性能特點和作用說明

柴油機基本結構組成部件

 

摘要：柴油機由兩大組件和五大系統組成。兩大組件是完成熱能轉變為機械能的主體，五大系統的功用是保障兩大組件正常工作。兩大組件是柴油機的固定不動組件和相對運動組件，而燃燒室組件，例如汽缸蓋、機體、汽缸套，活塞組是構成固定不動組件的主體；動力傳動組件（如活塞組、曲軸）則可視為相對運動組件。前者的功用是組成密封燃燒室，是燃油產生熱能的場所；后者則是完成熱能轉變為機械能，輸出動力的場所。康明斯公司在本文中介紹柴油發動機各系統分部件的組成、要求及作用。

 

一、燃燒室的組成及功用

 

      燃燒室主要由汽缸套、汽缸蓋、活塞組三個部分組成，其主要任務是把燃氣的作用力通過活塞組和連桿組傳給曲軸。為保證燃燒室組件的正常工作，必須解決好四個方面的問題：一是各組件之間要具有良好的密封性；二是各組件要有足夠的硬度和耐磨性；三是各組件應有良好的散熱性；四是活塞組與汽缸套之間要有良好的潤滑，這可降低各機件的磨損速度和延長機件的使用壽命。圖1是柴油發動機的外形示意圖。

1．汽缸套

      汽缸套的一般為濕式缸套，靠其上部凸肩懸掛定位，凸肩下面與機體之間接觸面處還置有0.25mm的紫銅墊圈，以保證冷卻水的密封性，在缸套的下部還有一段密封槽，在裝配時必須套上橡皮圈以防止冷卻水進入油底殼。選用汽缸套時，對轉速為2000r／min以上的高速機型必須用磷化缸套。

2．汽缸蓋

      汽缸蓋的內部較復雜，其內有氣門座、進、排氣門孔、水道、油道、推桿孔、進氣孔、排氣孔、噴油孔、固定缸蓋、噴油器、搖臂、機油銅管孔等。汽缸蓋的結構形式有兩種：單制式、組合式。135系列柴油機采用的是組合式，防止漏氣的措施有三種：一是保證接觸面之間具有一定的光潔度；二是在接觸面之間墊上耐高溫的軟金屬：三是保證固定螺栓具有一定的預緊力且各螺栓一定要受力均勻。

3．活塞組

      活塞組由活塞環（由鍍鉻氣環、氣環及油環組成）、活塞銷、活塞本體組成，其中，活塞外形圖如圖2所示。其功用如下：

（1）承受燃氣作用力，并通過活塞銷和連桿傳給曲軸；

（2）保證燃燒室的密封性，防止燃氣漏入曲軸箱，同時防止潤滑油進入燃燒室；

（3）在二沖程柴油機中，氣孔的開閉由活塞組來控制。

4．活塞環

      活塞環又分為氣環和油環。前者的功用是阻止氣體從燃燒室中漏出，并把從活塞頂部吸收的熱量傳給汽缸套；后者的功用是把缸套壁上過多的機油刮回曲軸箱。尤其注意的一點是，在安裝時錐面必須向著燃燒室，否則柴油機就會燒機油。

5．活塞銷

      活塞銷的功用是連接活塞和連桿，并把活塞上所有承受的力傳給連桿。柴油機長期使用過程中易產生活塞銷響，這主要是因為活塞銷與活塞銷座孔或與連桿銅套配合松動所造成。

 

圖1  柴油發動機結構外觀示意圖

圖2  柴油機活塞結構外形圖

 

二、動力傳動組件的功用

 

      動力傳動組件其任務是把活塞的往復直線運動轉變為曲軸的旋轉運動，輸出動力使熱能轉變為機械能。

1．連桿

      連桿的作用是連接活塞和曲軸，把作用在活塞上的力傳給曲軸。尤其注意的一點是安裝要正確，特別在裝配連桿螺栓時，一定要按要求擰緊且受力要均勻，避免螺栓受到附加的作用力。

2．曲軸

      曲軸由耐磨鑄鐵制成。它主要由主軸承、曲拐、皮帶盤、前軸、輸出法蘭等組成，其功用是把連桿傳來的作用力轉變成曲軸的轉動力，并通過曲軸帶動發電機等用電設備。

3．主軸承

      主軸承是支承曲軸可靠運轉的重要部分，其結構分為滾動和滑動兩種。根據機體結構形式的不同，在安裝位置和方法上分別有隧道式、正置式和懸掛式三種方法。另外特別注意的是，更換曲拐時要校正它的靜平衡。

4．凸輪軸

      凸輪軸的作用是控制氣門的開啟和閉合動作。凸輪軸的工作原理是凸輪軸的不斷旋轉，推動氣門頂桿上下運動，進而控制氣門的開啟與關閉。通過改變凸輪軸的曲線，可精確調整氣門開啟、關閉時間。

 

三、燃油系統的組成及功用

 

      燃油系統主要由低壓油路和高壓油路組成，結構示意圖如圖3所示。其功用是保證在活塞向上運動到壓縮上止點前一定度數時，定質、定量、定時向燃燒室噴入燃油。低壓油路由油箱、低壓油管、低壓輸油泵、柴油軟管、柴油濾清器組成；高壓油路壓油泵、調速器、高壓油管、噴油器組成。以下重點介紹輸油泵、柴油濾清器、高壓油泵、調速器、噴油器的組成、功用及精密部件的要求。

1．輸油泵

      輸油泵的作用是保證柴油在低壓油路內循環，確保一定壓力的燃油送給噴油泵。滾輪式輸油泵由滾輪、頂桿、頂桿套、彈簧、活塞、橡膠密封圈、推桿等組成。輸油泵的技術要求如下：

（1）活塞與殼體的配合間隙不可太大，應保持在0.005～0.02mm之間，否則，供油率將下降，同時會影響柴油機的輸出功率及轉速。

（2）確保手泵活塞與橡膠密封圈結合嚴密。

2．柴油濾清器

      柴油濾清器的主要功能是清除柴油中的雜質，保證把清潔燃油送給高壓油泵。濾清器結構示意圖如圖4所示。

3．高壓油泵

      高壓油泵的作用是將燃油轉換成高壓燃油，并按照柴油機工作過程要求定時、定量地將燃油輸送至噴油器，然后噴油器以一定的壓力將燃油以霧狀噴入燃燒室中。高壓油泵是柴油機中的最精密部件，技術要求：

（1）保證定時。嚴格按照規定的供油時刻開始供油，并保持一定的供油持續時間，不可過長，同時也不可過短；

（2）在保證定量噴油時，可根據負載的大小，供給適當的油量，要滿足燃油足夠的壓力，以使燃油獲得良好的噴霧質量；

（3）供油開始和結束時要迅速、干脆，避免噴油器產生滴油或不正常的噴射現象。

4．調速器

      調速器其有以下功用：

（1）根據負荷變化，迅速自動地調整供油量，使柴油機的輸出功率與負載保持平衡，從而保持穩定的轉速；

（2）限制柴油機最高轉速，防止飛車；

（3）保證低速時的穩定性；

（4）根據啟動運轉中預熱規定，人為進行手動轉速調節。

5．噴油器

（1）噴油器作用

① 將柴油霧化成較細的顆粒噴入燃燒室，使噴出的油束形狀及分布與燃燒室相適應；

② 將燃油分布到整個燃燒室中，使燃油顆粒與空氣進行良好的混合，形成均勻的可燃混合氣。

（2）噴油器的技術要求

① 必須滿足一定的噴射壓力和射程以及合適的噴霧錐角和噴霧質量；

② 噴油和停止供油要迅速，不允許燃油滴漏，以免惡化燃燒過程。最好的噴油特性是：

      在每一循環供油量中，開始噴油少，中期噴油多，后期噴油少，以減少瀉燃期的積油量和改善燃燒后期的不利情況。

 

圖3  柴油發電機燃油系統結構圖解

圖4  柴油濾清器結構示意圖

 

四、進排氣系統的結構特點

 

      進排氣系統的作用是保證柴油機的各氣缸在工作時得到充足的新鮮空氣和排出燃燒室內燃燒后形成的廢氣，進排氣系統主要由空氣濾清器、進氣管、排氣管、消聲器等組成。

1．進氣系統

      進氣系統的作用是將新鮮氣體或純凈的空氣盡可能多的供入氣缸內，并盡可能使各缸進氣量一致，為各缸熱功轉換提供物質基礎。

（1）空氣濾清器

      空氣濾清器的作用濾除空氣中的雜質，保證向氣缸供給清潔的新鮮氣體和空氣。

（2）進氣歧管

      進氣歧管長度和形狀盡可能保持一致：目的是保證向個汽缸均勻的供氣。

2．排氣系統

      隨著節能減排要求的不斷嚴格，柴油發電機排氣系統的功用不僅是將汽缸內的已燃廢氣及時地排除干凈，以便保證充入更多的新鮮氣體，同時還要保證盡可能降低有害污染物的排放和噪聲，盡可能回收利用排氣能量。

（1）消聲器

      排氣管內平均排氣壓力一般為0.3~0.5MPa,而且排氣壓力在排氣管內波動。這種壓力波動不僅造成排氣系統的振動，而且如果把柴油機燃燒后的廢氣直接排到大氣，就會產生強烈的、頻譜比較復雜的排氣噪聲，直接影響工作環境，因此柴油發電機都裝有排氣消聲器。

      排氣消聲器的作用是降低或衰減排氣壓力脈動，以降低排氣噪聲。消聲器的結構根據其消聲機理不同有很大的區別，但其結構基本有吸收式、干涉式、擴張式和共振式等。實際消聲器多為這些結構的不同組合形式。

（2）增壓系統

      增壓是在柴油機進氣過程中預先把空氣壓縮，然后再供入汽缸，以此提高進氣密度，增加進氣量的一項技術。進氣量增加，可以相應地增加循環噴油量，從而增加柴油機的升功率。同時，增壓不僅可以改善燃油經濟性，而且也是控制排放的有效技術之一。

 

五、冷卻系統的組成及要求

 

      冷卻系統由多個部件組成，包括水泵、冷卻風扇、氣缸蓋中的水套、散熱器、節溫器以及其他附屬裝備。主要功用是冷卻機體內部各運動部件及少部分固定部件，并對機油進行冷卻。冷卻系統需要定期保養，包括定期更換防凍液和在缺少時添加。

1．水泵

      水泵可促使冷卻水在機體內循環，并產生一定的壓力把冷卻水輸送到柴油機的各冷卻部位，主要由淡水泵總成、水泵體、水封、葉輪、水泵軸等部件組成。

2．節溫器

      節溫器可隨柴油機負荷的大小和水溫的高低自動改變流經散熱器的水量，以保證柴油機在最佳溫度下工作。其工作原理如圖3所示。

3．散熱器

      由進水室、出水室及散熱器芯等三部分構成，結構組成如圖4所示。其原理是冷卻液在散熱器芯內流動，空氣在散熱器芯外通過，熱的冷卻液因向空氣散熱而變冷，冷空氣則因吸收冷卻液散出的熱量而升溫。

4．冷卻風扇

      當風扇旋轉時吸進空氣，使其通過散熱器，以增強散熱器的散熱能力，加速冷卻液的冷卻。

      冷卻系統的各個部件緊密配合，共同維持發動機的正常工作溫度。水泵將冷卻液從水套中抽出，并通過散熱器散熱，然后將其送回發動機。節溫器則根據發動機溫度的變化來控制冷卻液的流動。發動機機體是冷卻系統的“心臟”，負責將冷卻液循環到散熱器中進行散熱。

 

圖5  柴油機節溫器工作原理圖

圖6  柴油機散熱水箱結構示意圖.

 

六、潤滑系統的組成及功用

 

      滑油系統由油底殼、機油泵、吸油盤、機油管、機油冷卻器、機油粗濾器、機油細濾器、缸蓋內部油道、機體內部油道、傳動齒輪和各種相對運動的潤滑部位等組成。滑油系統的功用主要是減輕零件表面摩擦，帶走零件所吸收的部分熱量，沖洗零件表面，提高密封效果，防止部件生銹。常見潤滑方法有飛濺潤滑、壓力潤滑和人工潤滑三種。滑油系統各部分的作用：

1．油底殼

（1）油底殼的功用

      油底殼是用來儲存機油并封閉曲軸箱的，一般由鋼板沖壓而成。外形示意圖如圖7所示。

（2）油底殼結構

      前淺后深的楔形狀；設有擋油板，防止油面波動過大；側面通常有油標尺孔；最低處裝有帶磁性的放油塞。

2．機油泵

      機油泵的作用是為壓力潤滑和潤滑油循環流動建立一定的油壓，提高機油壓力，保證機油在潤滑系統內不斷循環。機油泵一般安裝在柴油機機體的下部，可安置在曲軸箱單面或外面，由柴油機驅動。以電子型機油泵為例，其常用的結構形式如圖8所示。

3．機油濾清器

      機油濾清器的作用是濾掉機油中機械雜質和各種雜質，以免使之進入潤滑系統磨損機件。機油濾清器按在系統中的布置可分為全流式、分流式和組合式三種方式。

4．機油冷卻器

      機油冷卻器在熱負荷較大的高性能、大功率柴油機上是必不可少的部件，其作用是 對機油進行強制冷卻，以防止機油過熱而使機油消耗增加氧化變質。

5．機油尺

      機油尺是用來檢查油底殼內油量和油面高低的。它是一片金屬桿，下端制成扁平，并有刻線。機油油面必須處于油尺上下刻線之間。

 

圖7  柴油機油底殼結構圖

圖8  柴油機機油泵結構示意圖

 

七、啟動和充電系統的結構特點

 

      啟動系統由蓄電池、起動機、磁力開關及控制按鈕等組成。充電系統由調節器、交（直）流發電機、充電線路、用電負載和控制開關等組成。啟動和充電系統的功用是保證柴油機準時啟動和按時給蓄電池充電。其各部件的組成和作用如下：

1．起動機

      起動機由甩輪、碳刷、定子、轉子等組成，結構組成如圖9所示。主要功用是使柴油機從靜止到自行運轉，帶動曲軸旋轉到一定的啟動轉速，使柴油機能夠自行運轉。

（1）起動繼電器

      起動繼電器通過控制電路中的電磁鐵來閉合觸點，從而將電池的電能轉化為機械能，驅動柴油機轉動。此外，起動繼電器還能保護電路，在電路出現過電流或短路時，會自動切斷電源，避免設備損壞，從而保護柴油機和其他設備的電氣系統。同時，起動繼電器還有助于提高電氣工作效率和穩定性，延長設備的使用壽命。

（2）電磁開關

      電磁開關的作用電磁開關電磁開關，顧名思義就是用電磁鐵控制的開關，也就是電磁鐵與開關的結合體。當電磁鐵線圈通電后產生電磁吸力，活動鐵芯推或拉動開關觸點閉合，從而接通所控制電路。電磁開關在各行業有廣泛的應用，最常見的是工業領域的接觸器。

2．充電發電機

      普通充電發電機一般由轉子、定子、調節器、前后部軸承蓋等組成，結構示意圖如圖10所示。

（1）充電電池：

      柴油發電機的充電機通過發動機帶動發電機產生交流電，然后通過整流器將交流電轉換為直流電，用于充電發電機組的電池。這樣可以確保發電機組在停電或斷電情況下，仍能提供電力供應。

（2）維持電池電量：

      充電機不僅在停電時提供備用電源，同時還能維持發電機組的電池電量，保持電池處于充滿的狀態。這樣可以確保發電機組在需要啟動時，有足夠的電量來啟動發動機。

（2）防止電池自放電：

      電池在長時間不使用時，會自然放電。充電機能夠監測電池電量，并及時補充電量，防止電池自放電過度導致電量不足。

3．啟動電池

      啟動電池一般由鉛酸電池或鋰電池組成，起到存儲電能的作用。電池能量過低可能導致起動電機無法正常運轉，鑰匙轉動磁石無法引導轉子轉換電流，因此啟動電池的安置位置應為干燥、涼爽的空間。

 

圖9  起動機內部結構示意圖

圖2  柴油機充電發電機結構示意圖

 

總結：

      柴油機是一種利用柴油燃料進行內燃機燃燒的發動機，具有高效率、高可靠性和長壽命等特點。了解柴油機的結構和主要零部件，對于掌握其工作原理、正常運行柴油機、檢修和維護保養都具有重要意義。對于柴油機的保護和維護，需要定期檢查零部件的磨損和老化情況，并及時更換和修理，以確保柴油機的正常運行和延長使用壽命。

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