柴油发动机的构造和控制及工作原理

摘要：柴油发动机一般是压燃式发动机，利用燃料的化学能转化为热能和动能。燃料和空气在地面的大气压力下相遇并混合，同时通过喷油泵喷入气缸。在气缸中，依靠压缩终了时缸内充量的发热、高压引起混合气自燃，产生爆炸并向下推动活塞。因此，我们就可以看到柴油发动机是基于热力学原理进行工作的，同时还需要润滑、冷却等技术的**，确保发动机的安全和稳定。

      发电机组驱动柴油机一般选用四冲程。其原理为柴油发动机将热能转变为机械能的流程，是经过进气、压缩、作功和排气四个持续的流程来实现的，每进行一次这样的步骤就叫一个工作循环。凡是主轴旋转两圈，活塞往复四个行程完成一个作业循环的，称为四冲程发动机。柴油机通常由曲柄连杆、配气（两大系统）和燃料供给、润滑、冷却、启动、进排烟（五大装置）构造，其结构与内部解析图如图1、图2所示。

      曲柄连杆机构是由气缸体、汽缸盖、活塞、连杆、曲轴和飞轮等结构，组成如图3所示。这是发动机产生动力，并将活塞的直线往复运动转变为曲轴旋转运动而对外输出动力。

      配气机构是由进气门、排气门、气门弹簧、挺杆、凸轮轴和正时齿轮等组成。其功能是将新鲜气体及时充入汽缸，并将燃烧产生的废气及时排出气缸。

      柴油机燃料供给系统由燃油箱、输油泵、燃油泵、柴油滤芯等构成，系统结构如图4所示。其用途是向汽缸内供给纯空气并在规定期刻向缸内喷入定量柴油，以调节发动机输出容量和转速，最后，将燃烧后废气排出汽缸。

（1）燃油泵是将柴油从油箱经管道进入滤清器滤清柴油发电机厂家排名，当某汽缸需要喷油时，将柴油压入喷油咀，并由喷油咀喷入燃烧室。

（2）燃油滤清器的功能是让燃油在进入油泵之前滤出杂质。滤芯在作业时，终究会因杂质堆积而形成阻碍，从而减少发动机的容量。故而过滤器的阻力无法超过规定值。必须按维保和维修手册中的建议发电机十大名牌，按一定的存放时间、作业小时数更换滤芯。

      对进气装置统基本要求是尽可能多的向发动机提供清洗空气。进气程序可分为自然吸气、增压、增压中冷、双增压中冷。装置统主要由空气滤清器、进气管道、缸盖气道等结构。其中空气过滤器的具体功用是滤除空气中的杂质、尘埃，保证进入气缸空气的清洁度，以延迟发动机的使用时限。

      柴油机通常采取水冷却式。水冷式由水泵、散热器、风扇、节温器和水套（在机体内）等构成，其用途是利用冷却水的循环将发烫零件的热量通过散热器散发到大气中，从而维持发动机电动正常作业温度。喷入柴油机燃烧室的柴油，燃烧产生的大量的热量；其中约三分之一通过活塞及连杆装置，切换成机械能，对外做功；约三分之一由排烟排出；约三分之一由冷却系统统散失。

（1）康明斯发动机冷却方法为循环水冷却式，它与其他发动机冷却系统统具有相同功能，即储存足够的防锈水、构造循环水流、控制发动机的水温、散失冷却系统统多余的热量。康明斯发动机冷却装置统的特性在于：操作化学系统（水滤器）对装置统进行保护。

（2）散热器分为水箱式和热交换器式两种，其中热交换器式常载于机房（舱）空间有限柴油发电机组厂家，空气流通困难的环境。

（4）传动皮带的作业状态将直接危害冷却系统统作业温度；张紧过大的皮带将使两端轴、带轮及皮带增加磨耗；张紧不够的皮带将会打滑，使所传动的部件工作效率降低、皮带高温造成损坏。

      润滑系统由机油泵、滤清器、油道、机油盘等组成。润滑装置统的作用是将定量、洁净，有适当粘度的润滑油输送至各必要部位，以降低摩擦力，减缓机件磨耗，并清洁、冷却摩擦表面。它对柴油机的工作可靠性和耐久性有很重要的作用，包括：减轻零件的损伤和降低摩擦功；对润滑表面进行冷却和清洗；对油膜吸附的地方起防锈功用；供应液压介质。

      起动系统统由电瓶、导线、电磁切断阀、起动开关、启动系统、充电机结构，用以使静止的发动机起动并转入自行运行状态。各部分主要功能如下：

      柴油发动机将热能转变为机械能的程序，是经过进气、压缩、作功和排烟四个连续的流程来实现的，每进行一次这样的程序就叫一个工作循环。凡是曲轴旋转两圈，活塞往复四个行程完成一个工作循环的，称为四冲程发动机。四冲程柴油机的作业机理：

      如图5（a） 曲轴带动活塞从上止点向下止点运动，此时，进气门开启，排气门关闭。活塞移动过程中，汽缸内容积逐渐增大，形成真空度，于是可燃混合气通过进气门被吸入汽缸，直至活塞到达下止点，进气门关闭时结束。

      因为进气装置统存在进气阻力，进气终了时气缸内气体的压力低于大气压力，约为0.075MPa～0.09MPa。因为汽缸壁、活塞等发热件及上一循环留下的发烫残余废气的加热，气体温度升高到370K～440K。进气行程中进入汽缸的不是可燃混合气，而是纯空气。

      如图5（b）所示，进气行程结束时，活塞在主轴的带动下，从下止点向上止点运动，气缸内容积逐渐减轻。此时进、排气门均关闭，纯空气被压缩，至活塞到达上止点时压缩结束。压缩过程中，气体压力和温度同时升高，并使混合气进一步均匀混合，因为柴油的压缩比大，约为15～22，压缩终了的温度和压力比较高，压力可达3MPa～5MPa，温度可达800K~1000K。

      如图6（a）在压缩行程终了时，柴油泵将高压柴油经喷油嘴呈雾状喷入气缸内的发热高压空气中，被迅速汽化并与空气形成混合气。由于气缸内的温度高于柴油的自燃温度（约500K左右），柴油混合气便立即自行着火燃烧，且此后一段时间内边喷油边燃烧，汽缸内压力和温度急剧升高，推动活塞下行作功。作功行程中，瞬时压力可达5MPa～10MPa，瞬时温度可达1800K～2200K。

      如图6（b）所示，在做功行程接近终了时，排烟门打开，进气门关闭，主轴通过连杆推动活塞从下止点向上止点运动。废气在自身剩余压力和在活塞推动下，被排出汽缸，至活塞到达上止点时，排烟门关闭，排烟结束。因排气系统统存在排烟阻力，排气冲程终了时，汽缸内压力略高于大气压力，约为0.105MPa～0.115MPa，温度约为900K～1200K。

      四个行程中只有作功行程产生动力，其他三个行程是为作功行程做准备作业的辅助行程，都要消耗一部分能量。发动机启动时的第一个循环，必须有外力将曲轴转动，以完成进气和压缩行程。当作功行程开始后，作功用量便通过曲轴储存在飞轮内，以维持以后的循环得以继续进行。

      在柴油机各种工况运转中，当外界负荷产生变化时能自动调节柴油泵的供油量，以保证柴油机在规定的转速下稳定运转，防止柴油机运行飞车运行（飞车）一控制较高转速；保证爱较低转速下能稳定运转一控制较低速度：随着外界负荷的变化，自动调节供油量，使之在规定的转速下稳定工作。

      机械离心式调速器是根据弹簧力和离心力相平衡进行调速的，作业中，弹簧力总是将供油拉杆向循环供油量增加的方向移动；而离心力总是将供油拉杆向循环供油量减小的方向移动。当负载减轻时，转速升高，离心力大于弹簧力，供油拉杆向循环保油量减少的方向移动，循环供油量减少，速度减轻，离心力又小于弹簧力，供油拉杆又向循环供油量增加的方向移动，循环供油量增加，速度又升高，直到离心力和弹簧力平衡，供油拉杆才保持不变。这样速度基础稳定在很小的范围内变化。

      反之当负载增加时，转速降低，弹簧力大于离心力，供油拉杆向循环供油量增加的方向移动，循环供油量增加，速度升高，弹簧力又小于离心力，供油拉杆又向循环供油量减少的方向移动，循环供油量减小，转速又减轻，直到离心力和弹簧力平衡。

      电子调速板是根据接受的电信号，通过操作界面和执行器来改变柴油泵供油量的大小。电子调速器详细由转速调节电位器、速度传感器、操作系统、执行器和保险电路等构造。

      探头通过飞轮上的齿圈测量出发动机速度实际值，并送至操作系统，在控制屏中实际值与预先设定需要的速度相比较，其比较的差值经控制线路的整理、放大，驱动执行器输出轴，通过调整连杆拉动柴油泵齿杆，进行供油量的调整，从而达到保持此设定转速的目的。电子控制系统统会将负载变化而致使的设定速度与实际转速之间的差值解除，使发动机保持原设定的速度。根据机组需要，也可调节不均匀度电位器，以使调速系统统获得满意的静态调速率。电子速度控制器还配有多种附件装置，根据机组需要，装上相应附件，可以实现自动同步、负载分配及负荷预置等用途要求。

      调速器的性能好环直接危害着柴油机运转的稳定性和可靠性。评定调速板性能的详细工作指标有以下几个：

      转运波动率Yn是指柴油机稳定工况下较大转速Nmax（或较小转速Nmin）与平均速度Nm之差同平均速度Nm之比值百分数，即γn=（Nmax-Nm）*100%/Nm稳定工况下，较大速度Nmax（或较小转速Nmax）与平均转速之差同平均转速之比值百分数。

      瞬时速差率dd是指柴油机突加（或突卸）全负荷的较小（或较大）速度n2（或n4）与负载改变前的速度n1（或n3）之差同标定转速ne之比值百分数，即

      过渡流程稳定期间t是指从突加（或突卸）全负载速度开始波动到速度达到新的稳定范围（即转速波动率Yn不大于规定值）为止的时间（以秒计）。

      过渡步骤的稳定期间是过渡过程的详细工作指标之一。它表明清除过渡步骤中波动情形的快慢。稳定期问愈短，转速波动处理愈快，就说明调速板的稳定性好。t一般限制在5-10秒内。

      速度控制器的稳态调速率是指当操纵手柄在标定供油位置不变时，空车稳定转速与全负载稳定转速之差同标定速度比值百分数，可用公式表示为：

      δrt用来衡量速度控制器的准确性，是调速板的静态特征，其数值小，表示调速板的正确性愈好。

      调速板工作时，由于燃油泵和调速器的各种机构中存在着摩擦，需要有一定的力来克服，由于装置中摩擦阻力阻止套筒的移动，故而不论柴油机转速增加减少，速度控制器都不会立即作出反应，改变供油量。例如发动机工作转速为200r/min，速度控制器可能对速度在n1=197r/min到n2=203r/min范围内的变动都不作反应。这种现象称为速度控制器的不灵敏性。这两个起功能的极限速度之差与发动机平均速度Nm之比称为不灵敏度，即：

      不灵敏度详细是由于柴油泵、速度控制器系统中存在摩擦所引起的。显然摩擦力越小，调速器就越灵敏。实验表明，低速时不灵敏度显着增加。不灵敏度过大会导致柴油机频率不稳定。通常在标定转速下不灵敏度不超过1.5—2%，较低转速时不超过10—13%。

      根据不同功用，我国将调速系统统的精度等级分为四级。对于船用柴油机调速系统统，突卸负荷只要求达到4级精度即可，而且稳定期间t也不作主要规定。对柴油发电机组，则要求高于3级，对车用电站或备用发电机组，则要点1级或2级精度。

      凸轮轴提供合时的喷油量所需的正时。凸轮轴通过正时齿轮或者齿型皮带由曲轴驱动而转动，通过气门传动组件定时将气门打开，将新鲜燃料充入气缸或者将燃烧后的废气清除气缸。曲轴正时齿轮与中间齿轮、燃油泵正时齿轮之间均有配对正时记号。如果松开联轴节连接螺栓，将泵体向外搬动，即油泵凸轮轴在油泵正时齿轮不动的前提下顺时针方向转动一个角度，供油提前角度增加；反之，将泵体向内搬动，供油提前角度减小；柴油机较佳供油提前角随发动机速度升高而增大，因此，柴油泵凸轮轴前端应安装供油提前角自动提前器。

      喷油嘴完成定量喷油的作业。喷油嘴是实现燃油喷射、雾化的重要部件。要求喷油咀应能满足发动机对其喷雾特征的要点，即应具有一定的油束贯穿距离和喷注锥角以及良好的雾化品质，并且在喷油结束时不产生滴漏状况。以上三部分部件连同其他部件一起确保发动机在期望的速度下正常运转。

      想知道发动机的工作机理需要先了解四个基础循环程序：进气、压缩、点火和排烟。这四个流程循环进行，驱动柴油机运行。总之，熟悉柴油发动机的作业机理是关键，它们的复杂步骤非常重要，可以直接危害柴油发电机组的性能。可以把柴油发动机比喻为人体的心脏，细心呵护好它，才能让柴油发电机组为销售中心企业供电保驾护航。