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使用说明书

直列和V型发动机的曲拐布置方式

 

摘要：所谓的曲拐布置方式，是指多缸发动机各曲拐之间的夹角，常见的三种夹角是90°、120°和180°，其中90°和120°称为空间曲拐，180°称为平面曲拐。曲拐的布置位置与发动机气缸数量、气缸的排列型式、发动机的平衡以及各气缸的工作顺序密切相关，并且具有一定的规律。一般来说，应遵循各气缸的做功间隔角均衡、连续做功的两个气缸相隔较远、V型发动机左右两排气缸尽量交替做功，曲拐布置应对称、均匀，发动机工作平衡性较好等原则。

 

一、曲轴作用和结构

 

1、曲轴的作用及工作要求

      曲轴主要功用是承受连杆传来的力，并由此产生绕自身轴线的旋转力矩，该力矩通过飞轮对外输出；另外，曲轴还用来驱动发动机的配气机构和发电机等附件。

      曲轴是发动机最重要的部件之一，要求用强度、冲击韧性和耐磨性都比较好的材料制造，一般采用中碳钢（如45钢）或中碳合金钢（如35Mn2、40Cr等）模锻而成。为了提高曲轴的耐磨性，其轴颈表面经高频淬火或氨化处理，最后进行精加工，从而达到高的精度和低的表面粗糙度。

      为了提高曲轴的疲劳强度，消除应力集中，轴颈表面应进行喷丸处理，过渡圆角处要经滚压处理。工作时，曲轴承受气体压力、惯性力及惯性力矩的作用，受力大而且受力复杂，并且承受交变负荷的冲击作用。同时，曲轴又是高速旋转件。因此，要求曲轴具有足够的刚度和强度，具有良好的承受冲击载荷的能力，耐磨损且润滑良好。

2、曲轴的结构

      如1图所示，曲轴一般由前端、主轴颈、曲柄、平衡重、连杆轴颈和后端组成。由一个连杆轴颈和它左右主轴颈组成一个曲拐。曲轴的曲拐数取决于汽缸的数目和排列方式。单缸发动机的曲轴只有一个曲拐；直列式发动机曲轴的曲拐数等于汽缸数；V型发动机曲轴的曲拐数等于汽缸数的一半。

      在曲轴的前端轴上安装有皮带轮、正时齿轮等，用于驱动水泵、配气机构等，曲轴前端结构平面图如图2所示。曲轴的主轴颈安装在汽缸体主轴承座内，用于支撑曲轴。连杆轴颈用于安装连杆，曲柄连接主轴颈与连杆轴颈，为了平衡曲轴旋转时的离心力，在曲轴上设有平衡块。在曲轴的后端设有连接凸缘，通过螺栓将飞轮连接到曲轴上。为润滑连杆轴颈，从主轴颈向连杆轴颈钻有润滑油道。

2、曲轴的支承形式

      主轴颈是曲轴的支承部分。按照曲轴的主轴颈数可以把曲轴分为全支承曲轴和非全支承曲轴两种。每个连杆轴颈两边都有一个主轴颈者称为全支承曲轴；主轴颈数等于或少于连杆轴颈数者称为非全支承曲轴。

      直列式发动机的全支承曲轴，其主轴颈数（包括曲轴前端和后端的主轴颈）比气缸数多一个；V形发动机的全支承曲轴，其主轴颈数比气缸数的一半多一个。全支承曲轴的优点是可以提高曲轴的刚度，并且可减轻主轴承的载荷；其缺点是曲轴长度较长，使发动机机体长度增加。

 

图1  柴油机曲轴结构示意图.

图2  柴油机曲轴前端结构平面图

 

二、曲拐布置基本原则与影响

 

1、曲拐布置原则

（1）最小化不平衡力：柴油机曲拐的布置应尽量使得不同连杆的活塞在任何工作点上都产生相同大小的力。这样可以降低发动机的振动和噪音。

（2）最小化摩擦损失：柴油机曲拐的布置应尽量减少连杆和曲轴之间的摩擦。在布置过程中，要注意减小连杆离心力和轴向力的影响，以及减少柴油机曲拐部分的惯性力。

（3）最大化功率传输：柴油机曲拐的布置应能够最大化发动机的功率输出。要实现这一点，可以通过采用合适的连杆比例和柴油机曲拐的位置，以及最佳的曲轴轴向位置和连杆角度来实现。

（3）综合考虑空间限制：柴油机曲拐的布置还需要考虑到发动机的整体尺寸和形状。在有限的空间内，要尽量合理布置柴油机曲拐，以满足其他部件的安装和工作需求。

（5）考虑制造和装配的可行性：柴油机曲拐的布置还需要考虑到制造和装配的可行性。要选择能够实现高精度加工和装配的布置方案，以确保柴油机曲拐的质量和性能。

2、曲拐布置影响的系统分析

（1）对点火间隔与扭矩均匀性的影响

      曲拐布置直接决定了柴油机的发火间隔角，进而影响输出扭矩的波动程度。对发电机组的具体影响：

① 供电质量：发火间隔均匀→曲轴转速波动小→发电机输出的交流电频率（如50Hz/60Hz）和电压更稳定。若曲拐布置不当导致扭矩叠加或空缺，会造成频率漂移与灯光闪烁。

② 飞轮质量：均匀的扭矩输出可减小所需飞轮的转动惯量，减轻机组重量。反之，需加大飞轮来储存能量平滑转速。

（2）对平衡性与振动的影响

      柴油机在运转中会产生往复惯性力和离心惯性力及其引起的力矩。曲拐布置决定了这些力和力矩能否在内部自平衡。不同曲拐布置方案的影响：

① 直列6缸机（曲拐夹角120°）：一阶和二阶往复惯性力完全平衡，倾覆力矩较小，被誉为天然平衡的经典结构。因此，中大型发电机组普遍采用直列6缸机，无需附加平衡轴即可获得极低的振动水平，延长发电机和底座寿命。

② V型机曲拐错拐：V型机（如V8、V12）通过合理设计左右列曲拐夹角（例如V8采用90°曲拐夹角配合90°气缸夹角），可实现良好的平衡性，但结构复杂，对发电机组底座的刚性要求更高。

③ 直列4缸机（曲拐夹角180°）：一阶往复惯性力平衡，但二阶往复惯性力无法自平衡，会产生2倍于曲轴转速的上下振动。这会导致发电机组在1500rpm（50Hz）运转时出现50Hz的倍频振动，长期运行可能造成螺栓松动、接线疲劳断裂。

（3）对曲轴强度与疲劳寿命的影响

① 扭转振动：曲拐布置决定了曲轴系统的固有频率。若柴油机常用转速（如1500rpm/1800rpm）下的激励频率接近曲轴扭振固有频率，会引发扭转共振，导致曲轴承受交变剪切应力，严重时数小时内即可造成曲轴断裂。

② 轴承负荷分布：曲拐间重叠度和相位角影响主轴承的径向载荷。设计不良会导致个别轴承过热、烧瓦。

 

图3  直列四缸四冲程发动机的曲拐布置简图

图4  直列六缸四冲程发动机的曲拐布置简图

 

三、曲拐布置特点和工作顺序

 

       曲轴的形状及曲柄销间的相互位置（即曲拐的布置）与冲程数、汽缸数、汽缸排列方式和各汽缸做功行程发生的顺序（称为发火次序或工作顺序）有关。曲轴的形状要同时满足惯性力的平衡和发动机工作平稳性的要求。就四冲程发动机而言，曲轴每转两圈（即一个工作循环），每缸都应发火做功一次。各缸的发火间隔时间（以°CA表示）应力求均匀。设发动机有个汽缸，则发火间隔应为720°/i°CA，即曲轴每转720°/i时，就应有一个缸做功，这样才能使发动机工作平稳。现就常用的4缸、6缸和V型8缸发动机说明如下。

1、四缸直列发动机

      直列四缸是最为常见的，它有四个曲拐，绝大多数都是互相成180°，属于平面曲拐布置。V型以及水平对置发动机也有四个曲拐，也是互相成180°的平面曲拐布置，为了缩短发动机的长度，一般会采用半支撑式曲轴。四缸发动机在运行中可以平衡掉一阶振动，但是二阶振动无法平衡，所以绝大多数的四缸发动机还是有一个平衡轴的，布置图如图5所示。

（1）直列四冲程发动机曲拐布置特点（3min)

① 曲轴的形状和各曲拐的布置取决于气缸数、气缸排列形式和发动机的发火顺序，连续作功的两缸相隔尽量远些，以减少主轴承连续载荷和避免可能发生的进气重叠现象。

② 各缸的作功间隔要尽量均匀，以使发动机运转平稳。4缸发动机因缸数i=4，所以发火间隔应为720°/4一180°CA。其曲柄销布置4个曲柄销布置在同一平面内，1、4缸的曲柄销朝上时，2、3缸的朝下，1、4缸与2、3缸相隔180°。

（2）发动机工作顺序有：1-3-4-2和1-2-4-3两种，工作演示如图6所示。

表1    如果作功顺序是1-3-4-2则工作顺序表（5min）如下：

 

图5  四缸机曲拐布置图

图6  四缸发动机点火顺序演示图

2、六缸直列发动机

      直列六缸发动机的六个曲拐均匀的布置在互成120°的三个平面内，恰好使活塞上下运动时产生的一阶振动和二阶振动互相抵消，并且各缸做功衔接完美，因此它可以完美的实现自平衡。在所有的发动机中，直列六缸发动机是唯一一个不用加装任何平衡装置就可以平稳运转的。

（1）曲拐布置形式特点（5min)

      六个曲拐对称布置于互成120°角的三个平面内。从曲轴前端看，一六曲拐正对，二五曲拐正对，三四曲拐正对。 作功间隔角720°/6 =120°，如图7所示。

（2）发动机工作顺序有：1-5-3-6-2-4和1-4-2-6-3-5两种，如图8所示。

表2    如果作功顺序是1-5-3-6-2-4，则工作顺序表（5min）如下：

 

图7  直列六缸发动机曲拐布置图

图8  六缸发动机点火顺序

 

 

3、V型缸发动机

      8缸机大多将汽缸排列成双列v形（两列汽缸的中心线夹角常取90°）。因其汽缸数i=8，所以，各缸发火间隔应为720°/8=90°CA。做功顺序因发动机不同而不同，一般有1-5-4-8-6-3-7-2和1-5-4-2-6-3-7-8两种。V8发动机有四个曲拐，这四个曲拐的布置方式有两种。一种是互成180°的平面布置，一种是互成90°的空间布置。

（1）曲拐互成90°的空间布置方式

      一般被美系V8发动机采用。这种布置方式最大的优点就是运转起来特别的平顺，静音效果也比较好，发动机的使用寿命也比较长。不过这种布置方式曲轴重量比较大，发动机比较笨重。此外，由于会有同侧气缸连续做功，因此会有排气干涉现象，发动机会发出独特的煮水声排气声浪。

（2）曲拐互成180°的平面布置方式

      一般被欧系V8发动机采用。这种布置方式最大的优点就是曲轴重量轻、转动惯量小，发动机转速上升快，瞬间加载性能好。缺点是发动机的振动比较大，需要加装平衡轴来平衡曲轴的转动惯量。所以用起来性能优越，但是噪音、振动比较大。

 

总结：

曲拐布置（即发动机曲轴上各个曲拐之间的夹角安排）是柴油机设计中的核心参数之一，对柴油发电机组的运行平稳性、机械振动、输出扭矩均匀性以及机体结构强度有着决定性影响。对于发电用柴油机（要求恒速、恒频、高可靠性）而言，曲拐布置的影响尤为关键。可采用均匀曲拐夹角且能实现内部力平衡的构型（如直列6缸120°布置）可获得最平顺的转速、最稳定的发电频率和最长的机械寿命；而不平衡的布置（如直列4缸180°布置）虽能满足基本发电需求，但需额外增加平衡轴、重型飞轮和高效隔振装置来弥补其固有缺陷。

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