性能特點(diǎn)和作用說(shuō)明

康明斯柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的主要機(jī)構(gòu)組成

 

摘要：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)主要由曲軸連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和啟動(dòng)系統(tǒng)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。康明斯目前是唯一獲得美國(guó)2002年10月以來(lái)新排放認(rèn)證的全系列發(fā)動(dòng)機(jī)，并符合中國(guó)和歐洲第三階段排放認(rèn)證。康明斯柴油機(jī)憑借先進(jìn)的設(shè)計(jì)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(jì)性，滿足全球不同市場(chǎng)的需要。本文以康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)為藍(lán)本，詳細(xì)介紹了發(fā)電用柴油機(jī)的特點(diǎn)、工作原理及各系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成。

 

一、康明斯柴油機(jī)類型和特性

 

1、發(fā)動(dòng)機(jī)的類型與定義

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

（1）內(nèi)燃機(jī)：

      將燃料在機(jī)器內(nèi)部燃燒并且釋放出能量的機(jī)器叫做內(nèi)燃機(jī)。在往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)中，由燃料燃燒后產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，是依靠曲軸連桿機(jī)構(gòu)的作用，將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)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(yùn)動(dòng)。工作時(shí)，連桿隨活塞移動(dòng)，并隨曲軸的旋轉(zhuǎn)而擺動(dòng)。

      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(jī)叫做柴油機(jī)，外形如圖1所示。

（2）外燃機(jī)：

      燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)的外部燃燒，發(fā)動(dòng)機(jī)將這種燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能。蒸汽機(jī)就是一種典型的外燃機(jī)。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(shí)，高壓便產(chǎn)生了，然后這種高壓又推動(dòng)機(jī)械做功，從而完成了熱能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)變。 

2、康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)基本特點(diǎn)

      以NTA855系列康明斯柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)。

（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(dòng)機(jī)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(jī)抗穴蝕能力。

（7）大量采用缸體內(nèi)部油道，使發(fā)動(dòng)機(jī)更清潔。

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

（9）獨(dú)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(jì)性與動(dòng)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(jī)油濾清器，使發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)更方便、更可靠。

 

圖1  柴油發(fā)動(dòng)機(jī)外形示意圖

圖2  康明斯柴油發(fā)動(dòng)機(jī)外形后視圖

 

二、發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理

 

      對(duì)于往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，凡活塞往復(fù)四次而完成一次工作循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)稱為四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)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)氣門打開(kāi)，排氣門關(guān)閉。新鮮的空氣進(jìn)入燃燒室。康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)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(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(yùn)動(dòng)，通過(guò)連桿使曲軸旋轉(zhuǎn)而輸出動(dòng)力。這時(shí)，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(kāi)，活塞向上運(yùn)動(dòng)。活塞迫使燃燒室中燃燒過(guò)的廢氣通過(guò)打開(kāi)的排氣門口排到排氣歧管中，驅(qū)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(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)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(dāng)?shù)臅r(shí)間噴入汽缸中。

 

      柴油機(jī)點(diǎn)火順序與曲柄排列有著緊密聯(lián)系，點(diǎn)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(dòng)機(jī)的夾角，然后再按照運(yùn)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(lái)確定點(diǎn)火順序。通常，每列缸數(shù)為偶數(shù)的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)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(jī)每完成一個(gè)工作循環(huán)，曲軸旋轉(zhuǎn)兩圈，各缸的進(jìn)、排氣門各開(kāi)啟一次，即凸輪軸只轉(zhuǎn)一圈，所以曲軸與凸輪軸的傳動(dòng)比為2：1。其中，進(jìn)、排氣門位置如圖4所示。

 

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

圖4  N855康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣門位置圖

 

三、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)所有的運(yùn)動(dòng)件和各種附件。氣缸體內(nèi)設(shè)置有冷卻水道和潤(rùn)滑油道，保證對(duì)高溫狀態(tài)下工作和高速運(yùn)動(dòng)的零件進(jìn)行可靠的冷卻和潤(rùn)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(yùn)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(gòu)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(jī)構(gòu)

      曲軸連桿機(jī)構(gòu)是柴油發(fā)電機(jī)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(yùn)動(dòng)變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使柴油發(fā)電機(jī)輸出動(dòng)力。

3、配氣機(jī)構(gòu)

      配氣機(jī)構(gòu)主要由氣門組和氣門傳動(dòng)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(dòng)組是從正時(shí)齒輪開(kāi)始至推動(dòng)氣門動(dòng)作的所有零件。它的功用是定時(shí)驅(qū)動(dòng)氣門使其打開(kāi)、關(guān)閉。

4、冷卻系統(tǒng)

      康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)油冷卻器等構(gòu)成，如圖6所示。

（1）熱量產(chǎn)生：噴入柴油機(jī)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(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)換成機(jī)械能對(duì)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(dòng)機(jī)冷卻方式屬循環(huán)水冷卻，其功能是儲(chǔ)存足夠的冷卻水、 構(gòu)成循環(huán)水流、控制發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的特點(diǎn):使用化學(xué)裝置（水濾器）對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。

5、潤(rùn)滑系統(tǒng)

      潤(rùn)滑系統(tǒng)的功能將定量、潔凈、有適當(dāng)粘度的潤(rùn)滑油輸送至各必要部位，它對(duì)柴油機(jī)的工作可靠性和耐久性有很重要的作用。康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)由機(jī)油盤、機(jī)油泵、機(jī)油冷卻器、冷卻活塞小噴嘴、機(jī)油管道、調(diào)壓閥、全流式機(jī)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(dòng)作是由柴油機(jī)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?yàn)楣┯土咳Q于供油壓力(Pressure)以及噴油時(shí)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(jī)供油系統(tǒng)的功能是根據(jù)柴油機(jī)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(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(duì)柴油機(jī)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(dòng)機(jī)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(tǒng)

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

（1）蓄電池

      蓄電池的主要功用式在柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)時(shí)給起動(dòng)電機(jī)提供強(qiáng)大電流，并在柴油發(fā)電機(jī)停轉(zhuǎn)或發(fā)電機(jī)電壓較低時(shí)，向各用電設(shè)備供電。當(dāng)發(fā)電機(jī)高壓高于蓄電池電壓時(shí)，蓄電池將發(fā)電機(jī)的一部分電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)。

（2）充電機(jī)

      充電機(jī)在正常工作時(shí)，對(duì)所有的用電設(shè)備供電（除起動(dòng)電機(jī)外），并向蓄電池充電以補(bǔ)充蓄電池在使用中所消耗的電能。

（3）起動(dòng)電動(dòng)機(jī)  

       起動(dòng)電動(dòng)機(jī)是柴油發(fā)電機(jī)電力起動(dòng)的主要機(jī)件，采用串勵(lì)式勵(lì)磁方式，在柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)時(shí)向其提供強(qiáng)大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以利于柴油發(fā)電機(jī)迅速、可靠地起動(dòng)。

 

圖5  柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)零件圖

圖6  康明斯柴油機(jī)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(dòng)機(jī)公司，是世界上最大的獨(dú)立性的柴油發(fā)電機(jī)組整機(jī)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(guó)市場(chǎng)上是有目共睹的。此外，康明斯柴油機(jī)在使用過(guò)程中必須對(duì)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(gè)部件，否則柴油發(fā)電機(jī)的正常工作將無(wú)法保證，造成電力供應(yīng)不穩(wěn)定性。要延長(zhǎng)柴油機(jī)的使用周期，在使用過(guò)程中就要加強(qiáng)空氣濾清器、潤(rùn)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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