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使用说明书 |
康明斯柴油发动机的基本组成机构和系统 |
摘要：柴油发动机是一种由许多不同作用的部件组成的复杂机器，由两大机构和四大系统组成，即由曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系统、润滑系统、冷却系统和起动系统构成。由于柴油发电机是压燃的，与汽油机相比，就去掉了点火系统。但是无论是四行程还是二行程或者是单缸柴油发动机，要完成能量转换，实现工作循环，都必须具备这两大机构和四大系统。康明斯公司在本文中重点介绍了柴油机各部件的结构、作用以及工作原理。
一、曲柄连杆机构
曲柄连杆机构是柴油发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动零件。它由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成。曲柄连杆机构的工作原理十分简单，但却具有极大的实用性和效率。当曲柄旋转时，连杆随之进行往复运动，从而推动活塞进行直线运动。这种运动形式在许多机械设备中都有重要的应用。通过控制曲柄的转速和连杆的长度，可以调控活塞的行程和速度，实现不同的工作需求。
1、机体组
机体组包括气缸体、气缸垫、气缸盖、曲轴箱、油底壳等。它们构成了发动机的基本框架，为活塞和其他运动部件提供了空间。
2、活塞连杆组
活塞连杆组包括活塞、活塞环、活塞销和连杆。活塞在气缸内上下移动，通过连杆与曲轴相连，将活塞的往复运动转换为曲轴的旋转运动。
3、曲轴飞轮组
曲轴飞轮组包括曲轴和飞轮。曲轴通过扭转减震器和平衡轴与飞轮相连，它将活塞的线性运动转换为旋转运动，并通过飞轮传递出去。飞轮还负责储存能量，确保发动机的平稳运行。
二、配气机构
柴油机工作时，离不开空气供给，而空气是由配气机构来分配的。 配气机构的功用是根据柴油发动机的工作顺序和工作过程，定时开启和关闭进气门和排气门，使可燃混合气或空气进入气缸，并使废气从气缸内排出，实现换气过程。配气机构大多采用顶置气门式配气机构，一般由气门组、气门传动组和气门驱动组组成。
1、气门组
气门组包括气门、气门导管、气门弹簧、弹簧座、锁片、卡环等零件。气门组主要保证气门锥面与气门座锥面严密配合，在高温条件下有足够的强度和耐磨性。
（1）气门。气门由气门头和气门杆组成。气门头的圆锥面一般是45°锥环带与气门座的锥孔环带相贴合，形成密封环带。
（2）气门导管。用于引导气门作直线运动，保证气门与气门座对中。为防止气门卡死或机油漏入汽缸，气门杆与导管之间的间隙应适当。
（3）气门座。采用耐磨材料制成单独座圈，以适当的紧度压入汽缸盖的座孔中。
（4）气门弹簧。每个气门上装有绕向相反的内外两个弹簧，以保证气门及时自动关闭。
（5）气门弹簧座及锁夹。弹簧上座锁夹卡在气门杆尾部，限制气门弹簧的自由伸长。在安装时，两半锁夹两边的间隙应相等，低于弹簧上座平面，保证锁定牢固。
2、气门传动组
气门传动组的主要功用是按照凸轮的外廓形状传递动力，使气门按时开启和关闭。气门传动组主要由挺柱、推杆、摇臂、摇臂轴等零件组成。
（1）挺柱。挺柱是凸轮的从动件，使凸轮的回转运动变为挺柱的直线运动，并将凸轮的推力通过推杆和摇臂传到气门。挺柱的结构简单，质量轻。挺柱上的推杆球面支座的半径比推杆球头半径略大，以便在两者中间形成楔形油膜来润滑推杆球头和挺柱上的球面支座。
（2）推杆。推杆处于挺柱和摇臂之间，将挺柱传来的运动和作用力传给摇臂。在凸轮轴下置式的配气机构中，推杆是一个细长杆件，加上传递的力很大，所以极易弯曲。因此，要求推杆有较好的纵向稳定性和较大的刚度。
（3）摇臂。摇臂的功用是将推杆和凸轮传来的运动和作用力改变方向，传给气门使其开启。摇臂是一个双臂杠杆，以摇臂轴为支点，两臂不等长。短臂端加工有螺纹孔，用来拧入气门间隙调整螺钉。长臂端加工成圆弧面，是推动气门的工作面。
（4）摇臂轴。固定在汽缸盖上，用来支撑摇臂，其空腔兼做油道。
三、燃料供给系统
燃料供给系统的功用是根据柴油发动机的要求，配制出一定数量和浓度的混合气，供入气缸，并将燃烧后的废气从气缸内排出到大气中去；柴油发电机燃料供给系统的功用是把柴油和空气分别供入气缸，在燃烧室内形成混合气并燃烧，最后将燃烧后的废气排出。
1、燃油箱
用于存放燃油的容器，为燃油系统提供燃料。燃油箱一般位于柴油机附近，并通过燃油管道与燃油过滤器相连。
2、燃油过滤器
对燃油进行过滤，去除其中的杂质和微粒。保持燃油的纯净度，减少对喷油器和燃油泵的损坏。
3、燃油泵
将燃油从燃油箱中抽取，并加压向喷油器供给燃油。燃油泵一般由驱动齿轮、柱塞、柱塞泵等部件组成。
4、喷油器
将燃油雾化成微小的颗粒，并将燃油喷射到气缸中。喷油器一般由喷油嘴、喷油器针阀和喷孔等部件组成。
四、润滑系统
柴油发动机的运转是依赖其零件的相对运动来实现的，相对运动的零件之间必然产生摩擦和磨损。干摩擦会产生大量的热，使零件温度升高，磨损加剧，表面擦伤、胶合，甚至咬死。因此，不润滑柴油发动机就不能工作；润滑不良，会使柴油发动机出现故障，缩短寿命。根据统计，使用中柴油发动机的故障有50%~60%是由于润滑不当引起的。因此，柴油发动机有良好的润滑系统，连续不断地供给各个摩擦表面润滑剂（润滑油、润滑脂），以减少摩擦，降低磨损，保护摩擦表面。润滑油除了有润滑作用外，还可以起散热作用、带走摩擦表面的污物作用，以及短时间防锈作用，对于柴油发动机汽缸活塞组还有密封作用。
1、机油泵
转子式机油泵由内转子、外转子、油泵壳体等组成。油泵工作时，内转子带动外壳向同一方向转动。内转子有四个凸齿，外转子有五个凹齿，它们可以看作是一对只相差一个齿的内啮合传动，其转速比为5：4。无论转子转到任何角度，内外转子各齿形之间总有接触，分隔成5个空腔。进油道一侧的空腔，由于转子脱开啮合，容积增大，产生真空度（即空腔内压力低于外界压力），机油被吸入空外转子径向间隙约0.06～0.15 mm。间隙过大会降低机油泵的泵油效率，造成供油不足。当因磨损使轴向间隙增大到0.15mm、径向间隙增大到0.22 mm时，润滑油量和机油压力会明显下降，影响正常润滑。这时可通过调整机油泵体与机油泵盖的垫片来调整转子的轴向间隙。内、外转子的啮合间隙超过磨损极限时应更换新件。
2、机油滤清器
按滤清方式不同，机油滤清器可分为过滤式和离心式两大类。过滤式滤清器按其结构形式又可分为滤网式、刮片式、纸质滤芯式、线绕式和复合式等。拖拉机柴油发动机的机油滤清器广泛采用单级纸质滤清器。滤芯为圆筒折叠式纸质滤芯。滤纸经化学处理，具有无数微细小孔，两端与端盖粘合密封。机油通过滤纸的微孔进入内腔时得到过滤，然后流入主油道。主油道的机油压力可以用滤清器上的调压阀调整，此压力一般为0.2～0.4 MPa。在滤清的过程中，如果滤芯过脏或冷车启动润滑油黏度增加，机油通过滤芯的阻力增大，使油道中机油量不足时，机油就冲开旁通阀（安全阀），不经过滤直接进入油道。旁通阀的开启压力一般为0.1~0.2 MPa。
3、油底壳
油底壳是存放润滑油的容器，通常位于柴油机底部。油底壳具有一定的容积，以确保润滑油在柴油机工作过程中的正常循环。油底壳内还配有油位表，用于监测润滑油的油位，以便及时补充润滑油。
4、机油冷却器
机油冷却器是润滑系统中的附件部件，其主要作用是通过冷却润滑油，降低润滑油的温度，防止润滑油过热。
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柴油机润滑系统结构与原理 |
机油滤清器零件解剖示意图 |
五、冷却系统
冷却系统的功用是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证柴油发动机在最适宜的温度状态下工作。水冷柴油发动机的冷却系统通常由冷却液套、水泵、风扇、水箱、节温器等组成。
1、冷却水泵
水泵是柴油机冷却系统的核心部件，主要作用是通过叶轮将水循环流动，形成连续的循环，使柴油机的热量得到有效的散发。水泵由叶轮、水封、轴承组成，它们的质量直接影响柴油机的稳定性。
2、散热器
散热器是冷却液流经的地方，通过双重金属片插弯相间的结构，达到充分的接触，使散热效果更佳。它的作用是将排出柴油机的热量转移到周围环境，使温度降低，保持柴油机在正常工作温度范围内。
3、节温器
节温器是调节冷却液的温度的控制装置。它根据柴油机工作的温度情况，可以自动调节水温。一般情况下，它位于散热系统的出水口处。
4、散热风扇
风扇是柴油机冷却系统中的重要组成部分，主要作用是散出汽车前进时所产生的风阻，加速空气流动。空气流过水箱散热器时，可以帮助水箱散热器更快地散热，保持柴油机正常工作温度。
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柴油机冷却液循环路径示意图 |
柴油机冷却液循环流程框图 |
六、起动系统
要使柴油发动机由静止状态过渡到工作状态，必须先用外力转动柴油发动机的曲轴，使活塞作往复运动，气缸内的可燃混合气燃烧膨胀作功，推动活塞向下运动使曲轴旋转。柴油发动机才能自行运转，工作循环才能自动进行。因此，曲轴在外力作用下开始转动到柴油发动机开始自动地怠速运转的全过程，称为柴油发动机的起动。完成起动过程所需的装置，称为柴油发动机的启动系统。电启动系统主要由起动机、蓄电池、充电发电机、主控制器等组成。
1、蓄电池
当启动柴油机时，蓄电池负责为起动机提供所需的电力，确保发动机能够顺利启动。
2、起动马达
起动马达的作用是将电能转化为机械能，通过电磁开关、起动继电器和点火起动开关等控制装置，驱动发动机的飞轮旋转，从而使发动机启动
3、充电发电机
充电发电机是一种直流发电机，其转子内置有永磁体和线圈，当转子旋转时，永磁体和线圈之间的磁场发生改变，从而产生感应电动势，最终将机械能转化为电能。
4、主控制器
主控制器按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制柴油发电机的启动、调速、制动和反向的主令装置。由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作，控制着发电机组的整体运行。
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柴油机起动机内部构造示意图 |
柴油机起动机电磁开关原理图 |
总结：
柴油机是一种利用压缩燃油混合气使其自燃的内燃机。相对于汽油发动机而言，柴油机更加高效、经济和耐用。总之，柴油机的构造是复杂的，由多个部件组成。每个构造部分都有各自的特点和功能，构成了柴油机整体的运行系统。理解柴油机的构造对于正确地进行操作、检修以及维护都非常重要。
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