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康明斯柴油發(fā)動(dòng)機的基本組成機構和系統

 

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

 

一、曲柄連桿機構

 

      曲柄連桿機構是柴油發(fā)動(dòng)機實(shí)現工作循環(huán)，完成能量轉換的主要運動(dòng)零件。它由機體組、活塞連桿組和曲軸飛輪組等組成。曲柄連桿機構的工作原理十分簡(jiǎn)單，但卻具有極大的實(shí)用性和效率。當曲柄旋轉時(shí)，連桿隨之進(jìn)行往復運動(dòng)，從而推動(dòng)活塞進(jìn)行直線(xiàn)運動(dòng)。這種運動(dòng)形式在許多機械設備中都有重要的應用。通過(guò)控制曲柄的轉速和連桿的長(cháng)度，可以調控活塞的行程和速度，實(shí)現不同的工作需求。

1、機體組

      機體組包括氣缸體、氣缸墊、氣缸蓋、曲軸箱、油底殼等。它們構成了發(fā)動(dòng)機的基本框架，為活塞和其他運動(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(xiāo)和連桿?；钊跉飧變壬舷乱苿?dòng)，通過(guò)連桿與曲軸相連，將活塞的往復運動(dòng)轉換為曲軸的旋轉運動(dòng)。

3、曲軸飛輪組

      曲軸飛輪組包括曲軸和飛輪。曲軸通過(guò)扭轉減震器和平衡軸與飛輪相連，它將活塞的線(xiàn)性運動(dòng)轉換為旋轉運動(dòng)，并通過(guò)飛輪傳遞出去。飛輪還負責儲存能量，確保發(fā)動(dòng)機的平穩運行。

 

二、配氣機構

 

      柴油機工作時(shí)，離不開(kāi)空氣供給，而空氣是由配氣機構來(lái)分配的。 配氣機構的功用是根據柴油發(fā)動(dòng)機的工作順序和工作過(guò)程，定時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)，使可燃混合氣或空氣進(jìn)入氣缸，并使廢氣從氣缸內排出，實(shí)現換氣過(guò)程。配氣機構大多采用頂置氣門(mén)式配氣機構，一般由氣門(mén)組、氣門(mén)傳動(dòng)組和氣門(mén)驅動(dòng)組組成。

1、氣門(mén)組

      氣門(mén)組包括氣門(mén)、氣門(mén)導管、氣門(mén)彈簧、彈簧座、鎖片、卡環(huán)等零件。氣門(mén)組主要保證氣門(mén)錐面與氣門(mén)座錐面嚴密配合，在高溫條件下有足夠的強度和耐磨性。

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

（2）氣門(mén)導管。用于引導氣門(mén)作直線(xiàn)運動(dòng)，保證氣門(mén)與氣門(mén)座對中。為防止氣門(mén)卡死或機油漏入汽缸，氣門(mén)桿與導管之間的間隙應適當。

（3）氣門(mén)座。采用耐磨材料制成單獨座圈，以適當的緊度壓入汽缸蓋的座孔中。

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

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

2、氣門(mén)傳動(dòng)組

      氣門(mén)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(mén)按時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉。氣門(mén)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，使凸輪的回轉運動(dòng)變?yōu)橥χ闹本€(xiàn)運動(dòng)，并將凸輪的推力通過(guò)推桿和搖臂傳到氣門(mén)。挺柱的結構簡(jiǎn)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(lái)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(lái)的運動(dòng)和作用力傳給搖臂。在凸輪軸下置式的配氣機構中，推桿是一個(gè)細長(cháng)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(lái)的運動(dòng)和作用力改變方向，傳給氣門(mén)使其開(kāi)啟。搖臂是一個(gè)雙臂杠桿，以搖臂軸為支點(diǎn)，兩臂不等長(cháng)。短臂端加工有螺紋孔，用來(lái)擰入氣門(mén)間隙調整螺釘。長(cháng)臂端加工成圓弧面，是推動(dòng)氣門(mén)的工作面。

（4）搖臂軸。固定在汽缸蓋上，用來(lái)支撐搖臂，其空腔兼做油道。

 

三、燃料供給系統

 

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

1、燃油箱

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

2、燃油過(guò)濾器

      對燃油進(jìn)行過(guò)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

 

      柴油發(fā)動(dòng)機的運轉是依賴(lài)其零件的相對運動(dòng)來(lái)實(shí)現的，相對運動(dòng)的零件之間必然產(chǎn)生摩擦和磨損。干摩擦會(huì )產(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)機就不能工作；潤滑不良，會(huì )使柴油發(fā)動(dòng)機出現故障，縮短壽命。根據統計，使用中柴油發(fā)動(dòng)機的故障有50%~60%是由于潤滑不當引起的。因此，柴油發(fā)動(dòng)機有良好的潤滑系統，連續不斷地供給各個(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)機汽缸活塞組還有密封作用。

1、機油泵

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

2、機油濾清器

      按濾清方式不同，機油濾清器可分為過(guò)濾式和離心式兩大類(lèi)。過(guò)濾式濾清器按其結構形式又可分為濾網(wǎng)式、刮片式、紙質(zhì)濾芯式、線(xiàn)繞式和復合式等。拖拉機柴油發(fā)動(dòng)機的機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(wú)數微細小孔，兩端與端蓋粘合密封。機油通過(guò)濾紙的微孔進(jìn)入內腔時(shí)得到過(guò)濾，然后流入主油道。主油道的機油壓力可以用濾清器上的調壓閥調整，此壓力一般為0.2～0.4 MPa。在濾清的過(guò)程中，如果濾芯過(guò)臟或冷車(chē)啟動(dòng)潤滑油黏度增加，機油通過(guò)濾芯的阻力增大，使油道中機油量不足時(shí)，機油就沖開(kāi)旁通閥（安全閥），不經(jīng)過(guò)濾直接進(jìn)入油道。旁通閥的開(kāi)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，通常位于柴油機底部。油底殼具有一定的容積，以確保潤滑油在柴油機工作過(guò)程中的正常循環(huán)。油底殼內還配有油位表，用于監測潤滑油的油位，以便及時(shí)補充潤滑油。

4、機油冷卻器

      機油冷卻器是潤滑系統中的附件部件，其主要作用是通過(guò)冷卻潤滑油，降低潤滑油的溫度，防止潤滑油過(guò)熱。

 

柴油機潤滑系統結構與原理

機油濾清器零件解剖示意圖

 

五、冷卻系統

 

      冷卻系統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)機在最適宜的溫度狀態(tài)下工作。水冷柴油發(fā)動(dòng)機的冷卻系統通常由冷卻液套、水泵、風(fēng)扇、水箱、節溫器等組成。

1、冷卻水泵

      水泵是柴油機冷卻系統的核心部件，主要作用是通過(guò)葉輪將水循環(huán)流動(dòng)，形成連續的循環(huán)，使柴油機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)量直接影響柴油機的穩定性。

2、散熱器

      散熱器是冷卻液流經(jīng)的地方，通過(guò)雙重金屬片插彎相間的結構，達到充分的接觸，使散熱效果更佳。它的作用是將排出柴油機的熱量轉移到周?chē)h(huán)境，使溫度降低，保持柴油機在正常工作溫度范圍內。

3、節溫器

      節溫器是調節冷卻液的溫度的控制裝置。它根據柴油機工作的溫度情況，可以自動(dòng)調節水溫。一般情況下，它位于散熱系統的出水口處。

4、散熱風(fēng)扇

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

 

柴油機冷卻液循環(huán)路徑示意圖

柴油機冷卻液循環(huán)流程框圖

 

六、起動(dòng)系統

 

      要使柴油發(fā)動(dòng)機由靜止狀態(tài)過(guò)渡到工作狀態(tài)，必須先用外力轉動(dòng)柴油發(fā)動(dòng)機的曲軸，使活塞作往復運動(dòng)，氣缸內的可燃混合氣燃燒膨脹作功，推動(dòng)活塞向下運動(dòng)使曲軸旋轉。柴油發(fā)動(dòng)機才能自行運轉，工作循環(huán)才能自動(dòng)進(jìn)行。因此，曲軸在外力作用下開(kāi)始轉動(dòng)到柴油發(fā)動(dòng)機開(kāi)始自動(dòng)地怠速運轉的全過(guò)程，稱(chēng)為柴油發(fā)動(dòng)機的起動(dòng)。完成起動(dòng)過(guò)程所需的裝置，稱(chēng)為柴油發(fā)動(dòng)機的啟動(dòng)系統。電啟動(dòng)系統主要由起動(dòng)機、蓄電池、充電發(fā)電機、主控制器等組成。

1、蓄電池

       當啟動(dòng)柴油機時(shí)，蓄電池負責為起動(dòng)機提供所需的電力，確保發(fā)動(dòng)機能夠順利啟動(dòng)。

2、起動(dòng)馬達

      起動(dòng)馬達的作用是將電能轉化為機械能，通過(guò)電磁開(kāi)關(guān)、起動(dòng)繼電器和點(diǎn)火起動(dòng)開(kāi)關(guān)等控制裝置，驅動(dòng)發(fā)動(dòng)機的飛輪旋轉，從而使發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)

3、充電發(fā)電機

      充電發(fā)電機是一種直流發(fā)電機，其轉子內置有永磁體和線(xiàn)圈，當轉子旋轉時(shí)，永磁體和線(xiàn)圈之間的磁場(chǎng)發(fā)生改變，從而產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，最終將機械能轉化為電能。

4、主控制器

      主控制器按照預定順序改變主電路或控制電路的接線(xiàn)和改變電路中電阻值來(lái)控制柴油發(fā)電機的啟動(dòng)、調速、制動(dòng)和反向的主令裝置。由程序計數器、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“決策機構”，即完成協(xié)調和指揮整個(gè)計算機系統的操作，控制著(zhù)發(fā)電機組的整體運行。

 

柴油機起動(dòng)機內部構造示意圖

柴油機起動(dòng)機電磁開(kāi)關(guān)原理圖

 

總結：

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

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