性能特點和作用說明

康明斯柴油發(fā)動機的主要機構(gòu)組成

 

摘要：柴油發(fā)動機主要由曲軸連桿機構(gòu)、配氣機構(gòu)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和啟動系統(tǒng)等部件組成，其原理是每個工作循環(huán)經(jīng)歷進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣四個沖程?？得魉鼓壳笆俏ㄒ猾@得美國2002年10月以來新排放認(rèn)證的全系列發(fā)動機，并符合中國和歐洲第三階段排放認(rèn)證?？得魉共裼蜋C憑借先進(jìn)的設(shè)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，滿足全球不同市場的需要。本文以康明斯發(fā)動機為藍(lán)本，詳細(xì)介紹了發(fā)電用柴油機的特點、工作原理及各系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成。

 

一、康明斯柴油機類型和特性

 

1、發(fā)動機的類型與定義

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

（1）內(nèi)燃機：

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

      而以柴油為燃料利用空氣在氣缸內(nèi)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(nèi)燃機叫做柴油機，外形如圖1所示。

（2）外燃機：

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

2、康明斯發(fā)動機基本特點

      以NTA855系列康明斯柴油發(fā)動機為例，外形基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（1）直列、四沖程、直噴式發(fā)動機。

（2）每缸四氣門，閉式水冷卻系統(tǒng)。

（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)動機抗穴蝕能力。

（7）大量采用缸體內(nèi)部油道，使發(fā)動機更清潔。

（8）采用高品質(zhì)的空氣濾清器，確保發(fā)動機延長使用壽命。

（9）獨特的PT燃油系統(tǒng)。

① 高達(dá)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)濟性與動力性的結(jié)合。

④ 優(yōu)秀的廢氣排放指標(biāo)。

（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)動機維護(hù)更方便、更可靠。

 

圖1  柴油發(fā)動機外形示意圖

圖2  康明斯柴油發(fā)動機外形后視圖

 

二、發(fā)動機工作原理

 

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

1、工作過程

（1）進(jìn)氣沖程：

      在進(jìn)氣沖程中，活塞下行，進(jìn)氣門打開，排氣門關(guān)閉。新鮮的空氣進(jìn)入燃燒室?？得魉拱l(fā)動機的進(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)氣門關(guān)閉，排氣門關(guān)閉，活塞開始上行，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，由噴油器噴入適量的柴油并燃燒。燃燒后的膨脹氣體推動活塞向下運動，通過連桿使曲軸旋轉(zhuǎn)而輸出動力。這時，進(jìn)氣門關(guān)閉，排氣門關(guān)閉。

（4）排氣沖程：

      在排氣沖程中，進(jìn)氣門關(guān)閉，排氣門打開，活塞向上運動?；钊仁谷紵抑腥紵^的廢氣通過打開的排氣門口排到排氣歧管中，驅(qū)動增壓器后排入大氣中。

2、正常工作的影響因素

      發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)取決于兩點：首先是壓縮以供點火；其次是將適量的燃油在適當(dāng)?shù)臅r間噴入汽缸中。

 

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

3、曲軸與凸輪軸的傳動比

      四行程發(fā)動機每完成一個工作循環(huán)，曲軸旋轉(zhuǎn)兩圈，各缸的進(jìn)、排氣門各開啟一次，即凸輪軸只轉(zhuǎn)一圈，所以曲軸與凸輪軸的傳動比為2：1。其中，進(jìn)、排氣門位置如圖4所示。

 

圖3  N855康明斯發(fā)動機氣缸位置和點火順序

圖4  N855康明斯發(fā)動機進(jìn)排氣門位置圖

 

三、柴油發(fā)動機的基本結(jié)構(gòu)

 

1、缸體與缸蓋

（1）氣缸體作用

      氣缸體的作用是支承發(fā)動機所有的運動件和各種附件。氣缸體內(nèi)設(shè)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為氣缸，氣缸的作用是引導(dǎo)活塞做往復(fù)運動，氣缸體下部的空間為上曲軸箱，用來安裝曲軸。

（2）氣缸蓋功能

① 構(gòu)成燃燒室的上部表面，并在壓縮和點火過程中密封燃燒室；

② 在氣門和噴油器周圍提供循環(huán)冷卻液；

③ 提供進(jìn)排氣道和柴油進(jìn)回油道；

④ 提供安裝氣門和噴油器的空間。

2、曲軸連桿機構(gòu)

      曲軸連桿機構(gòu)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(nèi)的直線運動變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運動，使柴油發(fā)電機輸出動力。

3、配氣機構(gòu)

      配氣機構(gòu)主要由氣門組和氣門傳動組組成，零件結(jié)構(gòu)如圖5所示。氣門組包括氣門及與之相關(guān)聯(lián)的零件；氣門傳動組是從正時齒輪開始至推動氣門動作的所有零件。它的功用是定時驅(qū)動氣門使其打開、關(guān)閉。

4、冷卻系統(tǒng)

      康明斯發(fā)動機冷卻系統(tǒng)由散熱器、水泵、汽缸體水道、汽缸蓋水道、出水管、 節(jié)溫器、水濾器、中冷器、機油冷卻器等構(gòu)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： 約三分之一通過活塞及連桿機構(gòu)，轉(zhuǎn)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(tǒng)散失；

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

（4）康明斯發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的特點:使用化學(xué)裝置（水濾器）對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。

5、潤滑系統(tǒng)

      潤滑系統(tǒng)的功能將定量、潔凈、有適當(dāng)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。康明斯發(fā)動機潤滑系統(tǒng)由機油盤、機油泵、機油冷卻器、冷卻活塞小噴嘴、機油管道、調(diào)壓閥、全流式機油濾清器、旁通濾清器等部件構(gòu)成。  

6、燃油供給系統(tǒng)

      流入各噴油器的燃油經(jīng)量孔而噴射至氣缸燃燒室中。而噴油器柱塞動作是由柴油機曲軸傳動齒輪凸輪軸、凸輪滾子、推桿挺桿及搖臂等桿系來完成的。噴射完成后，柱塞停動一段時間，此時一部分燃油經(jīng)噴油器循環(huán)回燃油箱，同時冷卻噴油器。因為供油量取決于供油壓力(Pressure)以及噴油時間(Time)。所以本燃油系統(tǒng)取其英文字母，縮寫稱為PT燃油系統(tǒng)。 柴油機供油系統(tǒng)的功能是根據(jù)柴油機的工作要求，定時、定量、定壓地將霧化質(zhì)量良好的柴油按一定的噴油規(guī)律噴入汽缸內(nèi)，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(tǒng)

      進(jìn)排氣系統(tǒng)的基本要求是盡可能多的向發(fā)動機提供清潔空氣，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、啟動系統(tǒng)

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

（1）蓄電池

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

（2）充電機

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

（3）起動電動機  

       起動電動機是柴油發(fā)電機電力起動的主要機件，采用串勵式勵磁方式，在柴油發(fā)電機起動時向其提供強大的起動轉(zhuǎn)矩，以利于柴油發(fā)電機迅速、可靠地起動。

 

圖5  柴油機配氣機構(gòu)零件圖

圖6  康明斯柴油機冷卻系統(tǒng)構(gòu)成

 

總結(jié)：

      擁有上百年悠久的歷史康明斯發(fā)動機公司，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)專業(yè)性、先進(jìn)性和完整的成套技術(shù)在中國市場上是有目共睹的。此外，康明斯柴油機在使用過程中必須對以上所述的各系統(tǒng)部分予以充分重視，不可忽視任何一個部件，否則柴油發(fā)電機的正常工作將無法保證，造成電力供應(yīng)不穩(wěn)定性。要延長柴油機的使用周期，在使用過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(yǎng)，充分發(fā)揮其作用。

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