新聞主題	柴油發動機的結構和控制及工作原理

 

摘要：柴油發動機通常是壓燃式發動機，利用燃料的化學能轉化為熱能和動能。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充量的高溫、高壓引起混合氣自燃，產生爆炸并向下推動活塞。因此，我們就可以看到柴油發動機是基于熱力學原理進行工作的，同時還需要潤滑、冷卻等技術的保障，確保發動機的安全和穩定。

 

一、柴油發動機的構成

 

      發電機組驅動柴油機通常采用四沖程。其原理為柴油發動機將熱能轉變為機械能的過程，是經過進氣、壓縮、作功和排氣四個連續的過程來實現的，每進行一次這樣的過程就叫一個工作循環。凡是曲軸旋轉兩圈，活塞往復四個行程完成一個工作循環的，稱為四沖程發動機。柴油機通常由曲柄連桿、配氣（兩大機構）和燃料供給、潤滑、冷卻、起動、進排氣（五大系統）組成，其結構與內部剖析圖如圖1、圖2所示。

1、曲柄連桿機構

      曲柄連桿機構是由氣缸體、氣缸蓋、活塞、連桿、曲軸和飛輪等組成，結構如圖3所示。這是發動機產生動力，并將活塞的直線往復運動轉變為曲軸旋轉運動而對外輸出動力。

2、配氣機構

      配氣機構是由進氣門、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，并將燃燒產生的廢氣及時排出氣缸。

3、燃料供給系統

      柴油機燃料供給系統由燃油箱、輸油泵、噴油泵、柴油濾清器等組成，系統結構如圖4所示。其作用是向氣缸內供給純空氣并在規定時刻向缸內噴入定量柴油，以調節發動機輸出功率和轉速，最后，將燃燒后廢氣排出氣缸。

（1）噴油泵是將柴油從油箱經管道進入濾清器濾清，當某氣缸需要噴油時，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入油泵之前濾出雜質。濾清器在工作時，終究會因雜質堆積而形成阻礙，從而降低發動機的功率。所以濾清器的阻力不能超過規定值。必須按保養和維修手冊中的建議，按一定的存放時間、工作小時數更換濾清器。

4、進氣系統

      對進氣系統統基本要求是盡可能多的向發動機提供清潔空氣。進氣方式可分為自然吸氣、增壓、增壓中冷、雙增壓中冷。系統統主要由空氣濾清器、進氣管道、缸蓋氣道等構成。其中空氣濾清器的主要功用是濾除空氣中的雜質、塵埃，保證進入汽缸空氣的清潔度，以延長發動機的使用壽命。

5、冷卻系統

      柴油機一般采用水冷卻式。水冷式由水泵、散熱器、風扇、節溫器和水套（在機體內）等組成，其作用是利用冷卻水的循環將高溫零件的熱量通過散熱器散發到大氣中，從而維持發動機電動正常工作溫度。噴入柴油機燃燒室的柴油，燃燒產生的大量的熱量；其中約三分之一通過活塞及連桿機構，轉換成機械能，對外做功；約三分之一由排氣排出；約三分之一由冷卻系統統散失。

（1）康明斯發動機冷卻方式為循環水冷卻式，它與其他發動機冷卻系統統具有相同功能，即儲存足夠的冷卻水、構成循環水流、控制發動機的水溫、散失冷卻系統統多余的熱量。康明斯發動機冷卻系統統的特點在于：使用化學裝置（水濾器）對系統統進行保護。

（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房（艙）空間有限，空氣流通困難的環境。

（3）所有的康明斯發動機均采用離心式水泵；由水泵體、水泵軸、葉輪、軸承、密封件、蝸殼構成。

（4）傳動皮帶的工作狀態將直接影響冷卻系統統工作溫度；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、皮帶發熱造成損壞。

6、潤滑系統

      潤滑系統由機油泵、濾清器、油道、油底殼等組成。潤滑系統統的功能是將定量、潔凈，有適當粘度的潤滑油輸送至各必要部位，以減小摩擦力，減緩機件磨損，并清洗、冷卻摩擦表面。它對柴油機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。

7、起動系統

      起動系統統由電瓶、導線、電磁切斷閥、啟動開關、起動機、充電機組成，用以使靜止的發動機起動并轉入自行運轉狀態。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。

（4）啟動開關：手動電源開關。

（5）電磁切斷閥：電控油路開關。

（6）起動機：為發動機提供初始動能。

（7）充電機：給系統統提供電能。

 

圖1  柴油發動機結構示意圖	圖2  柴油發動機結構剖析圖
圖3  柴油機曲柄連桿機構	圖4  柴油發電機燃油系統基本結構圖

 

二、柴油發動機的工作原理

 

      柴油發動機將熱能轉變為機械能的過程，是經過進氣、壓縮、作功和排氣四個連續的過程來實現的，每進行一次這樣的過程就叫一個工作循環。凡是曲軸旋轉兩圈，活塞往復四個行程完成一個工作循環的，稱為四沖程發動機。四沖程柴油機的工作原理：

1．進氣行程

      如圖5（a） 曲軸帶動活塞從上止點向下止點運動，此時，進氣門開啟，排氣門關閉。活塞移動過程中，氣缸內容積逐漸增大，形成真空度，于是可燃混合氣通過進氣門被吸入氣缸，直至活塞到達下止點，進氣門關閉時結束。

      由于進氣系統統存在進氣阻力，進氣終了時氣缸內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留下的高溫殘余廢氣的加熱，氣體溫度升高到370K～440K。進氣行程中進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，進氣行程結束時，活塞在曲軸的帶動下，從下止點向上止點運動，氣缸內容積逐漸減小。此時進、排氣門均關閉，純空氣被壓縮，至活塞到達上止點時壓縮結束。壓縮過程中，氣體壓力和溫度同時升高，并使混合氣進一步均勻混合，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3MPa～5MPa，溫度可達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噴油器呈霧狀噴入氣缸內的高溫高壓空氣中，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，且此后一段時間內邊噴油邊燃燒，氣缸內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5MPa～10MPa，瞬時溫度可達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，進氣門關閉，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，至活塞到達上止點時，排氣門關閉，排氣結束。因排氣系統統存在排氣阻力，排氣沖程終了時，氣缸內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生動力，其他三個行程是為作功行程做準備工作的輔助行程，都要消耗一部分能量。發動機起動時的第一個循環，必須有外力將曲軸轉動，以完成進氣和壓縮行程。當作功行程開始后，作功能量便通過曲軸儲存在飛輪內，以維持以后的循環得以繼續進行。

 

圖5  柴油機進氣和壓縮行程流程解析

圖6  柴油機做功和排氣行程流程解析

 

三、柴油發動機的控制

 

      以下幾部分部件可完成對柴油機的控制：

1、調速器的分類

      在柴油機各種工況運轉中，當外界負荷發生變化時能自動調節噴油泵的供油量，以保證柴油機在規定的轉速下穩定運轉，防止柴油機運轉超速運轉（飛車）一控制最高轉速；保證愛最低轉速下能穩定運轉一控制最低轉速：隨著外界負荷的變化，自動調節供油量，使之在規定的轉速下穩定工作。

（1）機械離心式調速器

      機械離心式調速器是根據彈簧力和離心力相平衡進行調速的，工作中，彈簧力總是將供油拉桿向循環供油量增加的方向移動；而離心力總是將供油拉桿向循環供油量減少的方向移動。當負荷減小時，轉速升高，離心力大于彈簧力，供油拉桿向循環保油量減少的方向移動，循環供油量減小，轉速降低，離心力又小于彈簧力，供油拉桿又向循環供油量增加的方向移動，循環供油量增加，轉速又升高，直到離心力和彈簧力平衡，供油拉桿才保持不變。這樣轉速基本穩定在很小的范圍內變化。

      反之當負荷增加時，轉速降低，彈簧力大于離心力，供油拉桿向循環供油量增加的方向移動，循環供油量增加，轉速升高，彈簧力又小于離心力，供油拉桿又向循環供油量減小的方向移動，循環供油量減小，轉速又降低，直到離心力和彈簧力平衡。

（2）電子調速器

      電子調速器是根據接受的電信號，通過控制器和執行器來改變噴油泵供油量的大小。電子調速器主要由轉速調整電位器、轉速傳感器、控制器、執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動機轉速實際值，并送至控制器，在控制器中實際值與預先設定需要的轉速相比較，其比較的差值經控制線路的整理、放大，驅動執行器輸出軸，通過調節連桿拉動噴油泵齒桿，進行供油量的調節，從而達到保持此設定轉速的目的。電子控制系統統會將負荷變化而引起的設定轉速與實際轉速之間的差值消除，使發動機保持原設定的轉速。根據機組需要，也可調節不均勻度電位器，以使調速系統統獲得滿意的靜態調速率。電子調速器還配有多種附件裝置，根據機組需要，裝上相應附件，可以實現自動同步、負荷分配及負荷預置等功能要求。

2、調速器的工作指標

      調速器的性能好環直接影響著柴油機運轉的穩定性和可靠性。評定調速器性能的主要工作指標有以下幾個：

（1）轉速波動率

      轉運波動率Yn是指柴油機穩定工況下最大轉速Nmax（或最小轉速Nmin）與平均轉速Nm之差同平均轉速Nm之比值百分數，即γn=（Nmax-Nm）*100%/Nm穩定工況下，最大轉速Nmax（或最小轉速Nmax）與平均轉速之差同平均轉速之比值百分數。

（2）瞬時調速率

      瞬時速差率dd是指柴油機突加（或突卸）全負荷的最小（或最大）轉速n2（或n4）與負荷改變前的轉速n1（或n3）之差同標定轉速ne之比值百分數，即

6d（突加）=（n₁-n₂）100%/n_e或δd（突減）=(n₄-n₃)100%/n_e

式中，n₁--突加負荷前的穩定轉速（r/min）；

n₂——突加負荷后的最小瞬時轉速（r/min），

n₃--突卸負荷前的穩定轉速（r/min）；

n₄--突卸負荷后的最大瞬時轉速（r/min）；

n_e--標定轉速（r/min）。

（3）過渡過程的穩定時間

      過渡過程穩定時間t是指從突加（或突卸）全負荷轉速開始波動到轉速達到新的穩定范圍（即轉速波動率Yn不大于規定值）為止的時間（以秒計）。

      過渡過程的穩定時間是過渡過程的主要工作指標之一。它表明消除過渡過程中波動現象的快慢。穩定時問愈短，轉速波動消除愈快，就說明調速器的穩定性好。t一般限制在5-10秒內。

（4）穩態調速率

      調速器的穩態調速率是指當操縱手柄在標定供油位置不變時，空車穩定轉速與全負荷穩定轉速之差同標定轉速比值百分數，可用公式表示為：

δ_rt=(n₁-n₃)100%/n_e

      δrt用來衡量調速器的準確性，是調速器的靜態特征，其數值小，表示調速器的準確性愈好。

（5）不靈敏度

      調速器工作時，由于噴油泵和調速器的各種機構中存在著摩擦，需要有一定的力來克服，因為機構中摩擦阻力阻止套筒的移動，所以不論柴油機轉速增加減少，調速器都不會立即作出反應，改變供油量。例如發動機工作轉速為200r/min，調速器可能對轉速在n₁=197r/min到n2=203r/min范圍內的變動都不作反應。這種現象稱為調速器的不靈敏性。這兩個起作用的極限轉速之差與發動機平均轉速Nm之比稱為不靈敏度，即：

e=(n₂-n₁)/N_m

式中，n₁-----當發動機負荷增大時調速器開始起作用時的轉速（r/min）；

n₂-----當發動機負荷減小時調速器開始起作用時的轉速（r/min）；

N_m----發動機的平均轉速（r/min）。

      不靈敏度主要是由于噴油泵、調速器機構中存在摩擦所引起的。顯然摩擦力越小，調速器就越靈敏。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轉速不穩定。一般在標定轉速下不靈敏度不超過1.5—2%，最低轉速時不超過10—13%。

（6）調速器的精度等級

      根據不同用途，我國將調速系統統的精度等級分為四級。對于船用柴油機調速系統統，突卸負荷只要求達到4級精度即可，而且穩定時間t也不作具體規定。對柴油發電機組，則要求高于3級，對車用電站或應急發電機組，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動而轉動，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。如果松開聯軸節連接螺栓，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動一個角度，供油提前角度增加；反之，將泵體向內搬動，供油提前角度減小；柴油機最佳供油提前角隨發動機轉速升高而增大，因此，噴油泵凸輪軸前端應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。噴油器是實現燃油噴射、霧化的重要部件。要求噴油器應能滿足發動機對其噴霧特性的要求，即應具有一定的油束貫穿距離和噴注錐角以及良好的霧化質量，并且在噴油結束時不發生滴漏現象。以上三部分部件連同其他部件一起確保發動機在期望的轉速下正常運轉。

 

總結：

      想知道發動機的工作原理需要先了解四個基本循環過程：進氣、壓縮、點火和排氣。這四個過程循環進行，驅動柴油機運行。總之，了解柴油發動機的工作原理是關鍵，它們的復雜過程非常重要，可以直接影響柴油發電機組的性能。可以把柴油發動機比喻為人體的心臟，細心呵護好它，才能讓柴油發電機組為工廠企業供電保駕護航。

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