性能特點和作用說明

康明斯柴油發動機的主要機構組成

 

摘要：柴油發動機主要由曲軸連桿機構、配氣機構、進排氣系統、燃料系統、潤滑系統、冷卻系統和啟動系統等部件組成，其原理是每個工作循環經歷進氣、壓縮、做功、排氣四個沖程。康明斯目前是唯一獲得美國2002年10月以來新排放認證的全系列發動機，并符合中國和歐洲第三階段排放認證。康明斯柴油機憑借先進的設計技術，精良的制造工藝；產品具備極高可靠性、耐久性和良好的燃油經濟性，滿足全球不同市場的需要。本文以康明斯發動機為藍本，詳細介紹了發電用柴油機的特點、工作原理及各系統的結構組成。

 

一、康明斯柴油機類型和特性

 

1、發動機的類型與定義

      熱機是將燃料中的化學能轉變成機械能的一種裝置，熱機包括外燃機和內燃機。

（1）內燃機：

      將燃料在機器內部燃燒并且釋放出能量的機器叫做內燃機。在往復式內燃機中，由燃料燃燒后產生的熱能轉變為機械能，是依靠曲軸連桿機構的作用，將活塞的往復運動變為曲軸的旋轉運動。內燃機曲柄連桿機構它是由活塞、連桿和曲軸所組成，活塞在氣缸中作直線往復運動。工作時，連桿隨活塞移動，并隨曲軸的旋轉而擺動。

      而以柴油為燃料利用空氣在氣缸內被壓縮產生的高溫高壓，使噴入氣缸的柴油自燃并且膨脹作功的內燃機叫做柴油機，外形如圖1所示。

（2）外燃機：

      燃料在發動機的外部燃燒，發動機將這種燃燒產生的熱能轉化成動能。蒸汽機就是一種典型的外燃機。當大量的煤燃燒產生熱能把水加熱成大量的水蒸汽時，高壓便產生了，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變。 

2、康明斯發動機基本特點

      以NTA855系列康明斯柴油發動機為例，外形基本結構如圖2所示。

（1）直列、四沖程、直噴式發動機。

（2）每缸四氣門，閉式水冷卻系統。

（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，以提高發動機抗穴蝕能力。

（7）大量采用缸體內部油道，使發動機更清潔。

（8）采用高品質的空氣濾清器，確保發動機延長使用壽命。

（9）獨特的PT燃油系統。

① 高達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 良好的經濟性與動力性的結合。

④ 優秀的廢氣排放指標。

（10）采用一次性使用的水濾器、燃油濾清器、機油濾清器，使發動機維護更方便、更可靠。

 

圖1  柴油發動機外形示意圖

圖2  康明斯柴油發動機外形后視圖

 

二、發動機工作原理

 

      對于往復活塞式發動機，凡活塞往復四次而完成一次工作循環的發動機稱為四沖程發動機。四沖程發動機的工作循環包括四個活塞行程，即進氣行程、壓縮行程、膨脹行程（作功行程）和排氣行程。

1、工作過程

（1）進氣沖程：

      在進氣沖程中，活塞下行，進氣門打開，排氣門關閉。新鮮的空氣進入燃燒室。康明斯發動機的進氣方式有：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：

      在進氣沖程的終了，進氣門關閉，排氣門關閉，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而輸出動力。這時，進氣門關閉，排氣門關閉。

（4）排氣沖程：

      在排氣沖程中，進氣門關閉，排氣門打開，活塞向上運動。活塞迫使燃燒室中燃燒過的廢氣通過打開的排氣門口排到排氣歧管中，驅動增壓器后排入大氣中。

2、正常工作的影響因素

      發動機正常運轉取決于兩點：首先是壓縮以供點火；其次是將適量的燃油在適當的時間噴入汽缸中。

 

      柴油機點火順序與曲柄排列有著緊密聯系，點火順序的選擇有很多，它決定曲軸的結構形式。一般情況下，首先考慮發動機的夾角，然后再按照運轉的平衡要求決定曲柄排列方式，還要按照軸承的負荷、排氣管道等等方面來確定點火順序。通常，每列缸數為偶數的四沖程發動機采用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

      四行程發動機每完成一個工作循環，曲軸旋轉兩圈，各缸的進、排氣門各開啟一次，即凸輪軸只轉一圈，所以曲軸與凸輪軸的傳動比為2：1。其中，進、排氣門位置如圖4所示。

 

圖3  N855康明斯發動機氣缸位置和點火順序

圖4  N855康明斯發動機進排氣門位置圖

 

三、柴油發動機的基本結構

 

1、缸體與缸蓋

（1）氣缸體作用

      氣缸體的作用是支承發動機所有的運動件和各種附件。氣缸體內設置有冷卻水道和潤滑油道，保證對高溫狀態下工作和高速運動的零件進行可靠的冷卻和潤滑。氣缸體上部的圓柱形空腔稱為氣缸，氣缸的作用是引導活塞做往復運動，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冷卻液；

③ 提供進排氣道和柴油進回油道；

④ 提供安裝氣門和噴油器的空間。

2、曲軸連桿機構

      曲軸連桿機構是柴油發電機的主要部件，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，并將活塞在氣缸內的直線運動變成曲軸的旋轉運動，使柴油發電機輸出動力。

3、配氣機構

      配氣機構主要由氣門組和氣門傳動組組成，零件結構如圖5所示。氣門組包括氣門及與之相關聯的零件；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。它的功用是定時驅動氣門使其打開、關閉。

4、冷卻系統

      康明斯發動機冷卻系統由散熱器、水泵、汽缸體水道、汽缸蓋水道、出水管、 節溫器、水濾器、中冷器、機油冷卻器等構成，如圖6所示。

（1）熱量產生：噴入柴油機燃燒的柴油，燃燒產生大量的熱量；

（2）熱量分配： 約三分之一通過活塞及連桿機構，轉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散失；

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

（4）康明斯發動機冷卻系統的特點:使用化學裝置（水濾器）對冷卻系統進行保護。

5、潤滑系統

      潤滑系統的功能將定量、潔凈、有適當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。康明斯發動機潤滑系統由機油盤、機油泵、機油冷卻器、冷卻活塞小噴嘴、機油管道、調壓閥、全流式機油濾清器、旁通濾清器等部件構成。  

6、燃油供給系統

      流入各噴油器的燃油經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，此時一部分燃油經噴油器循環回燃油箱，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)。所以本燃油系統取其英文字母，縮寫稱為PT燃油系統。 柴油機供油系統的功能是根據柴油機的工作要求，定時、定量、定壓地將霧化質量良好的柴油按一定的噴油規律噴入汽缸內，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、進排氣系統

      進排氣系統的基本要求是盡可能多的向發動機提供清潔空氣，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、缸蓋進氣管路等組成。

8、啟動系統

      柴油發電機電源設備主要包括蓄電池和充電機、啟動馬達。

（1）蓄電池

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

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

 

圖5  柴油機配氣機構零件圖

圖6  康明斯柴油機冷卻系統構成

 

總結：

      擁有上百年悠久的歷史康明斯發動機公司，是世界上最大的獨立性的柴油發電機組整機制造商，其生產專業性、先進性和完整的成套技術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部分予以充分重視，不可忽視任何一個部件，否則柴油發電機的正常工作將無法保證，造成電力供應不穩定性。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，充分發揮其作用。

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