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柴油發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制及工作原理 |
摘要:柴油發(fā)動機(jī)通常是壓燃式發(fā)動機(jī),利用燃料的化學(xué)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(jī)是基于熱力學(xué)原理進(jìn)行工作的,同時還需要潤滑、冷卻等技術(shù)的保障,確保發(fā)動機(jī)的安全和穩(wěn)定。
一、柴油發(fā)動機(jī)的構(gòu)成
發(fā)電機(jī)組驅(qū)動柴油機(jī)通常采用四沖程。其原理為柴油發(fā)動機(jī)將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的過程,是經(jīng)過進(jìn)氣、壓縮、作功和排氣四個連續(xù)的過程來實現(xiàn)的,每進(jìn)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(fù)四個行程完成一個工作循環(huán)的,稱為四沖程發(fā)動機(jī)。柴油機(jī)通常由曲柄連桿、配氣(兩大機(jī)構(gòu))和燃料供給、潤滑、冷卻、起動、進(jìn)排氣(五大系統(tǒng))組成,其結(jié)構(gòu)與內(nèi)部剖析圖如圖1、圖2所示。
1、曲柄連桿機(jī)構(gòu)
曲柄連桿機(jī)構(gòu)是由氣缸體、氣缸蓋、活塞、連桿、曲軸和飛輪等組成,結(jié)構(gòu)如圖3所示。這是發(fā)動機(jī)產(chǎn)生動力,并將活塞的直線往復(fù)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S旋轉(zhuǎn)運動而對外輸出動力。
2、配氣機(jī)構(gòu)
配氣機(jī)構(gòu)是由進(jìn)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(jī)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(jié)構(gòu)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(jī)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(jìn)入濾清器濾清,當(dāng)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(jìn)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(jī)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(jìn)氣系統(tǒng)
對進(jìn)氣系統(tǒng)統(tǒng)基本要求是盡可能多的向發(fā)動機(jī)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(tǒng)統(tǒng)主要由空氣濾清器、進(jìn)氣管道、缸蓋氣道等構(gòu)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,以延長發(fā)動機(jī)的使用壽命。
5、冷卻系統(tǒng)
柴油機(jī)一般采用水冷卻式。水冷式由水泵、散熱器、風(fēng)扇、節(jié)溫器和水套(在機(jī)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(jī)電動正常工作溫度。噴入柴油機(jī)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(jī)構(gòu),轉(zhuǎn)換成機(jī)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(jī)冷卻方式為循環(huán)水冷卻式,它與其他發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)統(tǒng)具有相同功能,即儲存足夠的冷卻水、構(gòu)成循環(huán)水流、控制發(fā)動機(jī)的水溫、散失冷卻系統(tǒng)統(tǒng)多余的熱量??得魉拱l(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)統(tǒng)的特點在于:使用化學(xué)裝置(水濾器)對系統(tǒng)統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。
(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(jī)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(jī)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(gòu)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(jī)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(dāng)粘度的潤滑油輸送至各必要部位,以減小摩擦力,減緩機(jī)件磨損,并清洗、冷卻摩擦表面。它對柴油機(jī)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、起動系統(tǒng)
起動系統(tǒng)統(tǒng)由電瓶、導(dǎo)線、電磁切斷閥、啟動開關(guān)、起動機(jī)、充電機(jī)組成,用以使靜止的發(fā)動機(jī)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(guān)。
(4)啟動開關(guān):手動電源開關(guān)。
(5)電磁切斷閥:電控油路開關(guān)。
(6)起動機(jī):為發(fā)動機(jī)提供初始動能。
(7)充電機(jī):給系統(tǒng)統(tǒng)提供電能。
圖1 柴油發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 |
圖2 柴油發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)剖析圖 |
圖3 柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu) |
圖4 柴油發(fā)電機(jī)燃油系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖 |
二、柴油發(fā)動機(jī)的工作原理
柴油發(fā)動機(jī)將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的過程,是經(jīng)過進(jìn)氣、壓縮、作功和排氣四個連續(xù)的過程來實現(xiàn)的,每進(jìn)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(fù)四個行程完成一個工作循環(huán)的,稱為四沖程發(fā)動機(jī)。四沖程柴油機(jī)的工作原理:
1.進(jìn)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(jìn)氣門開啟,排氣門關(guān)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(jìn)氣門被吸入氣缸,直至活塞到達(dá)下止點,進(jìn)氣門關(guān)閉時結(jié)束。
由于進(jìn)氣系統(tǒng)統(tǒng)存在進(jìn)氣阻力,進(jìn)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(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(jié)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(jìn)、排氣門均關(guān)閉,純空氣被壓縮,至活塞到達(dá)上止點時壓縮結(jié)束。壓縮過程中,氣體壓力和溫度同時升高,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(dá)3MPa~5MPa,溫度可達(dá)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(dá)5MPa~10MPa,瞬時溫度可達(dá)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(jìn)氣門關(guān)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(dá)上止點時,排氣門關(guān)閉,排氣結(jié)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(zhǔn)備工作的輔助行程,都要消耗一部分能量。發(fā)動機(jī)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(jìn)氣和壓縮行程。當(dāng)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(jìn)行。
圖5 柴油機(jī)進(jìn)氣和壓縮行程流程解析 |
圖6 柴油機(jī)做功和排氣行程流程解析 |
三、柴油發(fā)動機(jī)的控制
以下幾部分部件可完成對柴油機(jī)的控制:
1、調(diào)速器的分類
在柴油機(jī)各種工況運轉(zhuǎn)中,當(dāng)外界負(fù)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(jī)在規(guī)定的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運轉(zhuǎn),防止柴油機(jī)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(fù)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(jī)械離心式調(diào)速器
機(jī)械離心式調(diào)速器是根據(jù)彈簧力和離心力相平衡進(jìn)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(dāng)負(fù)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(dāng)負(fù)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(jī)轉(zhuǎn)速實際值,并送至控制器,在控制器中實際值與預(yù)先設(shè)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(jìn)行供油量的調(diào)節(jié),從而達(dá)到保持此設(shè)定轉(zhuǎn)速的目的。電子控制系統(tǒng)統(tǒng)會將負(fù)荷變化而引起的設(shè)定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速之間的差值消除,使發(fā)動機(jī)保持原設(shè)定的轉(zhuǎn)速。根據(jù)機(jī)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(jī)組需要,裝上相應(yīng)附件,可以實現(xiàn)自動同步、負(fù)荷分配及負(fù)荷預(yù)置等功能要求。
2、調(diào)速器的工作指標(biāo)
調(diào)速器的性能好環(huán)直接影響著柴油機(jī)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(biāo)有以下幾個:
(1)轉(zhuǎn)速波動率
轉(zhuǎn)運波動率Yn是指柴油機(jī)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?jǐn)?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?jǐn)?shù)。
(2)瞬時調(diào)速率
瞬時速差率dd是指柴油機(jī)突加(或突卸)全負(fù)荷的最?。ɑ蜃畲螅┺D(zhuǎn)速n2(或n4)與負(fù)荷改變前的轉(zhuǎn)速n1(或n3)之差同標(biāo)定轉(zhuǎn)速ne之比值百分?jǐn)?shù),即
6d(突加)=(n1-n2)100%/ne或δd(突減)=(n4-n3)100%/ne
式中,n1--突加負(fù)荷前的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速(r/min);
n2——突加負(fù)荷后的最小瞬時轉(zhuǎn)速(r/min),
n3--突卸負(fù)荷前的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速(r/min);
n4--突卸負(fù)荷后的最大瞬時轉(zhuǎn)速(r/min);
ne--標(biāo)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(fù)荷轉(zhuǎn)速開始波動到轉(zhuǎn)速達(dá)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(biāo)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(dāng)操縱手柄在標(biāo)定供油位置不變時,空車穩(wěn)定轉(zhuǎn)速與全負(fù)荷穩(wěn)定轉(zhuǎn)速之差同標(biāo)定轉(zhuǎn)速比值百分?jǐn)?shù),可用公式表示為:
δrt=(n1-n3)100%/ne
δrt用來衡量調(diào)速器的準(zhǔn)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(zhǔn)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(jī)構(gòu)中存在著摩擦,需要有一定的力來克服,因為機(jī)構(gòu)中摩擦阻力阻止套筒的移動,所以不論柴油機(jī)轉(zhuǎn)速增加減少,調(diào)速器都不會立即作出反應(yīng),改變供油量。例如發(fā)動機(jī)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(yīng)。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(jī)平均轉(zhuǎn)速Nm之比稱為不靈敏度,即:
e=(n2-n1)/Nm
式中,n1-----當(dāng)發(fā)動機(jī)負(fù)荷增大時調(diào)速器開始起作用時的轉(zhuǎn)速(r/min);
n2-----當(dāng)發(fā)動機(jī)負(fù)荷減小時調(diào)速器開始起作用時的轉(zhuǎn)速(r/min);
Nm----發(fā)動機(jī)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(jī)構(gòu)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(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。一般在標(biāo)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)統(tǒng),突卸負(fù)荷只要求達(dá)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(jī)組,則要求高于3級,對車用電站或應(yīng)急發(fā)電機(jī)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??;柴油機(jī)最佳供油提前角隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速升高而增大,因此,噴油泵凸輪軸前端應(yīng)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(yīng)能滿足發(fā)動機(jī)對其噴霧特性的要求,即應(yīng)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(jié)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(jī)在期望的轉(zhuǎn)速下正常運轉(zhuǎn)。
總結(jié):
想知道發(fā)動機(jī)的工作原理需要先了解四個基本循環(huán)過程:進(jìn)氣、壓縮、點火和排氣。這四個過程循環(huán)進(jìn)行,驅(qū)動柴油機(jī)運行??傊私獠裼桶l(fā)動機(jī)的工作原理是關(guān)鍵,它們的復(fù)雜過程非常重要,可以直接影響柴油發(fā)電機(jī)組的性能。可以把柴油發(fā)動機(jī)比喻為人體的心臟,細(xì)心呵護(hù)好它,才能讓柴油發(fā)電機(jī)組為工廠企業(yè)供電保駕護(hù)航。
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