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康明斯柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的基本組成機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)

 

摘要：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是一種由許多不同作用的部件組成的復(fù)雜機(jī)器，由兩大機(jī)構(gòu)和四大系統(tǒng)組成，即由曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)、燃料供給系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和起動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成。由于柴油發(fā)電機(jī)是壓燃的，與汽油機(jī)相比，就去掉了點(diǎn)火系統(tǒng)。但是無論是四行程還是二行程或者是單缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，要完成能量轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)，都必須具備這兩大機(jī)構(gòu)和四大系統(tǒng)?？得魉构驹诒疚闹兄攸c(diǎn)介紹了柴油機(jī)各部件的結(jié)構(gòu)、作用以及工作原理。

 

一、曲柄連桿機(jī)構(gòu)

 

      曲柄連桿機(jī)構(gòu)是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)，完成能量轉(zhuǎn)換的主要運(yùn)動(dòng)零件。它由機(jī)體組、活塞連桿組和曲軸飛輪組等組成。曲柄連桿機(jī)構(gòu)的工作原理十分簡單，但卻具有極大的實(shí)用性和效率。當(dāng)曲柄旋轉(zhuǎn)時(shí)，連桿隨之進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)活塞進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)形式在許多機(jī)械設(shè)備中都有重要的應(yīng)用。通過控制曲柄的轉(zhuǎn)速和連桿的長度，可以調(diào)控活塞的行程和速度，實(shí)現(xiàn)不同的工作需求。

1、機(jī)體組

      機(jī)體組包括氣缸體、氣缸墊、氣缸蓋、曲軸箱、油底殼等。它們構(gòu)成了發(fā)動(dòng)機(jī)的基本框架，為活塞和其他運(yùn)動(dòng)部件提供了空間。

2、活塞連桿組

      活塞連桿組包括活塞、活塞環(huán)、活塞銷和連桿?；钊跉飧變?nèi)上下移動(dòng)，通過連桿與曲軸相連，將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

3、曲軸飛輪組

      曲軸飛輪組包括曲軸和飛輪。曲軸通過扭轉(zhuǎn)減震器和平衡軸與飛輪相連，它將活塞的線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并通過飛輪傳遞出去。飛輪還負(fù)責(zé)儲(chǔ)存能量，確保發(fā)動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。

 

二、配氣機(jī)構(gòu)

 

      柴油機(jī)工作時(shí)，離不開空氣供給，而空氣是由配氣機(jī)構(gòu)來分配的。 配氣機(jī)構(gòu)的功用是根據(jù)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作順序和工作過程，定時(shí)開啟和關(guān)閉進(jìn)氣門和排氣門，使可燃混合氣或空氣進(jìn)入氣缸，并使廢氣從氣缸內(nèi)排出，實(shí)現(xiàn)換氣過程。配氣機(jī)構(gòu)大多采用頂置氣門式配氣機(jī)構(gòu)，一般由氣門組、氣門傳動(dòng)組和氣門驅(qū)動(dòng)組組成。

1、氣門組

      氣門組包括氣門、氣門導(dǎo)管、氣門彈簧、彈簧座、鎖片、卡環(huán)等零件。氣門組主要保證氣門錐面與氣門座錐面嚴(yán)密配合，在高溫條件下有足夠的強(qiáng)度和耐磨性。

（1）氣門。氣門由氣門頭和氣門桿組成。氣門頭的圓錐面一般是45°錐環(huán)帶與氣門座的錐孔環(huán)帶相貼合，形成密封環(huán)帶。

（2）氣門導(dǎo)管。用于引導(dǎo)氣門作直線運(yùn)動(dòng)，保證氣門與氣門座對中。為防止氣門卡死或機(jī)油漏入汽缸，氣門桿與導(dǎo)管之間的間隙應(yīng)適當(dāng)。

（3）氣門座。采用耐磨材料制成單獨(dú)座圈，以適當(dāng)?shù)木o度壓入汽缸蓋的座孔中。

（4）氣門彈簧。每個(gè)氣門上裝有繞向相反的內(nèi)外兩個(gè)彈簧，以保證氣門及時(shí)自動(dòng)關(guān)閉。

（5）氣門彈簧座及鎖夾。彈簧上座鎖夾卡在氣門桿尾部，限制氣門彈簧的自由伸長。在安裝時(shí)，兩半鎖夾兩邊的間隙應(yīng)相等，低于彈簧上座平面，保證鎖定牢固。

2、氣門傳動(dòng)組

      氣門傳動(dòng)組的主要功用是按照凸輪的外廓形狀傳遞動(dòng)力，使氣門按時(shí)開啟和關(guān)閉。氣門傳動(dòng)組主要由挺柱、推桿、搖臂、搖臂軸等零件組成。

（1）挺柱。挺柱是凸輪的從動(dòng)件，使凸輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橥χ闹本€運(yùn)動(dòng)，并將凸輪的推力通過推桿和搖臂傳到氣門。挺柱的結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕。挺柱上的推桿球面支座的半徑比推桿球頭半徑略大，以便在兩者中間形成楔形油膜來潤滑推桿球頭和挺柱上的球面支座。

（2）推桿。推桿處于挺柱和搖臂之間，將挺柱傳來的運(yùn)動(dòng)和作用力傳給搖臂。在凸輪軸下置式的配氣機(jī)構(gòu)中，推桿是一個(gè)細(xì)長桿件，加上傳遞的力很大，所以極易彎曲。因此，要求推桿有較好的縱向穩(wěn)定性和較大的剛度。

（3）搖臂。搖臂的功用是將推桿和凸輪傳來的運(yùn)動(dòng)和作用力改變方向，傳給氣門使其開啟。搖臂是一個(gè)雙臂杠桿，以搖臂軸為支點(diǎn)，兩臂不等長。短臂端加工有螺紋孔，用來擰入氣門間隙調(diào)整螺釘。長臂端加工成圓弧面，是推動(dòng)氣門的工作面。

（4）搖臂軸。固定在汽缸蓋上，用來支撐搖臂，其空腔兼做油道。

 

三、燃料供給系統(tǒng)

 

      燃料供給系統(tǒng)的功用是根據(jù)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，配制出一定數(shù)量和濃度的混合氣，供入氣缸，并將燃燒后的廢氣從氣缸內(nèi)排出到大氣中去；柴油發(fā)電機(jī)燃料供給系統(tǒng)的功用是把柴油和空氣分別供入氣缸，在燃燒室內(nèi)形成混合氣并燃燒，最后將燃燒后的廢氣排出。

1、燃油箱

      用于存放燃油的容器，為燃油系統(tǒng)提供燃料。燃油箱一般位于柴油機(jī)附近，并通過燃油管道與燃油過濾器相連。

2、燃油過濾器

      對燃油進(jìn)行過濾，去除其中的雜質(zhì)和微粒。保持燃油的純凈度，減少對噴油器和燃油泵的損壞。

3、燃油泵

      將燃油從燃油箱中抽取，并加壓向噴油器供給燃油。燃油泵一般由驅(qū)動(dòng)齒輪、柱塞、柱塞泵等部件組成。

4、噴油器

      將燃油霧化成微小的顆粒，并將燃油噴射到氣缸中。噴油器一般由噴油嘴、噴油器針閥和噴孔等部件組成。

 

四、潤滑系統(tǒng)

 

      柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是依賴其零件的相對運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，相對運(yùn)動(dòng)的零件之間必然產(chǎn)生摩擦和磨損。干摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱，使零件溫度升高，磨損加劇，表面擦傷、膠合，甚至咬死。因此，不潤滑柴油發(fā)動(dòng)機(jī)就不能工作；潤滑不良，會(huì)使柴油發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障，縮短壽命。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，使用中柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的故障有50%~60%是由于潤滑不當(dāng)引起的。因此，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)有良好的潤滑系統(tǒng)，連續(xù)不斷地供給各個(gè)摩擦表面潤滑劑（潤滑油、潤滑脂），以減少摩擦，降低磨損，保護(hù)摩擦表面。潤滑油除了有潤滑作用外，還可以起散熱作用、帶走摩擦表面的污物作用，以及短時(shí)間防銹作用，對于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸活塞組還有密封作用。

1、機(jī)油泵

      轉(zhuǎn)子式機(jī)油泵由內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子、油泵殼體等組成。油泵工作時(shí)，內(nèi)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)外殼向同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。內(nèi)轉(zhuǎn)子有四個(gè)凸齒，外轉(zhuǎn)子有五個(gè)凹齒，它們可以看作是一對只相差一個(gè)齒的內(nèi)嚙合傳動(dòng)，其轉(zhuǎn)速比為5：4。無論轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到任何角度，內(nèi)外轉(zhuǎn)子各齒形之間總有接觸，分隔成5個(gè)空腔。進(jìn)油道一側(cè)的空腔，由于轉(zhuǎn)子脫開嚙合，容積增大，產(chǎn)生真空度（即空腔內(nèi)壓力低于外界壓力），機(jī)油被吸入空外轉(zhuǎn)子徑向間隙約0.06～0.15 mm。間隙過大會(huì)降低機(jī)油泵的泵油效率，造成供油不足。當(dāng)因磨損使軸向間隙增大到0.15mm、徑向間隙增大到0.22 mm時(shí)，潤滑油量和機(jī)油壓力會(huì)明顯下降，影響正常潤滑。這時(shí)可通過調(diào)整機(jī)油泵體與機(jī)油泵蓋的墊片來調(diào)整轉(zhuǎn)子的軸向間隙。內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的嚙合間隙超過磨損極限時(shí)應(yīng)更換新件。

2、機(jī)油濾清器

      按濾清方式不同，機(jī)油濾清器可分為過濾式和離心式兩大類。過濾式濾清器按其結(jié)構(gòu)形式又可分為濾網(wǎng)式、刮片式、紙質(zhì)濾芯式、線繞式和復(fù)合式等。拖拉機(jī)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油濾清器廣泛采用單級紙質(zhì)濾清器。濾芯為圓筒折疊式紙質(zhì)濾芯。濾紙經(jīng)化學(xué)處理，具有無數(shù)微細(xì)小孔，兩端與端蓋粘合密封。機(jī)油通過濾紙的微孔進(jìn)入內(nèi)腔時(shí)得到過濾，然后流入主油道。主油道的機(jī)油壓力可以用濾清器上的調(diào)壓閥調(diào)整，此壓力一般為0.2～0.4 MPa。在濾清的過程中，如果濾芯過臟或冷車啟動(dòng)潤滑油黏度增加，機(jī)油通過濾芯的阻力增大，使油道中機(jī)油量不足時(shí)，機(jī)油就沖開旁通閥（安全閥），不經(jīng)過濾直接進(jìn)入油道。旁通閥的開啟壓力一般為0.1~0.2 MPa。

3、油底殼

      油底殼是存放潤滑油的容器，通常位于柴油機(jī)底部。油底殼具有一定的容積，以確保潤滑油在柴油機(jī)工作過程中的正常循環(huán)。油底殼內(nèi)還配有油位表，用于監(jiān)測潤滑油的油位，以便及時(shí)補(bǔ)充潤滑油。

4、機(jī)油冷卻器

      機(jī)油冷卻器是潤滑系統(tǒng)中的附件部件，其主要作用是通過冷卻潤滑油，降低潤滑油的溫度，防止?jié)櫥瓦^熱。

 

柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

機(jī)油濾清器零件解剖示意圖

 

五、冷卻系統(tǒng)

 

      冷卻系統(tǒng)的功用是將受熱零件吸收的部分熱量及時(shí)散發(fā)出去，保證柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在最適宜的溫度狀態(tài)下工作。水冷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)通常由冷卻液套、水泵、風(fēng)扇、水箱、節(jié)溫器等組成。

1、冷卻水泵

      水泵是柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的核心部件，主要作用是通過葉輪將水循環(huán)流動(dòng)，形成連續(xù)的循環(huán)，使柴油機(jī)的熱量得到有效的散發(fā)。水泵由葉輪、水封、軸承組成，它們的質(zhì)量直接影響柴油機(jī)的穩(wěn)定性。

2、散熱器

      散熱器是冷卻液流經(jīng)的地方，通過雙重金屬片插彎相間的結(jié)構(gòu)，達(dá)到充分的接觸，使散熱效果更佳。它的作用是將排出柴油機(jī)的熱量轉(zhuǎn)移到周圍環(huán)境，使溫度降低，保持柴油機(jī)在正常工作溫度范圍內(nèi)。

3、節(jié)溫器

      節(jié)溫器是調(diào)節(jié)冷卻液的溫度的控制裝置。它根據(jù)柴油機(jī)工作的溫度情況，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)水溫。一般情況下，它位于散熱系統(tǒng)的出水口處。

4、散熱風(fēng)扇

      風(fēng)扇是柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)中的重要組成部分，主要作用是散出汽車前進(jìn)時(shí)所產(chǎn)生的風(fēng)阻，加速空氣流動(dòng)?？諝饬鬟^水箱散熱器時(shí)，可以幫助水箱散熱器更快地散熱，保持柴油機(jī)正常工作溫度。

 

柴油機(jī)冷卻液循環(huán)路徑示意圖

柴油機(jī)冷卻液循環(huán)流程框圖

 

六、起動(dòng)系統(tǒng)

 

      要使柴油發(fā)動(dòng)機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)過渡到工作狀態(tài)，必須先用外力轉(zhuǎn)動(dòng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸，使活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，氣缸內(nèi)的可燃混合氣燃燒膨脹作功，推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)使曲軸旋轉(zhuǎn)。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)才能自行運(yùn)轉(zhuǎn)，工作循環(huán)才能自動(dòng)進(jìn)行。因此，曲軸在外力作用下開始轉(zhuǎn)動(dòng)到柴油發(fā)動(dòng)機(jī)開始自動(dòng)地怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的全過程，稱為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)。完成起動(dòng)過程所需的裝置，稱為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)系統(tǒng)。電啟動(dòng)系統(tǒng)主要由起動(dòng)機(jī)、蓄電池、充電發(fā)電機(jī)、主控制器等組成。

1、蓄電池

       當(dāng)啟動(dòng)柴油機(jī)時(shí)，蓄電池負(fù)責(zé)為起動(dòng)機(jī)提供所需的電力，確保發(fā)動(dòng)機(jī)能夠順利啟動(dòng)。

2、起動(dòng)馬達(dá)

      起動(dòng)馬達(dá)的作用是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過電磁開關(guān)、起動(dòng)繼電器和點(diǎn)火起動(dòng)開關(guān)等控制裝置，驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪旋轉(zhuǎn)，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)

3、充電發(fā)電機(jī)

      充電發(fā)電機(jī)是一種直流發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子內(nèi)置有永磁體和線圈，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，永磁體和線圈之間的磁場發(fā)生改變，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，最終將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

4、主控制器

      主控制器按照預(yù)定順序改變主電路或控制電路的接線和改變電路中電阻值來控制柴油發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)和反向的主令裝置。由程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時(shí)序產(chǎn)生器和操作控制器組成，它是發(fā)布命令的“決策機(jī)構(gòu)”，即完成協(xié)調(diào)和指揮整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操作，控制著發(fā)電機(jī)組的整體運(yùn)行。

 

柴油機(jī)起動(dòng)機(jī)內(nèi)部構(gòu)造示意圖

柴油機(jī)起動(dòng)機(jī)電磁開關(guān)原理圖

 

總結(jié)：

      柴油機(jī)是一種利用壓縮燃油混合氣使其自燃的內(nèi)燃機(jī)。相對于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)而言，柴油機(jī)更加高效、經(jīng)濟(jì)和耐用?？傊?，柴油機(jī)的構(gòu)造是復(fù)雜的，由多個(gè)部件組成。每個(gè)構(gòu)造部分都有各自的特點(diǎn)和功能，構(gòu)成了柴油機(jī)整體的運(yùn)行系統(tǒng)。理解柴油機(jī)的構(gòu)造對于正確地進(jìn)行操作、檢修以及維護(hù)都非常重要。

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