新聞主題	柴油發(fā)動機的結構和控制及工作原理

 

摘要：柴油發(fā)動機通常是壓燃式發(fā)動機，利用燃料的化學能轉(zhuǎn)化為熱能和動能。燃料和空氣在地面的大氣壓力下相遇并混合，同時通過噴油器噴入氣缸。在氣缸中，依靠壓縮終了時缸內(nèi)充量的高溫、高壓引起混合氣自燃，產(chǎn)生爆炸并向下推動活塞。因此，我們就可以看到柴油發(fā)動機是基于熱力學原理進行工作的，同時還需要潤滑、冷卻等技術的保障，確保發(fā)動機的安全和穩(wěn)定。

 

一、柴油發(fā)動機的構成

 

      發(fā)電機組驅(qū)動柴油機通常采用四沖程。其原理為柴油發(fā)動機將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的過程，是經(jīng)過進氣、壓縮、作功和排氣四個連續(xù)的過程來實現(xiàn)的，每進行一次這樣的過程就叫一個工作循環(huán)。凡是曲軸旋轉(zhuǎn)兩圈，活塞往復四個行程完成一個工作循環(huán)的，稱為四沖程發(fā)動機。柴油機通常由曲柄連桿、配氣（兩大機構）和燃料供給、潤滑、冷卻、起動、進排氣（五大系統(tǒng)）組成，其結構與內(nèi)部剖析圖如圖1、圖2所示。

1、曲柄連桿機構

      曲柄連桿機構是由氣缸體、氣缸蓋、活塞、連桿、曲軸和飛輪等組成，結構如圖3所示。這是發(fā)動機產(chǎn)生動力，并將活塞的直線往復運動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S旋轉(zhuǎn)運動而對外輸出動力。

2、配氣機構

      配氣機構是由進氣門、排氣門、氣門彈簧、挺桿、凸輪軸和正時齒輪等組成。其作用是將新鮮氣體及時充入氣缸，并將燃燒產(chǎn)生的廢氣及時排出氣缸。

3、燃料供給系統(tǒng)

      柴油機燃料供給系統(tǒng)由燃油箱、輸油泵、噴油泵、柴油濾清器等組成，系統(tǒng)結構如圖4所示。其作用是向氣缸內(nèi)供給純空氣并在規(guī)定時刻向缸內(nèi)噴入定量柴油，以調(diào)節(jié)發(fā)動機輸出功率和轉(zhuǎn)速，最后，將燃燒后廢氣排出氣缸。

（1）噴油泵是將柴油從油箱經(jīng)管道進入濾清器濾清，當某氣缸需要噴油時，將柴油壓入噴油器，并由噴油器噴入燃燒室。

（2）燃油濾清器的功能是讓燃油在進入油泵之前濾出雜質(zhì)。濾清器在工作時，終究會因雜質(zhì)堆積而形成阻礙，從而降低發(fā)動機的功率。所以濾清器的阻力不能超過規(guī)定值。必須按保養(yǎng)和維修手冊中的建議，按一定的存放時間、工作小時數(shù)更換濾清器。

4、進氣系統(tǒng)

      對進氣系統(tǒng)統(tǒng)基本要求是盡可能多的向發(fā)動機提供清潔空氣。進氣方式可分為自然吸氣、增壓、增壓中冷、雙增壓中冷。系統(tǒng)統(tǒng)主要由空氣濾清器、進氣管道、缸蓋氣道等構成。其中空氣濾清器的主要功用是濾除空氣中的雜質(zhì)、塵埃，保證進入汽缸空氣的清潔度，以延長發(fā)動機的使用壽命。

5、冷卻系統(tǒng)

      柴油機一般采用水冷卻式。水冷式由水泵、散熱器、風扇、節(jié)溫器和水套（在機體內(nèi)）等組成，其作用是利用冷卻水的循環(huán)將高溫零件的熱量通過散熱器散發(fā)到大氣中，從而維持發(fā)動機電動正常工作溫度。噴入柴油機燃燒室的柴油，燃燒產(chǎn)生的大量的熱量；其中約三分之一通過活塞及連桿機構，轉(zhuǎn)換成機械能，對外做功；約三分之一由排氣排出；約三分之一由冷卻系統(tǒng)統(tǒng)散失。

（1）康明斯發(fā)動機冷卻方式為循環(huán)水冷卻式，它與其他發(fā)動機冷卻系統(tǒng)統(tǒng)具有相同功能，即儲存足夠的冷卻水、構成循環(huán)水流、控制發(fā)動機的水溫、散失冷卻系統(tǒng)統(tǒng)多余的熱量?？得魉拱l(fā)動機冷卻系統(tǒng)統(tǒng)的特點在于：使用化學裝置（水濾器）對系統(tǒng)統(tǒng)進行保護。

（2）散熱器分為水箱式和熱交換器式兩種，其中熱交換器式常用于機房（艙）空間有限，空氣流通困難的環(huán)境。

（3）所有的康明斯發(fā)動機均采用離心式水泵；由水泵體、水泵軸、葉輪、軸承、密封件、蝸殼構成。

（4）傳動皮帶的工作狀態(tài)將直接影響冷卻系統(tǒng)統(tǒng)工作溫度；張緊過度的皮帶將使兩端軸、帶輪及皮帶增加磨損；張緊不夠的皮帶將會打滑，使所傳動的部件工作效率降低、皮帶發(fā)熱造成損壞。

6、潤滑系統(tǒng)

      潤滑系統(tǒng)由機油泵、濾清器、油道、油底殼等組成。潤滑系統(tǒng)統(tǒng)的功能是將定量、潔凈，有適當粘度的潤滑油輸送至各必要部位，以減小摩擦力，減緩機件磨損，并清洗、冷卻摩擦表面。它對柴油機的工作可靠性和耐久性有很重要的作用，包括：減少零件的磨損和降低摩擦功；對潤滑表面進行冷卻和清洗；對油膜吸附的地方起防銹作用；提供液壓介質(zhì)。

7、起動系統(tǒng)

      起動系統(tǒng)統(tǒng)由電瓶、導線、電磁切斷閥、啟動開關、起動機、充電機組成，用以使靜止的發(fā)動機起動并轉(zhuǎn)入自行運轉(zhuǎn)狀態(tài)。各部分主要功能如下：

（1）電瓶：儲存電能。

（2）高壓線圈：改變電壓。

（3）分電器：自動電源開關。

（4）啟動開關：手動電源開關。

（5）電磁切斷閥：電控油路開關。

（6）起動機：為發(fā)動機提供初始動能。

（7）充電機：給系統(tǒng)統(tǒng)提供電能。

 

圖1  柴油發(fā)動機結構示意圖	圖2  柴油發(fā)動機結構剖析圖
圖3  柴油機曲柄連桿機構	圖4  柴油發(fā)電機燃油系統(tǒng)基本結構圖

 

二、柴油發(fā)動機的工作原理

 

      柴油發(fā)動機將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的過程，是經(jīng)過進氣、壓縮、作功和排氣四個連續(xù)的過程來實現(xiàn)的，每進行一次這樣的過程就叫一個工作循環(huán)。凡是曲軸旋轉(zhuǎn)兩圈，活塞往復四個行程完成一個工作循環(huán)的，稱為四沖程發(fā)動機。四沖程柴油機的工作原理：

1．進氣行程

      如圖5（a） 曲軸帶動活塞從上止點向下止點運動，此時，進氣門開啟，排氣門關閉?；钊苿舆^程中，氣缸內(nèi)容積逐漸增大，形成真空度，于是可燃混合氣通過進氣門被吸入氣缸，直至活塞到達下止點，進氣門關閉時結束。

      由于進氣系統(tǒng)統(tǒng)存在進氣阻力，進氣終了時氣缸內(nèi)氣體的壓力低于大氣壓力，約為0.075MPa～0.09MPa。由于氣缸壁、活塞等高溫件及上一循環(huán)留下的高溫殘余廢氣的加熱，氣體溫度升高到370K～440K。進氣行程中進入氣缸的不是可燃混合氣，而是純空氣。

2、壓縮行程

      如圖5（b）所示，進氣行程結束時，活塞在曲軸的帶動下，從下止點向上止點運動，氣缸內(nèi)容積逐漸減小。此時進、排氣門均關閉，純空氣被壓縮，至活塞到達上止點時壓縮結束。壓縮過程中，氣體壓力和溫度同時升高，并使混合氣進一步均勻混合，由于柴油的壓縮比大，約為15～22，壓縮終了的溫度和壓力比較高，壓力可達3MPa～5MPa，溫度可達800K~1000K。

3、做功行程

      如圖6（a）在壓縮行程終了時，噴油泵將高壓柴油經(jīng)噴油器呈霧狀噴入氣缸內(nèi)的高溫高壓空氣中，被迅速汽化并與空氣形成混合氣。由于氣缸內(nèi)的溫度高于柴油的自燃溫度（約500K左右），柴油混合氣便立即自行著火燃燒，且此后一段時間內(nèi)邊噴油邊燃燒，氣缸內(nèi)壓力和溫度急劇升高，推動活塞下行作功。作功行程中，瞬時壓力可達5MPa～10MPa，瞬時溫度可達1800K～2200K。

4、排氣行程

      如圖6（b）所示，在做功行程接近終了時，排氣門打開，進氣門關閉，曲軸通過連桿推動活塞從下止點向上止點運動。廢氣在自身剩余壓力和在活塞推動下，被排出氣缸，至活塞到達上止點時，排氣門關閉，排氣結束。因排氣系統(tǒng)統(tǒng)存在排氣阻力，排氣沖程終了時，氣缸內(nèi)壓力略高于大氣壓力，約為0.105MPa～0.115MPa，溫度約為900K～1200K。

      四個行程中只有作功行程產(chǎn)生動力，其他三個行程是為作功行程做準備工作的輔助行程，都要消耗一部分能量。發(fā)動機起動時的第一個循環(huán)，必須有外力將曲軸轉(zhuǎn)動，以完成進氣和壓縮行程。當作功行程開始后，作功能量便通過曲軸儲存在飛輪內(nèi)，以維持以后的循環(huán)得以繼續(xù)進行。

 

圖5  柴油機進氣和壓縮行程流程解析

圖6  柴油機做功和排氣行程流程解析

 

三、柴油發(fā)動機的控制

 

      以下幾部分部件可完成對柴油機的控制：

1、調(diào)速器的分類

      在柴油機各種工況運轉(zhuǎn)中，當外界負荷發(fā)生變化時能自動調(diào)節(jié)噴油泵的供油量，以保證柴油機在規(guī)定的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，防止柴油機運轉(zhuǎn)超速運轉(zhuǎn)（飛車）一控制最高轉(zhuǎn)速；保證愛最低轉(zhuǎn)速下能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)一控制最低轉(zhuǎn)速：隨著外界負荷的變化，自動調(diào)節(jié)供油量，使之在規(guī)定的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定工作。

（1）機械離心式調(diào)速器

      機械離心式調(diào)速器是根據(jù)彈簧力和離心力相平衡進行調(diào)速的，工作中，彈簧力總是將供油拉桿向循環(huán)供油量增加的方向移動；而離心力總是將供油拉桿向循環(huán)供油量減少的方向移動。當負荷減小時，轉(zhuǎn)速升高，離心力大于彈簧力，供油拉桿向循環(huán)保油量減少的方向移動，循環(huán)供油量減小，轉(zhuǎn)速降低，離心力又小于彈簧力，供油拉桿又向循環(huán)供油量增加的方向移動，循環(huán)供油量增加，轉(zhuǎn)速又升高，直到離心力和彈簧力平衡，供油拉桿才保持不變。這樣轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定在很小的范圍內(nèi)變化。

      反之當負荷增加時，轉(zhuǎn)速降低，彈簧力大于離心力，供油拉桿向循環(huán)供油量增加的方向移動，循環(huán)供油量增加，轉(zhuǎn)速升高，彈簧力又小于離心力，供油拉桿又向循環(huán)供油量減小的方向移動，循環(huán)供油量減小，轉(zhuǎn)速又降低，直到離心力和彈簧力平衡。

（2）電子調(diào)速器

      電子調(diào)速器是根據(jù)接受的電信號，通過控制器和執(zhí)行器來改變噴油泵供油量的大小。電子調(diào)速器主要由轉(zhuǎn)速調(diào)整電位器、轉(zhuǎn)速傳感器、控制器、執(zhí)行器和保險電路等組成。

      傳感器通過飛輪上的齒圈測量出發(fā)動機轉(zhuǎn)速實際值，并送至控制器，在控制器中實際值與預先設定需要的轉(zhuǎn)速相比較，其比較的差值經(jīng)控制線路的整理、放大，驅(qū)動執(zhí)行器輸出軸，通過調(diào)節(jié)連桿拉動噴油泵齒桿，進行供油量的調(diào)節(jié)，從而達到保持此設定轉(zhuǎn)速的目的。電子控制系統(tǒng)統(tǒng)會將負荷變化而引起的設定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速之間的差值消除，使發(fā)動機保持原設定的轉(zhuǎn)速。根據(jù)機組需要，也可調(diào)節(jié)不均勻度電位器，以使調(diào)速系統(tǒng)統(tǒng)獲得滿意的靜態(tài)調(diào)速率。電子調(diào)速器還配有多種附件裝置，根據(jù)機組需要，裝上相應附件，可以實現(xiàn)自動同步、負荷分配及負荷預置等功能要求。

2、調(diào)速器的工作指標

      調(diào)速器的性能好環(huán)直接影響著柴油機運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和可靠性。評定調(diào)速器性能的主要工作指標有以下幾個：

（1）轉(zhuǎn)速波動率

      轉(zhuǎn)運波動率Yn是指柴油機穩(wěn)定工況下最大轉(zhuǎn)速Nmax（或最小轉(zhuǎn)速Nmin）與平均轉(zhuǎn)速Nm之差同平均轉(zhuǎn)速Nm之比值百分數(shù)，即γn=（Nmax-Nm）*100%/Nm穩(wěn)定工況下，最大轉(zhuǎn)速Nmax（或最小轉(zhuǎn)速Nmax）與平均轉(zhuǎn)速之差同平均轉(zhuǎn)速之比值百分數(shù)。

（2）瞬時調(diào)速率

      瞬時速差率dd是指柴油機突加（或突卸）全負荷的最?。ɑ蜃畲螅┺D(zhuǎn)速n2（或n4）與負荷改變前的轉(zhuǎn)速n1（或n3）之差同標定轉(zhuǎn)速ne之比值百分數(shù)，即

6d（突加）=（n₁-n₂）100%/n_e或δd（突減）=(n₄-n₃)100%/n_e

式中，n₁--突加負荷前的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速（r/min）；

n₂——突加負荷后的最小瞬時轉(zhuǎn)速（r/min），

n₃--突卸負荷前的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速（r/min）；

n₄--突卸負荷后的最大瞬時轉(zhuǎn)速（r/min）；

n_e--標定轉(zhuǎn)速（r/min）。

（3）過渡過程的穩(wěn)定時間

      過渡過程穩(wěn)定時間t是指從突加（或突卸）全負荷轉(zhuǎn)速開始波動到轉(zhuǎn)速達到新的穩(wěn)定范圍（即轉(zhuǎn)速波動率Yn不大于規(guī)定值）為止的時間（以秒計）。

      過渡過程的穩(wěn)定時間是過渡過程的主要工作指標之一。它表明消除過渡過程中波動現(xiàn)象的快慢。穩(wěn)定時問愈短，轉(zhuǎn)速波動消除愈快，就說明調(diào)速器的穩(wěn)定性好。t一般限制在5-10秒內(nèi)。

（4）穩(wěn)態(tài)調(diào)速率

      調(diào)速器的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率是指當操縱手柄在標定供油位置不變時，空車穩(wěn)定轉(zhuǎn)速與全負荷穩(wěn)定轉(zhuǎn)速之差同標定轉(zhuǎn)速比值百分數(shù)，可用公式表示為：

δ_rt=(n₁-n₃)100%/n_e

      δrt用來衡量調(diào)速器的準確性，是調(diào)速器的靜態(tài)特征，其數(shù)值小，表示調(diào)速器的準確性愈好。

（5）不靈敏度

      調(diào)速器工作時，由于噴油泵和調(diào)速器的各種機構中存在著摩擦，需要有一定的力來克服，因為機構中摩擦阻力阻止套筒的移動，所以不論柴油機轉(zhuǎn)速增加減少，調(diào)速器都不會立即作出反應，改變供油量。例如發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速為200r/min，調(diào)速器可能對轉(zhuǎn)速在n₁=197r/min到n2=203r/min范圍內(nèi)的變動都不作反應。這種現(xiàn)象稱為調(diào)速器的不靈敏性。這兩個起作用的極限轉(zhuǎn)速之差與發(fā)動機平均轉(zhuǎn)速Nm之比稱為不靈敏度，即：

e=(n₂-n₁)/N_m

式中，n₁-----當發(fā)動機負荷增大時調(diào)速器開始起作用時的轉(zhuǎn)速（r/min）；

n₂-----當發(fā)動機負荷減小時調(diào)速器開始起作用時的轉(zhuǎn)速（r/min）；

N_m----發(fā)動機的平均轉(zhuǎn)速（r/min）。

      不靈敏度主要是由于噴油泵、調(diào)速器機構中存在摩擦所引起的。顯然摩擦力越小，調(diào)速器就越靈敏。實驗表明，低速時不靈敏度顯著增加。不靈敏度過大會引起柴油機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。一般在標定轉(zhuǎn)速下不靈敏度不超過1.5—2%，最低轉(zhuǎn)速時不超過10—13%。

（6）調(diào)速器的精度等級

      根據(jù)不同用途，我國將調(diào)速系統(tǒng)統(tǒng)的精度等級分為四級。對于船用柴油機調(diào)速系統(tǒng)統(tǒng)，突卸負荷只要求達到4級精度即可，而且穩(wěn)定時間t也不作具體規(guī)定。對柴油發(fā)電機組，則要求高于3級，對車用電站或應急發(fā)電機組，則要求1級或2級精度。

3、 凸輪軸

      凸輪軸提供合時的噴油量所需的正時。凸輪軸通過正時齒輪或者齒型皮帶由曲軸驅(qū)動而轉(zhuǎn)動，通過氣門傳動組件定時將氣門打開，將新鮮燃料充入汽缸或者將燃燒后的廢氣排除汽缸。曲軸正時齒輪與中間齒輪、噴油泵正時齒輪之間均有配對正時記號。如果松開聯(lián)軸節(jié)連接螺栓，將泵體向外搬動，即油泵凸輪軸在油泵正時齒輪不動的前提下順時針方向轉(zhuǎn)動一個角度，供油提前角度增加；反之，將泵體向內(nèi)搬動，供油提前角度減小；柴油機最佳供油提前角隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高而增大，因此，噴油泵凸輪軸前端應安裝供油提前角自動提前器。

4、噴油器

      噴油器完成定量噴油的工作。噴油器是實現(xiàn)燃油噴射、霧化的重要部件。要求噴油器應能滿足發(fā)動機對其噴霧特性的要求，即應具有一定的油束貫穿距離和噴注錐角以及良好的霧化質(zhì)量，并且在噴油結束時不發(fā)生滴漏現(xiàn)象。以上三部分部件連同其他部件一起確保發(fā)動機在期望的轉(zhuǎn)速下正常運轉(zhuǎn)。

 

總結：

      想知道發(fā)動機的工作原理需要先了解四個基本循環(huán)過程：進氣、壓縮、點火和排氣。這四個過程循環(huán)進行，驅(qū)動柴油機運行?？傊私獠裼桶l(fā)動機的工作原理是關鍵，它們的復雜過程非常重要，可以直接影響柴油發(fā)電機組的性能?？梢园巡裼桶l(fā)動機比喻為人體的心臟，細心呵護好它，才能讓柴油發(fā)電機組為工廠企業(yè)供電保駕護航。

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