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柴油发动机的结构和控制及工作原理 |
摘要：柴油发动机通常是压燃式发动机，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，同时通过喷油器喷入气缸。在气缸中，依靠压缩终了时缸内充量的高温、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、冷却等技术的保障，确保发动机的安全和稳定。
一、柴油发动机的构成
发电机组驱动柴油机通常采用四冲程。其原理为柴油发动机将热能转变为机械能的过程，是经过进气、压缩、作功和排气四个连续的过程来实现的，每进行一次这样的过程就叫一个工作循环。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。柴油机通常由曲柄连杆、配气（两大机构）和燃料供给、润滑、冷却、起动、进排气（五大系统）组成，其结构与内部剖析图如图1、图2所示。
1、曲柄连杆机构
曲柄连杆机构是由气缸体、气缸盖、活塞、连杆、曲轴和飞轮等组成，结构如图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。
2、配气机构
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。其作用是将新鲜气体及时充入气缸，并将燃烧产生的废气及时排出气缸。
3、燃料供给系统
柴油机燃料供给系统由燃油箱、输油泵、喷油泵、柴油滤清器等组成，系统结构如图4所示。其作用是向气缸内供给纯空气并在规定时刻向缸内喷入定量柴油，以调节发动机输出功率和转速，最后，将燃烧后废气排出气缸。
（1）喷油泵是将柴油从油箱经管道进入滤清器滤清，当某气缸需要喷油时，将柴油压入喷油器，并由喷油器喷入燃烧室。
（2）燃油滤清器的功能是让燃油在进入油泵之前滤出杂质。滤清器在工作时，终究会因杂质堆积而形成阻碍，从而降低发动机的功率。所以滤清器的阻力不能超过规定值。必须按保养和维修手册中的建议，按一定的存放时间、工作小时数更换滤清器。
4、进气系统
对进气系统统基本要求是尽可能多的向发动机提供清洁空气。进气方式可分为自然吸气、增压、增压中冷、双增压中冷。系统统主要由空气滤清器、进气管道、缸盖气道等构成。其中空气滤清器的主要功用是滤除空气中的杂质、尘埃，保证进入汽缸空气的清洁度，以延长发动机的使用寿命。
5、冷却系统
柴油机一般采用水冷却式。水冷式由水泵、散热器、风扇、节温器和水套（在机体内）等组成，其作用是利用冷却水的循环将高温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工作温度。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机构，转换成机械能，对外做功；约三分之一由排气排出；约三分之一由冷却系统统散失。
（1）康明斯发动机冷却方式为循环水冷却式，它与其他发动机冷却系统统具有相同功能，即储存足够的冷却水、构成循环水流、控制发动机的水温、散失冷却系统统多余的热量。康明斯发动机冷却系统统的特点在于：使用化学装置（水滤器）对系统统进行保护。
（2）散热器分为水箱式和热交换器式两种，其中热交换器式常用于机房（舱）空间有限，空气流通困难的环境。
（3）所有的康明斯发动机均采用离心式水泵；由水泵体、水泵轴、叶轮、轴承、密封件、蜗壳构成。
（4）传动皮带的工作状态将直接影响冷却系统统工作温度；张紧过度的皮带将使两端轴、带轮及皮带增加磨损；张紧不够的皮带将会打滑，使所传动的部件工作效率降低、皮带发热造成损坏。
6、润滑系统
润滑系统由机油泵、滤清器、油道、油底壳等组成。润滑系统统的功能是将定量、洁净，有适当粘度的润滑油输送至各必要部位，以减小摩擦力，减缓机件磨损，并清洗、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：减少零件的磨损和降低摩擦功；对润滑表面进行冷却和清洗；对油膜吸附的地方起防锈作用；提供液压介质。
7、起动系统
起动系统统由电瓶、导线、电磁切断阀、启动开关、起动机、充电机组成，用以使静止的发动机起动并转入自行运转状态。各部分主要功能如下：
（1）电瓶：储存电能。
（2）高压线圈：改变电压。
（3）分电器：自动电源开关。
（4）启动开关：手动电源开关。
（5）电磁切断阀：电控油路开关。
（6）起动机：为发动机提供初始动能。
（7）充电机：给系统统提供电能。
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图1 柴油发动机结构示意图 |
图2 柴油发动机结构剖析图 |
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图3 柴油机曲柄连杆机构 |
图4 柴油发电机燃油系统基本结构图 |
二、柴油发动机的工作原理
柴油发动机将热能转变为机械能的过程，是经过进气、压缩、作功和排气四个连续的过程来实现的，每进行一次这样的过程就叫一个工作循环。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。四冲程柴油机的工作原理：
1．进气行程
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，气缸内容积逐渐增大，形成真空度，于是可燃混合气通过进气门被吸入气缸，直至活塞到达下止点，进气门关闭时结束。
由于进气系统统存在进气阻力，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。由于气缸壁、活塞等高温件及上一循环留下的高温残余废气的加热，气体温度升高到370K～440K。进气行程中进入气缸的不是可燃混合气，而是纯空气。
2、压缩行程
如图5（b）所示，进气行程结束时，活塞在曲轴的带动下，从下止点向上止点运动，气缸内容积逐渐减小。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，由于柴油的压缩比大，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。
3、做功行程
如图6（a）在压缩行程终了时，喷油泵将高压柴油经喷油器呈雾状喷入气缸内的高温高压空气中，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，气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。
4、排气行程
如图6（b）所示，在做功行程接近终了时，排气门打开，进气门关闭，曲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，被排出气缸，至活塞到达上止点时，排气门关闭，排气结束。因排气系统统存在排气阻力，排气冲程终了时，气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工作的辅助行程，都要消耗一部分能量。发动机起动时的第一个循环，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，作功能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。
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图5 柴油机进气和压缩行程流程解析 |
图6 柴油机做功和排气行程流程解析 |
三、柴油发动机的控制
以下几部分部件可完成对柴油机的控制：
1、调速器的分类
在柴油机各种工况运转中，当外界负荷发生变化时能自动调节喷油泵的供油量，以保证柴油机在规定的转速下稳定运转，防止柴油机运转超速运转（飞车）一控制最高转速；保证爱最低转速下能稳定运转一控制最低转速：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。
（1）机械离心式调速器
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，工作中，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少的方向移动。当负荷减小时，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，循环供油量减小，转速降低，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，转速又升高，直到离心力和弹簧力平衡，供油拉杆才保持不变。这样转速基本稳定在很小的范围内变化。
反之当负荷增加时，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，转速升高，弹簧力又小于离心力，供油拉杆又向循环供油量减小的方向移动，循环供油量减小，转速又降低，直到离心力和弹簧力平衡。
（2）电子调速器
电子调速器是根据接受的电信号，通过控制器和执行器来改变喷油泵供油量的大小。电子调速器主要由转速调整电位器、转速传感器、控制器、执行器和保险电路等组成。
传感器通过飞轮上的齿圈测量出发动机转速实际值，并送至控制器，在控制器中实际值与预先设定需要的转速相比较，其比较的差值经控制线路的整理、放大，驱动执行器输出轴，通过调节连杆拉动喷油泵齿杆，进行供油量的调节，从而达到保持此设定转速的目的。电子控制系统统会将负荷变化而引起的设定转速与实际转速之间的差值消除，使发动机保持原设定的转速。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。电子调速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、负荷分配及负荷预置等功能要求。
2、调速器的工作指标
调速器的性能好环直接影响着柴油机运转的稳定性和可靠性。评定调速器性能的主要工作指标有以下几个：
（1）转速波动率
转运波动率Yn是指柴油机稳定工况下最大转速Nmax（或最小转速Nmin）与平均转速Nm之差同平均转速Nm之比值百分数，即γn=（Nmax-Nm）*100%/Nm稳定工况下，最大转速Nmax（或最小转速Nmax）与平均转速之差同平均转速之比值百分数。
（2）瞬时调速率
瞬时速差率dd是指柴油机突加（或突卸）全负荷的最小（或最大）转速n2（或n4）与负荷改变前的转速n1（或n3）之差同标定转速ne之比值百分数，即
6d（突加）=（n1-n2）100%/ne或δd（突减）=(n4-n3)100%/ne
式中，n1--突加负荷前的稳定转速（r/min）；
n2——突加负荷后的最小瞬时转速（r/min），
n3--突卸负荷前的稳定转速（r/min）；
n4--突卸负荷后的最大瞬时转速（r/min）；
ne--标定转速（r/min）。
（3）过渡过程的稳定时间
过渡过程稳定时间t是指从突加（或突卸）全负荷转速开始波动到转速达到新的稳定范围（即转速波动率Yn不大于规定值）为止的时间（以秒计）。
过渡过程的稳定时间是过渡过程的主要工作指标之一。它表明消除过渡过程中波动现象的快慢。稳定时问愈短，转速波动消除愈快，就说明调速器的稳定性好。t一般限制在5-10秒内。
（4）稳态调速率
调速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荷稳定转速之差同标定转速比值百分数，可用公式表示为：
δrt=(n1-n3)100%/ne
δrt用来衡量调速器的准确性，是调速器的静态特征，其数值小，表示调速器的准确性愈好。
（5）不灵敏度
调速器工作时，由于喷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，因为机构中摩擦阻力阻止套筒的移动，所以不论柴油机转速增加减少，调速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，调速器可能对转速在n1=197r/min到n2=203r/min范围内的变动都不作反应。这种现象称为调速器的不灵敏性。这两个起作用的极限转速之差与发动机平均转速Nm之比称为不灵敏度，即：
e=(n2-n1)/Nm
式中，n1-----当发动机负荷增大时调速器开始起作用时的转速（r/min）；
n2-----当发动机负荷减小时调速器开始起作用时的转速（r/min）；
Nm----发动机的平均转速（r/min）。
不灵敏度主要是由于喷油泵、调速器机构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，低速时不灵敏度显著增加。不灵敏度过大会引起柴油机转速不稳定。一般在标定转速下不灵敏度不超过1.5—2%，最低转速时不超过10—13%。
（6）调速器的精度等级
根据不同用途，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，而且稳定时间t也不作具体规定。对柴油发电机组，则要求高于3级，对车用电站或应急发电机组，则要求1级或2级精度。
3、 凸轮轴
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，将新鲜燃料充入汽缸或者将燃烧后的废气排除汽缸。曲轴正时齿轮与中间齿轮、喷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；柴油机最佳供油提前角随发动机转速升高而增大，因此，喷油泵凸轮轴前端应安装供油提前角自动提前器。
4、喷油器
喷油器完成定量喷油的工作。喷油器是实现燃油喷射、雾化的重要部件。要求喷油器应能满足发动机对其喷雾特性的要求，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质量，并且在喷油结束时不发生滴漏现象。以上三部分部件连同其他部件一起确保发动机在期望的转速下正常运转。
总结：
想知道发动机的工作原理需要先了解四个基本循环过程：进气、压缩、点火和排气。这四个过程循环进行，驱动柴油机运行。总之，了解柴油发动机的工作原理是关键，它们的复杂过程非常重要，可以直接影响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工厂企业供电保驾护航。
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