性能特點(diǎn)和作用說(shuō)明

康明斯柴油發(fā)動(dòng)機的主要機構組成

 

摘要：柴油發(fā)動(dòng)機主要由曲軸連桿機構、配氣機構、進(jìn)排氣系統、燃料系統、潤滑系統、冷卻系統和啟動(dòng)系統等部件組成，其原理是每個(gè)工作循環(huán)經(jīng)歷進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣四個(gè)沖程?？得魉鼓壳笆俏ㄒ猾@得美國2002年10月以來(lái)新排放認證的全系列發(fā)動(dòng)機，并符合中國和歐洲第三階段排放認證?？得魉共裼蜋C憑借先進(jìn)的設計技術(shù)，精良的制造工藝；產(chǎn)品具備極高可靠性、耐久性和良好的燃油經(jīng)濟性，滿(mǎn)足全球不同市場(chǎng)的需要。本文以康明斯發(fā)動(dòng)機為藍本，詳細介紹了發(fā)電用柴油機的特點(diǎn)、工作原理及各系統的結構組成。

 

一、康明斯柴油機類(lèi)型和特性

 

1、發(fā)動(dòng)機的類(lèi)型與定義

      熱機是將燃料中的化學(xué)能轉變成機械能的一種裝置，熱機包括外燃機和內燃機。

（1）內燃機：

      將燃料在機器內部燃燒并且釋放出能量的機器叫做內燃機。在往復式內燃機中，由燃料燃燒后產(chǎn)生的熱能轉變?yōu)闄C械能，是依靠曲軸連桿機構的作用，將活塞的往復運動(dòng)變?yōu)榍S的旋轉運動(dòng)。內燃機曲柄連桿機構它是由活塞、連桿和曲軸所組成，活塞在氣缸中作直線(xiàn)往復運動(dòng)。工作時(shí)，連桿隨活塞移動(dòng)，并隨曲軸的旋轉而擺動(dòng)。

      而以柴油為燃料利用空氣在氣缸內被壓縮產(chǎn)生的高溫高壓，使噴入氣缸的柴油自燃并且膨脹作功的內燃機叫做柴油機，外形如圖1所示。

（2）外燃機：

      燃料在發(fā)動(dòng)機的外部燃燒，發(fā)動(dòng)機將這種燃燒產(chǎn)生的熱能轉化成動(dòng)能。蒸汽機就是一種典型的外燃機。當大量的煤燃燒產(chǎn)生熱能把水加熱成大量的水蒸汽時(shí)，高壓便產(chǎn)生了，然后這種高壓又推動(dòng)機械做功，從而完成了熱能向動(dòng)能的轉變。 

2、康明斯發(fā)動(dòng)機基本特點(diǎn)

      以NTA855系列康明斯柴油發(fā)動(dòng)機為例，外形基本結構如圖2所示。

（1）直列、四沖程、直噴式發(fā)動(dòng)機。

（2）每缸四氣門(mén)，閉式水冷卻系統。

（3）使用較高壓力的渦流增壓器。

（4）低的燃油輸送壓力(8kg/cm²)，高的噴油壓力(約1000kg/cm²)。

（5）整體式鍛壓曲軸和連桿，使發(fā)動(dòng)機獲得了更好的耐久性。

（6）使用氟列加冷卻液添加劑，以提高發(fā)動(dòng)機抗穴蝕能力。

（7）大量采用缸體內部油道，使發(fā)動(dòng)機更清潔。

（8）采用高品質(zhì)的空氣濾清器，確保發(fā)動(dòng)機延長(cháng)使用壽命。

（9）獨特的PT燃油系統。

① 高達1000kg/cm²的噴射壓力。

② 很低的燃油輸送壓力，減少燃油管路滲漏。

③ 良好的經(jīng)濟性與動(dòng)力性的結合。

④ 優(yōu)秀的廢氣排放指標。

（10）采用一次性使用的水濾器、燃油濾清器、機油濾清器，使發(fā)動(dòng)機維護更方便、更可靠。

 

圖1  柴油發(fā)動(dòng)機外形示意圖

圖2  康明斯柴油發(fā)動(dòng)機外形后視圖

 

二、發(fā)動(dòng)機工作原理

 

      對于往復活塞式發(fā)動(dòng)機，凡活塞往復四次而完成一次工作循環(huán)的發(fā)動(dòng)機稱(chēng)為四沖程發(fā)動(dòng)機。四沖程發(fā)動(dòng)機的工作循環(huán)包括四個(gè)活塞行程，即進(jìn)氣行程、壓縮行程、膨脹行程（作功行程）和排氣行程。

1、工作過(guò)程

（1）進(jìn)氣沖程：

      在進(jìn)氣沖程中，活塞下行，進(jìn)氣門(mén)打開(kāi)，排氣門(mén)關(guān)閉。新鮮的空氣進(jìn)入燃燒室?？得魉拱l(fā)動(dòng)機的進(jìn)氣方式有：自然吸氣、增壓、增壓中冷、高增壓四種。通常采用的是增壓、增壓中冷和高增壓。

（2）壓縮沖程：

      在進(jìn)氣沖程的終了，進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉，排氣門(mén)關(guān)閉，活塞開(kāi)始上行，壓縮燃燒室里的空氣，使空氣的溫度升高到柴油的燃點(diǎn)溫度以上。壓縮比為：14.5一15.5。

（3）作功沖程：

      壓縮沖程接近終了時(shí)，由噴油器噴入適量的柴油并燃燒。燃燒后的膨脹氣體推動(dòng)活塞向下運動(dòng)，通過(guò)連桿使曲軸旋轉而輸出動(dòng)力。這時(shí)，進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉，排氣門(mén)關(guān)閉。

（4）排氣沖程：

      在排氣沖程中，進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉，排氣門(mén)打開(kāi)，活塞向上運動(dòng)?；钊仁谷紵抑腥紵^(guò)的廢氣通過(guò)打開(kāi)的排氣門(mén)口排到排氣歧管中，驅動(dòng)增壓器后排入大氣中。

2、正常工作的影響因素

      發(fā)動(dòng)機正常運轉取決于兩點(diǎn)：首先是壓縮以供點(diǎn)火；其次是將適量的燃油在適當的時(shí)間噴入汽缸中。

 

      柴油機點(diǎn)火順序與曲柄排列有著(zhù)緊密聯(lián)系，點(diǎn)火順序的選擇有很多，它決定曲軸的結構形式。一般情況下，首先考慮發(fā)動(dòng)機的夾角，然后再按照運轉的平衡要求決定曲柄排列方式，還要按照軸承的負荷、排氣管道等等方面來(lái)確定點(diǎn)火順序。通常，每列缸數為偶數的四沖程發(fā)動(dòng)機采用360度間隔角度、左右列氣缸交叉式點(diǎn)火，例如康明斯NTA855系列直列式6缸發(fā)動(dòng)機的點(diǎn)火順序是：1－5－3－6－2－4，如圖3所示。

3、曲軸與凸輪軸的傳動(dòng)比

      四行程發(fā)動(dòng)機每完成一個(gè)工作循環(huán)，曲軸旋轉兩圈，各缸的進(jìn)、排氣門(mén)各開(kāi)啟一次，即凸輪軸只轉一圈，所以曲軸與凸輪軸的傳動(dòng)比為2：1。其中，進(jìn)、排氣門(mén)位置如圖4所示。

 

圖3  N855康明斯發(fā)動(dòng)機氣缸位置和點(diǎn)火順序

圖4  N855康明斯發(fā)動(dòng)機進(jìn)排氣門(mén)位置圖

 

三、柴油發(fā)動(dòng)機的基本結構

 

1、缸體與缸蓋

（1）氣缸體作用

      氣缸體的作用是支承發(fā)動(dòng)機所有的運動(dòng)件和各種附件。氣缸體內設置有冷卻水道和潤滑油道，保證對高溫狀態(tài)下工作和高速運動(dòng)的零件進(jìn)行可靠的冷卻和潤滑。氣缸體上部的圓柱形空腔稱(chēng)為氣缸，氣缸的作用是引導活塞做往復運動(dòng)，氣缸體下部的空間為上曲軸箱，用來(lái)安裝曲軸。

（2）氣缸蓋功能

① 構成燃燒室的上部表面，并在壓縮和點(diǎn)火過(guò)程中密封燃燒室；

② 在氣門(mén)和噴油器周?chē)峁┭h(huán)冷卻液；

③ 提供進(jìn)排氣道和柴油進(jìn)回油道；

④ 提供安裝氣門(mén)和噴油器的空間。

2、曲軸連桿機構

      曲軸連桿機構是柴油發(fā)電機的主要部件，包括活塞組件、連桿、曲軸、飛輪等，其功用是承受燃燒氣體的壓力，并將活塞在氣缸內的直線(xiàn)運動(dòng)變成曲軸的旋轉運動(dòng)，使柴油發(fā)電機輸出動(dòng)力。

3、配氣機構

      配氣機構主要由氣門(mén)組和氣門(mén)傳動(dòng)組組成，零件結構如圖5所示。氣門(mén)組包括氣門(mén)及與之相關(guān)聯(lián)的零件；氣門(mén)傳動(dòng)組是從正時(shí)齒輪開(kāi)始至推動(dòng)氣門(mén)動(dòng)作的所有零件。它的功用是定時(shí)驅動(dòng)氣門(mén)使其打開(kāi)、關(guān)閉。

4、冷卻系統

      康明斯發(fā)動(dòng)機冷卻系統由散熱器、水泵、汽缸體水道、汽缸蓋水道、出水管、 節溫器、水濾器、中冷器、機油冷卻器等構成，如圖6所示。

（1）熱量產(chǎn)生：噴入柴油機燃燒的柴油，燃燒產(chǎn)生大量的熱量；

（2）熱量分配： 約三分之一通過(guò)活塞及連桿機構，轉換成機械能對外做工；約三分之一由排入大氣； 約三分之一冷卻系統散失；

（3）康明斯發(fā)動(dòng)機冷卻方式屬循環(huán)水冷卻，其功能是儲存足夠的冷卻水、 構成循環(huán)水流、控制發(fā)動(dòng)機水溫、散失冷卻系統多余熱量等幾大作用。

（4）康明斯發(fā)動(dòng)機冷卻系統的特點(diǎn):使用化學(xué)裝置（水濾器）對冷卻系統進(jìn)行保護。

5、潤滑系統

      潤滑系統的功能將定量、潔凈、有適當粘度的潤滑油輸送至各必要部位，它對柴油機的工作可靠性和耐久性有很重要的作用?？得魉拱l(fā)動(dòng)機潤滑系統由機油盤(pán)、機油泵、機油冷卻器、冷卻活塞小噴嘴、機油管道、調壓閥、全流式機油濾清器、旁通濾清器等部件構成。  

6、燃油供給系統

      流入各噴油器的燃油經(jīng)量孔而噴射至氣缸燃燒室中。而噴油器柱塞動(dòng)作是由柴油機曲軸傳動(dòng)齒輪凸輪軸、凸輪滾子、推桿挺桿及搖臂等桿系來(lái)完成的。噴射完成后，柱塞停動(dòng)一段時(shí)間，此時(shí)一部分燃油經(jīng)噴油器循環(huán)回燃油箱，同時(shí)冷卻噴油器。因為供油量取決于供油壓力(Pressure)以及噴油時(shí)間(Time)。所以本燃油系統取其英文字母，縮寫(xiě)稱(chēng)為PT燃油系統。 柴油機供油系統的功能是根據柴油機的工作要求，定時(shí)、定量、定壓地將霧化質(zhì)量良好的柴油按一定的噴油規律噴入汽缸內，并使其與空氣迅速良好地混合和燃燒，它工作的情況對柴油機的性能有重要影響。

7、進(jìn)排氣系統

      進(jìn)排氣系統的基本要求是盡可能多的向發(fā)動(dòng)機提供清潔空氣，并盡可能徹底地排除燃燒的廢氣。主要由空氣濾清器、增壓器、中冷器、缸蓋進(jìn)氣管路等組成。

8、啟動(dòng)系統

      柴油發(fā)電機電源設備主要包括蓄電池和充電機、啟動(dòng)馬達。

（1）蓄電池

      蓄電池的主要功用式在柴油發(fā)電機起動(dòng)時(shí)給起動(dòng)電機提供強大電流，并在柴油發(fā)電機停轉或發(fā)電機電壓較低時(shí)，向各用電設備供電。當發(fā)電機高壓高于蓄電池電壓時(shí)，蓄電池將發(fā)電機的一部分電能轉換為化學(xué)能儲存起來(lái)。

（2）充電機

      充電機在正常工作時(shí)，對所有的用電設備供電（除起動(dòng)電機外），并向蓄電池充電以補充蓄電池在使用中所消耗的電能。

（3）起動(dòng)電動(dòng)機  

       起動(dòng)電動(dòng)機是柴油發(fā)電機電力起動(dòng)的主要機件，采用串勵式勵磁方式，在柴油發(fā)電機起動(dòng)時(shí)向其提供強大的起動(dòng)轉矩，以利于柴油發(fā)電機迅速、可靠地起動(dòng)。

 

圖5  柴油機配氣機構零件圖

圖6  康明斯柴油機冷卻系統構成

 

總結：

      擁有上百年悠久的歷史康明斯發(fā)動(dòng)機公司，是世界上最大的獨立性的柴油發(fā)電機組整機制造商，其生產(chǎn)專(zhuān)業(yè)性、先進(jìn)性和完整的成套技術(shù)在中國市場(chǎng)上是有目共睹的。此外，康明斯柴油機在使用過(guò)程中必須對以上所述的各系統部分予以充分重視，不可忽視任何一個(gè)部件，否則柴油發(fā)電機的正常工作將無(wú)法保證，造成電力供應不穩定性。要延長(cháng)柴油機的使用周期，在使用過(guò)程中就要加強空氣濾清器、潤滑油濾清器和燃油濾清器的保養，充分發(fā)揮其作用。

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