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性能特点和作用说明 |
柴油机基本结构组成部件 |
摘要：柴油机由两大组件和五大系统组成。两大组件是完成热能转变为机械能的主体，五大系统的功用是保障两大组件正常工作。两大组件是柴油机的固定不动组件和相对运动组件，而燃烧室组件，例如汽缸盖、机体、汽缸套，活塞组是构成固定不动组件的主体；动力传动组件（如活塞组、曲轴）则可视为相对运动组件。前者的功用是组成密封燃烧室，是燃油产生热能的场所；后者则是完成热能转变为机械能，输出动力的场所。康明斯公司在本文中介绍柴油发动机各系统分部件的组成、要求及作用。
一、燃烧室的组成及功用
燃烧室主要由汽缸套、汽缸盖、活塞组三个部分组成，其主要任务是把燃气的作用力通过活塞组和连杆组传给曲轴。为保证燃烧室组件的正常工作，必须解决好四个方面的问题：一是各组件之间要具有良好的密封性；二是各组件要有足够的硬度和耐磨性；三是各组件应有良好的散热性；四是活塞组与汽缸套之间要有良好的润滑，这可降低各机件的磨损速度和延长机件的使用寿命。图1是柴油发动机的外形示意图。
1．汽缸套
汽缸套的一般为湿式缸套，靠其上部凸肩悬挂定位，凸肩下面与机体之间接触面处还置有0.25mm的紫铜垫圈，以保证冷却水的密封性，在缸套的下部还有一段密封槽，在装配时必须套上橡皮圈以防止冷却水进入油底壳。选用汽缸套时，对转速为2000r／min以上的高速机型必须用磷化缸套。
2．汽缸盖
汽缸盖的内部较复杂，其内有气门座、进、排气门孔、水道、油道、推杆孔、进气孔、排气孔、喷油孔、固定缸盖、喷油器、摇臂、机油铜管孔等。汽缸盖的结构形式有两种：单制式、组合式。135系列柴油机采用的是组合式，防止漏气的措施有三种：一是保证接触面之间具有一定的光洁度；二是在接触面之间垫上耐高温的软金属：三是保证固定螺栓具有一定的预紧力且各螺栓一定要受力均匀。
3．活塞组
活塞组由活塞环（由镀铬气环、气环及油环组成）、活塞销、活塞本体组成，其中，活塞外形图如图2所示。其功用如下：
（1）承受燃气作用力，并通过活塞销和连杆传给曲轴；
（2）保证燃烧室的密封性，防止燃气漏入曲轴箱，同时防止润滑油进入燃烧室；
（3）在二冲程柴油机中，气孔的开闭由活塞组来控制。
4．活塞环
活塞环又分为气环和油环。前者的功用是阻止气体从燃烧室中漏出，并把从活塞顶部吸收的热量传给汽缸套；后者的功用是把缸套壁上过多的机油刮回曲轴箱。尤其注意的一点是，在安装时锥面必须向着燃烧室，否则柴油机就会烧机油。
5．活塞销
活塞销的功用是连接活塞和连杆，并把活塞上所有承受的力传给连杆。柴油机长期使用过程中易产生活塞销响，这主要是因为活塞销与活塞销座孔或与连杆铜套配合松动所造成。
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图1 柴油发动机结构外观示意图 |
图2 柴油机活塞结构外形图 |
二、动力传动组件的功用
动力传动组件其任务是把活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动，输出动力使热能转变为机械能。
1．连杆
连杆的作用是连接活塞和曲轴，把作用在活塞上的力传给曲轴。尤其注意的一点是安装要正确，特别在装配连杆螺栓时，一定要按要求拧紧且受力要均匀，避免螺栓受到附加的作用力。
2．曲轴
曲轴由耐磨铸铁制成。它主要由主轴承、曲拐、皮带盘、前轴、输出法兰等组成，其功用是把连杆传来的作用力转变成曲轴的转动力，并通过曲轴带动发电机等用电设备。
3．主轴承
主轴承是支承曲轴可靠运转的重要部分，其结构分为滚动和滑动两种。根据机体结构形式的不同，在安装位置和方法上分别有隧道式、正置式和悬挂式三种方法。另外特别注意的是，更换曲拐时要校正它的静平衡。
4．凸轮轴
凸轮轴的作用是控制气门的开启和闭合动作。凸轮轴的工作原理是凸轮轴的不断旋转，推动气门顶杆上下运动，进而控制气门的开启与关闭。通过改变凸轮轴的曲线，可精确调整气门开启、关闭时间。
三、燃油系统的组成及功用
燃油系统主要由低压油路和高压油路组成，结构示意图如图3所示。其功用是保证在活塞向上运动到压缩上止点前一定度数时，定质、定量、定时向燃烧室喷入燃油。低压油路由油箱、低压油管、低压输油泵、柴油软管、柴油滤清器组成；高压油路压油泵、调速器、高压油管、喷油器组成。以下重点介绍输油泵、柴油滤清器、高压油泵、调速器、喷油器的组成、功用及精密部件的要求。
1．输油泵
输油泵的作用是保证柴油在低压油路内循环，确保一定压力的燃油送给喷油泵。滚轮式输油泵由滚轮、顶杆、顶杆套、弹簧、活塞、橡胶密封圈、推杆等组成。输油泵的技术要求如下：
（1）活塞与壳体的配合间隙不可太大，应保持在0.005～0.02mm之间，否则，供油率将下降，同时会影响柴油机的输出功率及转速。
（2）确保手泵活塞与橡胶密封圈结合严密。
2．柴油滤清器
柴油滤清器的主要功能是清除柴油中的杂质，保证把清洁燃油送给高压油泵。滤清器结构示意图如图4所示。
3．高压油泵
高压油泵的作用是将燃油转换成高压燃油，并按照柴油机工作过程要求定时、定量地将燃油输送至喷油器，然后喷油器以一定的压力将燃油以雾状喷入燃烧室中。高压油泵是柴油机中的最精密部件，技术要求：
（1）保证定时。严格按照规定的供油时刻开始供油，并保持一定的供油持续时间，不可过长，同时也不可过短；
（2）在保证定量喷油时，可根据负载的大小，供给适当的油量，要满足燃油足够的压力，以使燃油获得良好的喷雾质量；
（3）供油开始和结束时要迅速、干脆，避免喷油器产生滴油或不正常的喷射现象。
4．调速器
调速器其有以下功用：
（1）根据负荷变化，迅速自动地调整供油量，使柴油机的输出功率与负载保持平衡，从而保持稳定的转速；
（2）限制柴油机最高转速，防止飞车；
（3）保证低速时的稳定性；
（4）根据启动运转中预热规定，人为进行手动转速调节。
5．喷油器
（1）喷油器作用
① 将柴油雾化成较细的颗粒喷入燃烧室，使喷出的油束形状及分布与燃烧室相适应；
② 将燃油分布到整个燃烧室中，使燃油颗粒与空气进行良好的混合，形成均匀的可燃混合气。
（2）喷油器的技术要求
① 必须满足一定的喷射压力和射程以及合适的喷雾锥角和喷雾质量；
② 喷油和停止供油要迅速，不允许燃油滴漏，以免恶化燃烧过程。最好的喷油特性是：
在每一循环供油量中，开始喷油少，中期喷油多，后期喷油少，以减少泻燃期的积油量和改善燃烧后期的不利情况。
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图3 柴油发电机燃油系统结构图解 |
图4 柴油滤清器结构示意图 |
四、进排气系统的结构特点
进排气系统的作用是保证柴油机的各气缸在工作时得到充足的新鲜空气和排出燃烧室内燃烧后形成的废气，进排气系统主要由空气滤清器、进气管、排气管、消声器等组成。
1．进气系统
进气系统的作用是将新鲜气体或纯净的空气尽可能多的供入气缸内，并尽可能使各缸进气量一致，为各缸热功转换提供物质基础。
（1）空气滤清器
空气滤清器的作用滤除空气中的杂质，保证向气缸供给清洁的新鲜气体和空气。
（2）进气歧管
进气歧管长度和形状尽可能保持一致：目的是保证向个汽缸均匀的供气。
2．排气系统
随着节能减排要求的不断严格，柴油发电机排气系统的功用不仅是将汽缸内的已燃废气及时地排除干净，以便保证充入更多的新鲜气体，同时还要保证尽可能降低有害污染物的排放和噪声，尽可能回收利用排气能量。
（1）消声器
排气管内平均排气压力一般为0.3~0.5MPa,而且排气压力在排气管内波动。这种压力波动不仅造成排气系统的振动，而且如果把柴油机燃烧后的废气直接排到大气，就会产生强烈的、频谱比较复杂的排气噪声，直接影响工作环境，因此柴油发电机都装有排气消声器。
排气消声器的作用是降低或衰减排气压力脉动，以降低排气噪声。消声器的结构根据其消声机理不同有很大的区别，但其结构基本有吸收式、干涉式、扩张式和共振式等。实际消声器多为这些结构的不同组合形式。
（2）增压系统
增压是在柴油机进气过程中预先把空气压缩，然后再供入汽缸，以此提高进气密度，增加进气量的一项技术。进气量增加，可以相应地增加循环喷油量，从而增加柴油机的升功率。同时，增压不仅可以改善燃油经济性，而且也是控制排放的有效技术之一。
五、冷却系统的组成及要求
冷却系统由多个部件组成，包括水泵、冷却风扇、气缸盖中的水套、散热器、节温器以及其他附属装备。主要功用是冷却机体内部各运动部件及少部分固定部件，并对机油进行冷却。冷却系统需要定期保养，包括定期更换防冻液和在缺少时添加。
1．水泵
水泵可促使冷却水在机体内循环，并产生一定的压力把冷却水输送到柴油机的各冷却部位，主要由淡水泵总成、水泵体、水封、叶轮、水泵轴等部件组成。
2．节温器
节温器可随柴油机负荷的大小和水温的高低自动改变流经散热器的水量，以保证柴油机在最佳温度下工作。其工作原理如图3所示。
3．散热器
由进水室、出水室及散热器芯等三部分构成，结构组成如图4所示。其原理是冷却液在散热器芯内流动，空气在散热器芯外通过，热的冷却液因向空气散热而变冷，冷空气则因吸收冷却液散出的热量而升温。
4．冷却风扇
当风扇旋转时吸进空气，使其通过散热器，以增强散热器的散热能力，加速冷却液的冷却。
冷却系统的各个部件紧密配合，共同维持发动机的正常工作温度。水泵将冷却液从水套中抽出，并通过散热器散热，然后将其送回发动机。节温器则根据发动机温度的变化来控制冷却液的流动。发动机机体是冷却系统的“心脏”，负责将冷却液循环到散热器中进行散热。
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图5 柴油机节温器工作原理图 |
图6 柴油机散热水箱结构示意图. |
六、润滑系统的组成及功用
滑油系统由油底壳、机油泵、吸油盘、机油管、机油冷却器、机油粗滤器、机油细滤器、缸盖内部油道、机体内部油道、传动齿轮和各种相对运动的润滑部位等组成。滑油系统的功用主要是减轻零件表面摩擦，带走零件所吸收的部分热量，冲洗零件表面，提高密封效果，防止部件生锈。常见润滑方法有飞溅润滑、压力润滑和人工润滑三种。滑油系统各部分的作用：
1．油底壳
（1）油底壳的功用
油底壳是用来储存机油并封闭曲轴箱的，一般由钢板冲压而成。外形示意图如图7所示。
（2）油底壳结构
前浅后深的楔形状；设有挡油板，防止油面波动过大；侧面通常有油标尺孔；最低处装有带磁性的放油塞。
2．机油泵
机油泵的作用是为压力润滑和润滑油循环流动建立一定的油压，提高机油压力，保证机油在润滑系统内不断循环。机油泵一般安装在柴油机机体的下部，可安置在曲轴箱单面或外面，由柴油机驱动。以电子型机油泵为例，其常用的结构形式如图8所示。
3．机油滤清器
机油滤清器的作用是滤掉机油中机械杂质和各种杂质，以免使之进入润滑系统磨损机件。机油滤清器按在系统中的布置可分为全流式、分流式和组合式三种方式。
4．机油冷却器
机油冷却器在热负荷较大的高性能、大功率柴油机上是必不可少的部件，其作用是 对机油进行强制冷却，以防止机油过热而使机油消耗增加氧化变质。
5．机油尺
机油尺是用来检查油底壳内油量和油面高低的。它是一片金属杆，下端制成扁平，并有刻线。机油油面必须处于油尺上下刻线之间。
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图7 柴油机油底壳结构图 |
图8 柴油机机油泵结构示意图 |
七、启动和充电系统的结构特点
启动系统由蓄电池、起动机、磁力开关及控制按钮等组成。充电系统由调节器、交（直）流发电机、充电线路、用电负载和控制开关等组成。启动和充电系统的功用是保证柴油机准时启动和按时给蓄电池充电。其各部件的组成和作用如下：
1．起动机
起动机由甩轮、碳刷、定子、转子等组成，结构组成如图9所示。主要功用是使柴油机从静止到自行运转，带动曲轴旋转到一定的启动转速，使柴油机能够自行运转。
（1）起动继电器
起动继电器通过控制电路中的电磁铁来闭合触点，从而将电池的电能转化为机械能，驱动柴油机转动。此外，起动继电器还能保护电路，在电路出现过电流或短路时，会自动切断电源，避免设备损坏，从而保护柴油机和其他设备的电气系统。同时，起动继电器还有助于提高电气工作效率和稳定性，延长设备的使用寿命。
（2）电磁开关
电磁开关的作用电磁开关电磁开关，顾名思义就是用电磁铁控制的开关，也就是电磁铁与开关的结合体。当电磁铁线圈通电后产生电磁吸力，活动铁芯推或拉动开关触点闭合，从而接通所控制电路。电磁开关在各行业有广泛的应用，最常见的是工业领域的接触器。
2．充电发电机
普通充电发电机一般由转子、定子、调节器、前后部轴承盖等组成，结构示意图如图10所示。
（1）充电电池：
柴油发电机的充电机通过发动机带动发电机产生交流电，然后通过整流器将交流电转换为直流电，用于充电发电机组的电池。这样可以确保发电机组在停电或断电情况下，仍能提供电力供应。
（2）维持电池电量：
充电机不仅在停电时提供备用电源，同时还能维持发电机组的电池电量，保持电池处于充满的状态。这样可以确保发电机组在需要启动时，有足够的电量来启动发动机。
（2）防止电池自放电：
电池在长时间不使用时，会自然放电。充电机能够监测电池电量，并及时补充电量，防止电池自放电过度导致电量不足。
3．启动电池
启动电池一般由铅酸电池或锂电池组成，起到存储电能的作用。电池能量过低可能导致起动电机无法正常运转，钥匙转动磁石无法引导转子转换电流，因此启动电池的安置位置应为干燥、凉爽的空间。
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图9 起动机内部结构示意图 |
图2 柴油机充电发电机结构示意图 |
总结：
柴油机是一种利用柴油燃料进行内燃机燃烧的发动机，具有高效率、高可靠性和长寿命等特点。了解柴油机的结构和主要零部件，对于掌握其工作原理、正常运行柴油机、检修和维护保养都具有重要意义。对于柴油机的保护和维护，需要定期检查零部件的磨损和老化情况，并及时更换和修理，以确保柴油机的正常运行和延长使用寿命。
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