，通常高速柴油机用轻柴油；中、低速柴油机用轻柴油或重柴油。柴油机用喷油泵和喷油器将燃油以高压喷入气缸，喷入的燃油呈雾状，与空气混合燃烧。因此柴油机可用挥发性较差的重质燃料或劣质燃料，如原油和渣油等。[3]
1.2柴油机结构及工作原理
(1)结构
柴油机的基本组成部分包括：曲柄连杆机构；配气机构及进排气系统；燃烧与燃料供给系统；润滑系统；冷却系统；起动系统；增压系统；
(2)工作原理
柴油机是内燃机的一种，它的工作原理与内燃机中的压燃机完全相同。内燃机的工作过程，就是按照一定的规律，不断的将燃料和空气送入气缸，并在气缸内着火燃烧，放出热能。燃气在吸收热量后产生高温高压，推动着活塞做功降热能转化为机械能。
燃料的燃烧，必须有充足的氧气（来自空气）和一定的温度条件下才能实现。因此，要保证内燃机能够连续的工作，就要不断地将已燃烧做功的废气排出气缸，然后引进新鲜空气和燃料，并通过压缩以获得着火所必需的温度。
1、进气过程——将新鲜空气吸入气缸，提供燃料燃烧时所需要的氧气。燃烧公斤柴油，理论上需要14.3公斤空气，但由于柴油与空气的混合总是很不均匀，为了使柴油得到充分燃烧，空气总是要供应的富裕些，一公斤柴油往往要供给20多公斤空气。
2、压缩过程——将吸入气缸的空气进行压缩，使其温度升高。对柴油机来讲，压缩后的温度，必须超过柴油的自然点温度（约大于350摄氏度）
3、燃烧膨胀过程——将燃料喷入气缸，与氧气急剧的氧化作用（即燃烧）放出大量的热量，使气体温度和压力急剧上升，推动活塞做功。
4、排气过程——将膨胀做功后的废气排出，以便再吸入新鲜空气。
上述过程周而复始的不断重复进行着，每个过程依次完成一遍称为一个工作循环。[4]
2.柴油机的运动和力分析
2.1曲柄连杆机构的类型
内燃机中采用曲柄连杆机构的型式很多，按运动学观点可分为三类，即:中心曲柄连杆机构、偏心曲柄连杆机构和主副连杆式曲柄连杆机构。
2.1.1中心曲柄连杆机构
其特点是气缸中心线通过曲轴的旋转中心，并垂直于曲柄的回转轴线。这种型式的曲柄连杆机构在内燃机中应用最为广泛。一般的单列式内燃机，采用并列连杆与叉形连杆的V形内燃机，以及对置式活塞内燃机的曲柄连杆机构都属于这一类。
2.1.2偏心曲柄连杆机构
其特点是气缸中心线垂直于曲轴的回转中心线，但不通过曲轴的回转中心，气缸中心线距离曲轴的回转轴线具有一偏移量e。这种曲柄连杆机构可以减小膨胀行程中活塞与气缸壁间的最大侧压力，使活塞在膨胀行程与压缩行程时作用在气缸壁两侧的侧压力大小比较均匀。
2.1.3主副连杆式曲柄连杆机构
其特点是内燃机的一列气缸用主连杆，其它各列气缸则用副连杆，这些连杆的下端不是直接接在曲柄销上，而是通过副连杆销装在主连杆的大头上，形成了“关节式”运动，所以这种机构有时也称为“关节曲柄连杆机构”。在关节曲柄连杆机构中，一个曲柄可以同时带动几套副连杆和活塞，这种结构可使内燃机长度缩短，结构紧凑，广泛的应用于大功率的坦克和机车用V形内燃机。
2.2曲柄连杆机构运动分析
在这儿我们主要讨论中心曲柄连杆机构，其特点是气缸中心线通过曲轴的旋转中心，并垂直于曲柄的回转轴线。这种型式的曲柄连杆机构在内燃机中应用最为广泛。一般的单列式内燃机，采用并列连杆与叉形连杆的V形内燃机，以及对置式活塞内燃机的曲柄连杆机构都属于这一类。[5]
中心曲柄连杆机构简图如图2-1所示，图2-1中气缸中心线通过曲轴中心O，OB为曲柄，AB为连杆，B为曲柄销中心，A为连杆小头孔中心或活塞销中心。
当曲柄按等角速度旋转时，曲柄OB上任意点都以O点为圆心做等速旋转运动，活塞A点沿气缸中心线做往复运动，连杆AB则做复合的平面运动，其大头B点与曲柄一端相连，做等速的旋转运动，而连杆小头与活塞相连，做往复运动。在实际分析中，为使问题简单化，一般将连杆简化为分别集中于连杆大头和小头的两个集中质量，认为它们分别做旋转和往复运动，这样就不需要对连杆的运动规律进行单独研究。
活塞做往复运动时，其速度和加速度是变化的。它的速度和加速度的数值以及变化规律对曲柄连杆机构以及发动机整体工作有很大影响，因此，研究曲柄连杆机构运动规律的主要任务就是研究活塞的运动规律。
2.2.1活塞位移
假设在某一时刻，曲柄转角为，并按顺时针方向旋转，连杆轴线在其运动平面内偏离气缸轴线的角度为，如图2-1所示。
当=时，活塞销中心A在最上面的位置A1，此位置称为上止点。当=180时，A点在最下面的位置A2，此位置称为下止点。
此时活塞的位移x为:
x===(r+)
=（2-1）
式中：—连杆比。
式（2-1）可进一步简化，由图2-1可以看出：
即
又由于（2-2）
将式（2-2）带入式（2-1）得：
x=（2-3）
式（2-3）是计算活塞位移x的精确公式,为便于计算，可将式（2-3）中的根号按牛顿二项式定理展开，得：
…（2-4）
把式(2-4)代入式(2-3)，并利用三角函数的倍角公式予以化简，最后可得
（2-5）
（2-6）
连杆比是一个重要的结构设计参数。采用较大的(即较短连杆)，可使发动机高度减小，重量减轻，但同时也使活塞的加速度和连杆的摆角加大，相应的往复运动质量的惯性力和活塞的测推力加大。与得失相比，对汽车发动机来说，更重要的是发动机的高度和重量上的得益。所以设计时总要选用短连杆。[6]即使对于较大的连杆来说，式(2-5)中含的三次以上个高次项的数值也很小，可略去不计，即得活塞位移近似式为
（2-7）
2.2.2活塞的速度
将活塞位移公式（2.1）对时间t进行微分，即可求得活塞速度的精确值为
(2-8)
将式（2-7）对时间微分，便可求得活塞速度得近似公式为：
（2-9）
从式（2-9）可以看出，活塞速度可视为由与两部分简谐运动所组成。
当或时，活塞速度为零，活塞在这两点改变运动方向。当时，，此时活塞得速度等于曲柄销中心的圆周速度。
2.2.3活塞的加速度
将式（2-8）对时间微分，可求得活塞加速度的精确值为：
（2-10）
将式（2.9）对时间为微分，可求得活塞加速度的近似值为：
（2-11）
因此，活塞加速度也可以视为两个简谐运动加速度之和，即由与两部分组成。
2.3曲柄连杆机构中的作用力
作用于曲柄连杆机构的力分为：缸内气压力、运动质量的惯性力、摩擦阻力和作用在发动机曲轴上的负载阻力。由于摩擦力的数值较小且变化规律很难掌握，受力分析时把摩擦阻力忽略不计。而负载阻力与主动力处于平衡状态，无需另外计算，因此主要研究气压力和运动质量惯性力变化规律对机构构件的作用。[7]计算过程中所需的相关数据参照EA1113柴油机。
则由式（2-10）计算气压力如表2-2所示。
2.3.1气缸内工质的作用力
作用在活塞上的气体作用力等于活塞上、下两面的空间内气体压力差与活塞顶面积的乘积，即：
（2-12）
式中：—活塞上的气体作用力，；
—缸内绝对压力，；
—大气压力，；
—活塞直径，。
由于活塞直径是一定的，活塞上的气体作用力取决于活塞上、下两面的空间内气体压力差，对于四冲程发动机来说，一般取=0.1，,对于缸内绝对压力，在发动机的四个冲程中，计算结果如表2-1所示：
表2-1缸内绝对压力计算结果
四个冲程终点压力计算公式计算结果/
进气终点压力0.08
压缩终点压力1.46
膨胀终点压力0.45
排气终点压力0.115
注：—平均压缩指数，=1.321.38；—压缩比，=9.3；—平均膨胀指数，=1.21.30；；—最大爆发压力，=35，取=4.5；此时压力角=，取=。
表2-2气压力计算结果
四个冲程/
进气终点77.23
压缩终点-102.97
膨胀终点7001.933
排气终点1801.968
2.3.2机构的惯性力
惯性力是由于运动不均匀而产生的，为了确定机构的惯性力，必须先知道其加速度和质量的分布。加速度从运动学中已经知道，现在需要知道质量分布。实际机构质量分布很复杂，必须加以简化。为此进行质量换算。
（1）机构运动件的质量换算
质量换算的原则是保持系统的动力学等效性。质量换算的目的是计算零件的运动质量，以便进一步计算它们在运动中所产生的惯性力。[8]
1)连杆质量的换算
连杆是做复杂平面运动的零件。为了方便计算，将整个连杆（包括有关附属零件）的质量用两个换算质量和来代换，并假设是集中作用在连杆小头中心处，并只做往复运动的质量；是集中作用在连杆大头中心处，并只沿着圆周做旋转运动的质量，如图2-2所示：
图2-2连杆质量的换算简图
为了保证代换后的质量系统与原来的质量系统在力学上等效，必须满足下列三个条件：
①连杆总质量不变，即。
②连杆重心的位置不变，即。
③连杆相对重心G的转动惯量不变，即。
其中，连杆长度，为连杆重心至小头中心的距离。由条件可得下列换算公式：
用平衡力系求合力的索多边形法求出重心位置。将连杆分成若干简单的几何图形，分别计算出各段连杆重量和它的重心位置，再按照索多边形作图法，求出整个连杆的重心位置以及折算到连杆大小头中心的重量和，如图2-3所示：
2）往复直线运动部分的质量
活塞（包括活塞上的零件）是沿气缸中心做往复直线运动的。它们的质量可以看作是集中在活塞销中心上，并以表示。质量与换算到连杆小头中心的质量之和，称为往复运动质量，即。
3）不平衡回转质量
曲拐的不平衡质量及其代换质量如图2-4所示：
曲拐在绕轴线旋转时，曲柄销和一部分曲柄臂的质量将产生不平衡离心惯性力，称为曲拐的不平衡质量。[9]为了便于计算，所有这些质量都按离心力相等的条件，换算到回转半径为的连杆轴颈中心处，以表示，换算质量为：
式中：—曲拐换算质量，；
—连杆轴颈的质量，；
—一个曲柄臂的质量，；
—曲柄臂质心位置与曲拐中心的距离，。
质量与换算到大头中心的连杆质量之和称为不平衡回转质量，即
由上述换算方法计算得：
往复直线运动部分的质量=0.583，不平衡回转质量=0.467。
（2）曲柄连杆机构的惯性力
把曲柄连杆机构运动件的质量简化为二质量和后，这些质量的惯性力可以从运动条件求出，归结为两个力。往复质量的往复惯性力和旋转质量的旋转惯性力。
1）往复惯性力
（2-13）
式中：—往复运动质量，；
—连杆比；
—曲柄半径，；
—曲柄旋转角速度，；
—曲轴转角。
是沿气缸中心线方向作用的，公式（2-13）前的负号表示方向与活塞加速度的方向相反。
其中曲柄的角速度为：
（2-14）
式中：—曲轴转数，；
已知额定转数=5800，则；
曲柄半径=40.23，连杆比=0.25~0.315，取=0.27，参照附录表2：四缸机工作循环表，将每一工况的曲轴转角代入式（2-13），计算得往复惯性力，结果如表2-3所示
2）旋转惯性力
（2-15）
（3）作用在活塞上的总作用力
由前述可知，在活塞销中心处，同时作用着气体作用力和往复惯性力，由于作用力的方向都沿着中心线，故只需代数相加，即可求得合力
（2-16）
计算结果如表2-4所示。
（4）活塞上的总作用力分解与传递
如图2-5所示，首先，将分解成两个分力：沿连杆轴线作用的力，和把活塞压向气缸壁的侧向力，
其中沿连杆的作用力为：
（2-17）
而侧向力为：
（2-18）
连杆作用力的方向规定如下：使连杆受压时为正号，使连杆受拉时为负号，缸壁的侧向力的符号规定为：当侧向力所形成的反扭矩与曲轴旋转方向相反时，侧向力为正值，反之为负值。
当=时，根据正弦定理，可得：
求得
将分别代入式（2-17）、式（2-18），计算结果如表2-5所示:
力通过连杆作用在曲轴的曲柄臂上，此力也分解成两个力，即推动曲轴旋转的切向力，
即（2-19）
和压缩曲柄臂的径向力，即
（2-20）
规定力和曲轴旋转方向一致为正，力指向曲轴为正。
求得切向力、径向力见如表2-6所示:
表2-6切向力、径向力的计算结果
四个冲程切向力/径向力/
进气终点-3040.242-10276.856
压缩终点1811.355 6122.8789
膨胀终点-1024.17-346.964
排气终点2365.96 7997.61
2.4本章小结
本章首先分析了曲柄连杆机构的运动情况，重点分析了活塞的运动，在此基础上分析了每个工作过程的气体压力变化情况，进一步推导出各过程气体力的理论计算公式，进行了机构中运动质量的换算，并根据一个给定的柴油机的具体结构参数计算出了各过程的气体力，为后面的探讨柴油机的运动及制造过程提供了理论支持。
3.国内外柴油机的发展现状
法国出生的德裔工程师狄塞尔，在1897年研制成功可供实用的四冲程柴油机。由于它明显地提高了热效率而引起人们的重视。起初，柴油机用空气喷射燃料，附属装置庞大笨重，只用于固定作业。二十世纪初，开始用于船舶，1905年制成第一台船用二冲程柴油机。
1922年，德国的博施发明机械喷射装置，逐渐替代了空气喷射。二十世纪20年代后期出现了高速柴油机，并开始用于钻井。到了50年代，一些结构性能更加完善的新型系列化、通用化的柴油机发展起来，从此柴油机进入了专业化大量生产阶段。特别是在采用了废气涡轮增压技术以后，柴油机已成为现代动力机械中最重要的部分。
1956年由德国的莫勒所发明油膜式燃烧室。燃烧室位于活塞顶内，呈球形。燃料喷向燃烧室壁面，大部分燃油在强涡流作用下喷涂在燃烧室壁面上，形成很薄的油膜，小部分燃油雾化分布在燃烧室空间并首先着火，随后即引燃从壁面上蒸发的燃料。这种燃烧室可使工作过程柔和，燃烧完全，声轻无烟，并可使用轻质燃料；缺点是低温时起动较困难。[10]
现在柴油机发展过程中常见的应用技术有：
一、涡流式燃烧室由涡流室和主燃烧室组成。涡流室位于气缸盖上，呈球形或倒钟形，占总压缩容积的50～80％，有切向通道与主燃烧室相通。在压缩行程时，压入涡流室的空气产生强烈的涡流运动，促使喷入其中的燃料与空气混合。着火后混合物流入主燃烧室，形成二次流动，进一步与主燃烧室内的空气混合燃烧。[10]
二、电控燃油喷射系统带来更大的功率、更少的碳烟排放、更小的噪音和更佳的经济性。此技术可在cat3508B型柴油机上见到应用。其相关参数如表2-1。
表2-1 3508B型发动机技术规格
3508B型发动机技术规格
额定转速（转/分）1500到1800
空转转速（转/分）650
汽缸数和排列60°V型8缸
缸径170毫米（6.7英寸）
行程190毫米（7.5英寸）
型式4行程
压缩比14﹕1
空气吸入方式涡轮增压式
冷却涡轮增压空气的方法单独回路后冷器
汽缸排量4.3升（263立方英寸）
总排量34.5升（2105立方英寸）
旋转方向（从飞轮端看）逆时针方向
燃油参看操作和保养手册保养部分中“燃油技术规格”
吸油方法电子式单体喷油器
起动方法电启动
排气系统设计背压2.5千帕（10英寸水柱）
最大容许背压5.0千帕（20英寸水柱）
进气的最大阻力6.2千帕（25英寸水柱）
空气滤清器单滤芯
进气门间隙0.50毫米（0.020英寸）
排气门间隙1.00毫米（0.039英寸）
三、一体式燃烧室比以前的预燃式燃烧室减少了热量损失，冷启动变得更容易，以前选装的缸体加热装置也没有必要再安装了。即使在零下10度，新加热塞设计能使加热周期缩短10秒。一体式燃烧室允许更低的压缩比(18.5：1或19.5：1对老机型的22：1或23：1)，可以降低发动机的噪音和震动，进而提升耐久性。
四、最后一种是高压共轨喷射系统，它的概念有点类似于汽油机喷射系统，只不过油轨内的压力提高了1000倍。中央油泵把高压油送入油轨，在油轨上对应每缸有相应的电磁阀控制燃油进入喷嘴。尽管说起来简单，但超高压使系统建造并不容易。这套系统应用在180马力2.5升V6机和3.3升V8机型上。
五、涡轮增压。涡轮增压器的作用是增加发动机的进气量，使功率和扭矩都有较大幅度的增长。它工作起来就像一台微型航空发动机，涡轮位于柴油机排气系统上，把排气能量转换成旋转动能，驱动压缩机把更多的进气送入燃烧室。增压器与发动机没有任何的机械连接，因此不会消耗发动机的能量，其润滑和冷却由发动机上引出的机油来完成。
六、安全控制智能化。柴油机的正常运转要求有符合规格的柴油、机油、冷却水足量的供应和进排气系统的畅通，否则在柴油机运行过程中容易出现各种事故损坏柴油机，国外生产的柴油机如沃尔沃、卡特两款柴油机在电控的基础上加装了智能配件，在机油不足冷却水温度过高、及进排气系统堵塞的情况下自动停车，避免了对柴油机的损坏。[11]
柴油机具有热效率高的显著优点，其应用范围越来越广。随着强化程度的提高，柴油机单位功率的重量也显著降低。为了节能，各国都在注重改善燃烧过程，研究燃用低质燃油和非石油制品燃料。此外，降低摩擦损失、广泛采用废气涡轮增压并提高增压度、进一步轻量化、高速化、低油耗、低噪声和低污染，都是柴油机的重要发展方向。
结论
1、通过对国内外柴油机发展概况的研究，在以后的柴油机设计方面给我们指明了方向，柴油机系统发展的越来越趋向于小型化、全自动智能化和混合燃料方向，能适应更恶劣的陆地和海洋环境，节约能源，提高效率。
2、通过对柴油机机构的认识，有助于我们更容易的查找、排除驱动系统的故障。通过对柴油机系统的机构故障分析，有助于我们在将来的工作当中更迅速排除柴油机系统常见故障，从而提供工作效率。
3、通过对柴油机系统运动和受力分析，使我们更清楚地认识到故障容易发生的部位以及故障原因，有助于我们提前预防故障的发生，从而降低故障发生的几率，提高工作效率。
参考文献
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[4]杨连生.内燃机设计[M].北京：中国农业机械出版社，1980.6.
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[7]郝宝林.发动机曲柄连杆机构建模与仿真[J].哈尔滨工业大学学报，2006.6.
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[9]施兴之.连续梁计算计算曲轴应力的研究[J].内燃机学报，2001.2.
[10]朱和军.蒋金云.CAD/CAM软件应用技术[M].北京理工大学出版社，2012.6.
[11]韩玉良.于永胜.李宏艳微积分[M].清华大学出版社，2012.1.
致谢
在此感谢在本篇论文中帮助的老师和同学们。感谢你们给我提出的宝贵意见和建议使我论文的质量得到很大的提升。首先特别要感谢的是我的辅导老师~~~~~老师，感谢你在百忙之中能够不计回报的帮我修改论文中的错误和不足之处。其次特别要感谢的是我的~~~~~,感谢你在我准备论文期间不辞劳苦的帮助我查找资料以及提供一些非常有用的书籍，报纸等。
谢谢你们，因为有了你们才会有了这篇论文成功！
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