新聞主題	柴油發(fā)動(dòng)機的結構和控制及工作原理

 

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

 

一、柴油發(fā)動(dòng)機的構成

 

      發(fā)電機組驅動(dòng)柴油機通常采用四沖程。其原理為柴油發(fā)動(dòng)機將熱能轉變?yōu)闄C械能的過(guò)程，是經(jīng)過(guò)進(jìn)氣、壓縮、作功和排氣四個(gè)連續的過(guò)程來(lái)實(shí)現的，每進(jìn)行一次這樣的過(guò)程就叫一個(gè)工作循環(huán)。凡是曲軸旋轉兩圈，活塞往復四個(gè)行程完成一個(gè)工作循環(huán)的，稱(chēng)為四沖程發(fā)動(dòng)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(dòng)、進(jìn)排氣（五大系統）組成，其結構與內部剖析圖如圖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(dòng)機產(chǎn)生動(dòng)力，并將活塞的直線(xiàn)往復運動(dòng)轉變?yōu)榍S旋轉運動(dòng)而對外輸出動(dòng)力。

2、配氣機構

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

3、燃料供給系統

      柴油機燃料供給系統由燃油箱、輸油泵、噴油泵、柴油濾清器等組成，系統結構如圖4所示。其作用是向氣缸內供給純空氣并在規定時(shí)刻向缸內噴入定量柴油，以調節發(fā)動(dòng)機輸出功率和轉速，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(jìn)入濾清器濾清，當某氣缸需要噴油時(shí)，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(jìn)入油泵之前濾出雜質(zhì)。濾清器在工作時(shí)，終究會(huì )因雜質(zhì)堆積而形成阻礙，從而降低發(fā)動(dòng)機的功率。所以濾清器的阻力不能超過(guò)規定值。必須按保養和維修手冊中的建議，按一定的存放時(shí)間、工作小時(shí)數更換濾清器。

4、進(jìn)氣系統

      對進(jìn)氣系統統基本要求是盡可能多的向發(fā)動(dòng)機提供清潔空氣。進(jìn)氣方式可分為自然吸氣、增壓、增壓中冷、雙增壓中冷。系統統主要由空氣濾清器、進(jìn)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(jìn)入汽缸空氣的清潔度，以延長(cháng)發(fā)動(dòng)機的使用壽命。

5、冷卻系統

      柴油機一般采用水冷卻式。水冷式由水泵、散熱器、風(fēng)扇、節溫器和水套（在機體內）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(guò)散熱器散發(fā)到大氣中，從而維持發(fā)動(dòng)機電動(dòng)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(guò)活塞及連桿機構，轉換成機械能，對外做功；約三分之一由排氣排出；約三分之一由冷卻系統統散失。

（1）康明斯發(fā)動(dòng)機冷卻方式為循環(huán)水冷卻式，它與其他發(fā)動(dòng)機冷卻系統統具有相同功能，即儲存足夠的冷卻水、構成循環(huán)水流、控制發(fā)動(dòng)機的水溫、散失冷卻系統統多余的熱量?？得魉拱l(fā)動(dòng)機冷卻系統統的特點(diǎn)在于：使用化學(xué)裝置（水濾器）對系統統進(jìn)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(dòng)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(dòng)皮帶的工作狀態(tài)將直接影響冷卻系統統工作溫度；張緊過(guò)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(huì )打滑，使所傳動(dòng)的部件工作效率降低、皮帶發(fā)熱造成損壞。

6、潤滑系統

      潤滑系統由機油泵、濾清器、油道、油底殼等組成。潤滑系統統的功能是將定量、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(jìn)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(dòng)系統

      起動(dòng)系統統由電瓶、導線(xiàn)、電磁切斷閥、啟動(dòng)開(kāi)關(guān)、起動(dòng)機、充電機組成，用以使靜止的發(fā)動(dòng)機起動(dòng)并轉入自行運轉狀態(tài)。各部分主要功能如下：

（1）電瓶：儲存電能。

（2）高壓線(xiàn)圈：改變電壓。

（3）分電器：自動(dòng)電源開(kāi)關(guān)。

（4）啟動(dòng)開(kāi)關(guān)：手動(dòng)電源開(kāi)關(guān)。

（5）電磁切斷閥：電控油路開(kāi)關(guān)。

（6）起動(dòng)機：為發(fā)動(dòng)機提供初始動(dòng)能。

（7）充電機：給系統統提供電能。

 

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

 

二、柴油發(fā)動(dòng)機的工作原理

 

      柴油發(fā)動(dòng)機將熱能轉變?yōu)闄C械能的過(guò)程，是經(jīng)過(guò)進(jìn)氣、壓縮、作功和排氣四個(gè)連續的過(guò)程來(lái)實(shí)現的，每進(jìn)行一次這樣的過(guò)程就叫一個(gè)工作循環(huán)。凡是曲軸旋轉兩圈，活塞往復四個(gè)行程完成一個(gè)工作循環(huán)的，稱(chēng)為四沖程發(fā)動(dòng)機。四沖程柴油機的工作原理：

1．進(jìn)氣行程

      如圖5（a） 曲軸帶動(dòng)活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運動(dòng)，此時(shí)，進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟，排氣門(mén)關(guān)閉?；钊苿?dòng)過(guò)程中，氣缸內容積逐漸增大，形成真空度，于是可燃混合氣通過(guò)進(jìn)氣門(mén)被吸入氣缸，直至活塞到達下止點(diǎn)，進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)結束。

      由于進(jìn)氣系統統存在進(jìn)氣阻力，進(jìn)氣終了時(shí)氣缸內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(jìn)氣行程中進(jìn)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(jìn)氣行程結束時(shí)，活塞在曲軸的帶動(dòng)下，從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運動(dòng)，氣缸內容積逐漸減小。此時(shí)進(jìn)、排氣門(mén)均關(guān)閉，純空氣被壓縮，至活塞到達上止點(diǎn)時(shí)壓縮結束。壓縮過(guò)程中，氣體壓力和溫度同時(shí)升高，并使混合氣進(jìn)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(shí)，噴油泵將高壓柴油經(jīng)噴油器呈霧狀噴入氣缸內的高溫高壓空氣中，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(zhù)火燃燒，且此后一段時(shí)間內邊噴油邊燃燒，氣缸內壓力和溫度急劇升高，推動(dòng)活塞下行作功。作功行程中，瞬時(shí)壓力可達5MPa～10MPa，瞬時(shí)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(shí)，排氣門(mén)打開(kāi)，進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉，曲軸通過(guò)連桿推動(dòng)活塞從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運動(dòng)。廢氣在自身剩余壓力和在活塞推動(dòng)下，被排出氣缸，至活塞到達上止點(diǎn)時(shí)，排氣門(mén)關(guān)閉，排氣結束。因排氣系統統存在排氣阻力，排氣沖程終了時(shí)，氣缸內壓力略高于大氣壓力，約為0.105MPa～0.115MPa，溫度約為900K～1200K。

      四個(gè)行程中只有作功行程產(chǎn)生動(dòng)力，其他三個(gè)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(dòng)機起動(dòng)時(shí)的第一個(gè)循環(huán)，必須有外力將曲軸轉動(dòng)，以完成進(jìn)氣和壓縮行程。當作功行程開(kāi)始后，作功能量便通過(guò)曲軸儲存在飛輪內，以維持以后的循環(huán)得以繼續進(jìn)行。

 

圖5  柴油機進(jìn)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(dòng)機的控制

 

      以下幾部分部件可完成對柴油機的控制：

1、調速器的分類(lèi)

      在柴油機各種工況運轉中，當外界負荷發(fā)生變化時(shí)能自動(dòng)調節噴油泵的供油量，以保證柴油機在規定的轉速下穩定運轉，防止柴油機運轉超速運轉（飛車(chē)）一控制最高轉速；保證愛(ài)最低轉速下能穩定運轉一控制最低轉速：隨著(zhù)外界負荷的變化，自動(dòng)調節供油量，使之在規定的轉速下穩定工作。

（1）機械離心式調速器

      機械離心式調速器是根據彈簧力和離心力相平衡進(jìn)行調速的，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(dòng)；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(dòng)。當負荷減小時(shí)，轉速升高，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(dòng)，循環(huán)供油量減小，轉速降低，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(dòng)，循環(huán)供油量增加，轉速又升高，直到離心力和彈簧力平衡，供油拉桿才保持不變。這樣轉速基本穩定在很小的范圍內變化。

      反之當負荷增加時(shí)，轉速降低，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(dòng)，循環(huán)供油量增加，轉速升高，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(dòng)，循環(huán)供油量減小，轉速又降低，直到離心力和彈簧力平衡。

（2）電子調速器

      電子調速器是根據接受的電信號，通過(guò)控制器和執行器來(lái)改變噴油泵供油量的大小。電子調速器主要由轉速調整電位器、轉速傳感器、控制器、執行器和保險電路等組成。

      傳感器通過(guò)飛輪上的齒圈測量出發(fā)動(dòng)機轉速實(shí)際值，并送至控制器，在控制器中實(shí)際值與預先設定需要的轉速相比較，其比較的差值經(jīng)控制線(xiàn)路的整理、放大，驅動(dòng)執行器輸出軸，通過(guò)調節連桿拉動(dòng)噴油泵齒桿，進(jìn)行供油量的調節，從而達到保持此設定轉速的目的。電子控制系統統會(huì )將負荷變化而引起的設定轉速與實(shí)際轉速之間的差值消除，使發(fā)動(dòng)機保持原設定的轉速。根據機組需要，也可調節不均勻度電位器，以使調速系統統獲得滿(mǎn)意的靜態(tài)調速率。電子調速器還配有多種附件裝置，根據機組需要，裝上相應附件，可以實(shí)現自動(dòng)同步、負荷分配及負荷預置等功能要求。

2、調速器的工作指標

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

（1）轉速波動(dòng)率

      轉運波動(dòng)率Yn是指柴油機穩定工況下最大轉速Nmax（或最小轉速Nmin）與平均轉速Nm之差同平均轉速Nm之比值百分數，即γn=（Nmax-Nm）*100%/Nm穩定工況下，最大轉速Nmax（或最小轉速Nmax）與平均轉速之差同平均轉速之比值百分數。

（2）瞬時(shí)調速率

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

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

式中，n₁--突加負荷前的穩定轉速（r/min）；

n₂——突加負荷后的最小瞬時(shí)轉速（r/min），

n₃--突卸負荷前的穩定轉速（r/min）；

n₄--突卸負荷后的最大瞬時(shí)轉速（r/min）；

n_e--標定轉速（r/min）。

（3）過(guò)渡過(guò)程的穩定時(shí)間

      過(guò)渡過(guò)程穩定時(shí)間t是指從突加（或突卸）全負荷轉速開(kāi)始波動(dòng)到轉速達到新的穩定范圍（即轉速波動(dòng)率Yn不大于規定值）為止的時(shí)間（以秒計）。

      過(guò)渡過(guò)程的穩定時(shí)間是過(guò)渡過(guò)程的主要工作指標之一。它表明消除過(guò)渡過(guò)程中波動(dòng)現象的快慢。穩定時(shí)問(wèn)愈短，轉速波動(dòng)消除愈快，就說(shuō)明調速器的穩定性好。t一般限制在5-10秒內。

（4）穩態(tài)調速率

      調速器的穩態(tài)調速率是指當操縱手柄在標定供油位置不變時(shí)，空車(chē)穩定轉速與全負荷穩定轉速之差同標定轉速比值百分數，可用公式表示為：

δ_rt=(n₁-n₃)100%/n_e

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

（5）不靈敏度

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

e=(n₂-n₁)/N_m

式中，n₁-----當發(fā)動(dòng)機負荷增大時(shí)調速器開(kāi)始起作用時(shí)的轉速（r/min）；

n₂-----當發(fā)動(dòng)機負荷減小時(shí)調速器開(kāi)始起作用時(shí)的轉速（r/min）；

N_m----發(fā)動(dòng)機的平均轉速（r/min）。

      不靈敏度主要是由于噴油泵、調速器機構中存在摩擦所引起的。顯然摩擦力越小，調速器就越靈敏。實(shí)驗表明，低速時(shí)不靈敏度顯著(zhù)增加。不靈敏度過(guò)大會(huì )引起柴油機轉速不穩定。一般在標定轉速下不靈敏度不超過(guò)1.5—2%，最低轉速時(shí)不超過(guò)10—13%。

（6）調速器的精度等級

      根據不同用途，我國將調速系統統的精度等級分為四級。對于船用柴油機調速系統統，突卸負荷只要求達到4級精度即可，而且穩定時(shí)間t也不作具體規定。對柴油發(fā)電機組，則要求高于3級，對車(chē)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(shí)的噴油量所需的正時(shí)。凸輪軸通過(guò)正時(shí)齒輪或者齒型皮帶由曲軸驅動(dòng)而轉動(dòng)，通過(guò)氣門(mén)傳動(dòng)組件定時(shí)將氣門(mén)打開(kāi)，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(shí)齒輪與中間齒輪、噴油泵正時(shí)齒輪之間均有配對正時(shí)記號。如果松開(kāi)聯(lián)軸節連接螺栓，將泵體向外搬動(dòng)，即油泵凸輪軸在油泵正時(shí)齒輪不動(dòng)的前提下順時(shí)針?lè )较蜣D動(dòng)一個(gè)角度，供油提前角度增加；反之，將泵體向內搬動(dòng)，供油提前角度減??；柴油機最佳供油提前角隨發(fā)動(dòng)機轉速升高而增大，因此，噴油泵凸輪軸前端應安裝供油提前角自動(dòng)提前器。

4、噴油器

      噴油器完成定量噴油的工作。噴油器是實(shí)現燃油噴射、霧化的重要部件。要求噴油器應能滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)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(shí)不發(fā)生滴漏現象。以上三部分部件連同其他部件一起確保發(fā)動(dòng)機在期望的轉速下正常運轉。

 

總結：

      想知道發(fā)動(dòng)機的工作原理需要先了解四個(gè)基本循環(huán)過(guò)程：進(jìn)氣、壓縮、點(diǎn)火和排氣。這四個(gè)過(guò)程循環(huán)進(jìn)行，驅動(dòng)柴油機運行?？傊?，了解柴油發(fā)動(dòng)機的工作原理是關(guān)鍵，它們的復雜過(guò)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(dòng)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(chǎng)企業(yè)供電保駕護航。

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