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康明斯柴油發動機的基本組成機構和系統

 

摘要：柴油發動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、冷卻系統和起動系統構成。由于柴油發電機是壓燃的，與汽油機相比，就去掉了點火系統。但是無論是四行程還是二行程或者是單缸柴油發動機，要完成能量轉換，實現工作循環，都必須具備這兩大機構和四大系統。康明斯公司在本文中重點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動機實現工作循環，完成能量轉換的主要運動零件。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單，但卻具有極大的實用性和效率。當曲柄旋轉時，連桿隨之進行往復運動，從而推動活塞進行直線運動。這種運動形式在許多機械設備中都有重要的應用。通過控制曲柄的轉速和連桿的長度，可以調控活塞的行程和速度，實現不同的工作需求。

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。它們構成了發動機的基本框架，為活塞和其他運動部件提供了空間。

2、活塞連桿組

      活塞連桿組包括活塞、活塞環、活塞銷和連桿。活塞在氣缸內上下移動，通過連桿與曲軸相連，將活塞的往復運動轉換為曲軸的旋轉運動。

3、曲軸飛輪組

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

 

二、配氣機構

 

      柴油機工作時，離不開空氣供給，而空氣是由配氣機構來分配的。 配氣機構的功用是根據柴油發動機的工作順序和工作過程，定時開啟和關閉進氣門和排氣門，使可燃混合氣或空氣進入氣缸，并使廢氣從氣缸內排出，實現換氣過程。配氣機構大多采用頂置氣門式配氣機構，一般由氣門組、氣門傳動組和氣門驅動組組成。

1、氣門組

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

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

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

（3）氣門座。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）氣門彈簧。每個氣門上裝有繞向相反的內外兩個彈簧，以保證氣門及時自動關閉。

（5）氣門彈簧座及鎖夾。彈簧上座鎖夾卡在氣門桿尾部，限制氣門彈簧的自由伸長。在安裝時，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、氣門傳動組

      氣門傳動組的主要功用是按照凸輪的外廓形狀傳遞動力，使氣門按時開啟和關閉。氣門傳動組主要由挺柱、推桿、搖臂、搖臂軸等零件組成。

（1）挺柱。挺柱是凸輪的從動件，使凸輪的回轉運動變為挺柱的直線運動，并將凸輪的推力通過推桿和搖臂傳到氣門。挺柱的結構簡單，質量輕。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，將挺柱傳來的運動和作用力傳給搖臂。在凸輪軸下置式的配氣機構中，推桿是一個細長桿件，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的運動和作用力改變方向，傳給氣門使其開啟。搖臂是一個雙臂杠桿，以搖臂軸為支點，兩臂不等長。短臂端加工有螺紋孔，用來擰入氣門間隙調整螺釘。長臂端加工成圓弧面，是推動氣門的工作面。

（4）搖臂軸。固定在汽缸蓋上，用來支撐搖臂，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動機的要求，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，并通過燃油管道與燃油過濾器相連。

2、燃油過濾器

      對燃油進行過濾，去除其中的雜質和微粒。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

 

      柴油發動機的運轉是依賴其零件的相對運動來實現的，相對運動的零件之間必然產生摩擦和磨損。干摩擦會產生大量的熱，使零件溫度升高，磨損加劇，表面擦傷、膠合，甚至咬死。因此，不潤滑柴油發動機就不能工作；潤滑不良，會使柴油發動機出現故障，縮短壽命。根據統計，使用中柴油發動機的故障有50%~60%是由于潤滑不當引起的。因此，柴油發動機有良好的潤滑系統，連續不斷地供給各個摩擦表面潤滑劑（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，以及短時間防銹作用，對于柴油發動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，內轉子帶動外殼向同一方向轉動。內轉子有四個凸齒，外轉子有五個凹齒，它們可以看作是一對只相差一個齒的內嚙合傳動，其轉速比為5：4。無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個空腔。進油道一側的空腔，由于轉子脫開嚙合，容積增大，產生真空度（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。間隙過大會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，潤滑油量和機油壓力會明顯下降，影響正常潤滑。這時可通過調整機油泵體與機油泵蓋的墊片來調整轉子的軸向間隙。內、外轉子的嚙合間隙超過磨損極限時應更換新件。

2、機油濾清器

      按濾清方式不同，機油濾清器可分為過濾式和離心式兩大類。過濾式濾清器按其結構形式又可分為濾網式、刮片式、紙質濾芯式、線繞式和復合式等。拖拉機柴油發動機的機油濾清器廣泛采用單級紙質濾清器。濾芯為圓筒折疊式紙質濾芯。濾紙經化學處理，具有無數微細小孔，兩端與端蓋粘合密封。機油通過濾紙的微孔進入內腔時得到過濾，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。在濾清的過程中，如果濾芯過臟或冷車啟動潤滑油黏度增加，機油通過濾芯的阻力增大，使油道中機油量不足時，機油就沖開旁通閥（安全閥），不經過濾直接進入油道。旁通閥的開啟壓力一般為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程中的正常循環。油底殼內還配有油位表，用于監測潤滑油的油位，以便及時補充潤滑油。

4、機油冷卻器

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

 

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散發出去，保證柴油發動機在最適宜的溫度狀態下工作。水冷柴油發動機的冷卻系統通常由冷卻液套、水泵、風扇、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，主要作用是通過葉輪將水循環流動，形成連續的循環，使柴油機的熱量得到有效的散發。水泵由葉輪、水封、軸承組成，它們的質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的地方，通過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圍環境，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、散熱風扇

      風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前進時所產生的風阻，加速空氣流動。空氣流過水箱散熱器時，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。

 

柴油機冷卻液循環路徑示意圖

柴油機冷卻液循環流程框圖

 

六、起動系統

 

      要使柴油發動機由靜止狀態過渡到工作狀態，必須先用外力轉動柴油發動機的曲軸，使活塞作往復運動，氣缸內的可燃混合氣燃燒膨脹作功，推動活塞向下運動使曲軸旋轉。柴油發動機才能自行運轉，工作循環才能自動進行。因此，曲軸在外力作用下開始轉動到柴油發動機開始自動地怠速運轉的全過程，稱為柴油發動機的起動。完成起動過程所需的裝置，稱為柴油發動機的啟動系統。電啟動系統主要由起動機、蓄電池、充電發電機、主控制器等組成。

1、蓄電池

       當啟動柴油機時，蓄電池負責為起動機提供所需的電力，確保發動機能夠順利啟動。

2、起動馬達

      起動馬達的作用是將電能轉化為機械能，通過電磁開關、起動繼電器和點火起動開關等控制裝置，驅動發動機的飛輪旋轉，從而使發動機啟動

3、充電發電機

      充電發電機是一種直流發電機，其轉子內置有永磁體和線圈，當轉子旋轉時，永磁體和線圈之間的磁場發生改變，從而產生感應電動勢，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和改變電路中電阻值來控制柴油發電機的啟動、調速、制動和反向的主令裝置。由程序計數器、指令寄存器、指令譯碼器、時序產生器和操作控制器組成，它是發布命令的“決策機構”，即完成協調和指揮整個計算機系統的操作，控制著發電機組的整體運行。

 

柴油機起動機內部構造示意圖

柴油機起動機電磁開關原理圖

 

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。相對于汽油發動機而言，柴油機更加高效、經濟和耐用。總之，柴油機的構造是復雜的，由多個部件組成。每個構造部分都有各自的特點和功能，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行操作、檢修以及維護都非常重要。

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