柴油机工作原理及构造

柴油机概述,定义：柴油机是用柴油作燃料的内燃机。柴油机属于压缩点火式发动机，它又常以主要发明者狄塞尔的名字被称为狄塞尔引擎。柴油机在工作时，吸入柴油机气缸内的空气，因活塞的运动而受到较高程度的压缩，达到500〜700°C的高温。然后将燃油以雾状喷入高温空气中，与高温空气混合形成可燃混合气，自动着火燃烧。燃烧中释放的能量作用在活塞顶面上，推动活塞并通过连杆和曲轴转换为旋转的机械功二：历史法国出生的德裔工程师鲁道夫,狄塞尔，在1897年研制成功可供实用的四冲程柴油机。1） 1905年制成第一台船用二冲程柴油机。2） 1922年，德国的博世发明机械喷射装置，逐渐替代了空气喷射。3） 二十世纪20年代后期出现了高速柴油机，并开始用于汽车。4） 二十世纪50年代，柴油机进入了专业化大量生产阶段。特别是在采用了废气涡轮增压技术以后，柴油机已成为现代动力机械中最重要的部分。三,分类柴油机种类繁多。1!按工作循环可分为四冲程和二冲程柴油机。按冷却方式可分为水冷和风冷柴油机。按进气方式可分为增压和非增压（自然吸气）柴油机。按转速可分为高速（大于1000转/分）、中速（300〜1000转/分）和低速（小于300转/分）柴油机。按燃烧室可分为直接喷射式、涡流室式和预燃室式柴油机。按气体压力作用方式可分为单作用式、双作用式和对置活塞式柴油机等。按气缸数目可分为单缸和多缸柴油机。按用途可分为船用柴油机、机车柴油机、车用柴油机、农业机械用柴油机、工程机械用柴油机、发电用柴油机、固定动力用柴油机。按供油方式可分为机械高压油泵供油和高压共轨电子控制喷射供油。按气缸排列方式可分为直列式和V形排列，水平对置排列,W型排列，星型排列等.11按功率大少可分为小型（200）中型（200-1000）大型（1000-3000）特大（3000以上）四，世界最大柴油机瓦锡兰苏尔寿Wartsila-sulzer14RT-flex96-C配4台ABBTPL85增压器两冲程4涡轮增压14缸柴油共轨电喷发动机单缸排气量1820升单杠功率7780马力 总功率108920马力整机重1300吨最佳工况每小时耗油 6400升柴油机基本理论1 无论结构简单还是复杂的柴油机，主要都是由下列机构和系统组成的：1、 曲柄连杆机构（包括：气缸体、曲轴、连杆、活塞、缸套、缸盖等零部件）。2、 配气机构（包括：凸轮轴、进排气门、挺柱、摇臂、所有传动齿轮及皮带轮等零部件）。3、 润滑系统（包括：机油泵、机油池、机油管道、机油滤等零部件）。4、 供油系统（包括：高压泵、喷油器、柴油虑、柴油管路等零部件）。5、 冷却系统（包括：水泵、风扇、散热器、冷却水管路等零部件）。6、 启动系统（包括：启动电机、充电发电机、电瓶等零部件）。、、此外还有附属系统：1、 监控系统（包括：转速表、温度表、压力表以及相应的传感器等零部件）。2、 增压系统（包括：废气涡轮增压系统和机械增压系统）。2发动机常用术语1上至点 活塞在气缸里作往复直线运动时，当活塞向上运动到最高位置，即活塞顶部距离曲轴旋转中心最远的极限位置，称为上止点TDC（TopDeadCenter）o2下至点活塞在气缸里作往复直线运动时，当活塞向下运动到最低位置，即活塞顶部距离曲轴旋转中心最近的极限位置，称为下止点BDC（BottomDeadCenter）o活塞行程活塞从一个止点到另一个止点移动的距离，即上、下止点之间的距离称为活塞行程。一般用S表示，对应一个活塞行程，曲轴旋转180°曲轴半径 曲轴旋转中心到曲柄销中心之间的距离称为曲柄半径，一般用R表示。通常活塞行程为曲柄半径的两倍，即S=2R。气缸工作容积 活塞从一个止点运动到另一个止点所扫过的容积，称为气缸工作容积。一般用Vh表示：6燃烧室容积活塞位于上至点时，活塞顶部和气缸盖之间的容积Vc7发动机排量多缸发动机各气缸工作容积的总和，称为发动机排量。8压缩比 压缩比(compressionratio)是发动机中一个非常重要的概念，压缩比表示了气体的压缩程度，它是气体压缩前的容积与气体压缩后的容积之比值，即气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比。一般用£表示9工作循环每一个工作循环包括进气、压缩、作功和排气过程，即完成进气、压缩、作功和排气四个过程叫一个工作循环。3四冲程柴油机工作原理柴油机的工作是由进气、压缩、燃烧膨胀和排气这四个过程来完成的，这四个过程构成了一个工作循环。。活塞走四个过程才能完成一个工作循环。进气冲程第一冲程一一进气，它的任务是使气缸内充满新鲜空气。当曲轴旋转肘，连杆使活塞由上止点向下止点移动，同时，利用与曲轴相联的传动机构使进气阀打开，外面空气充入气缸。压缩冲程第二冲程一一压缩。压缩时活塞从下止点间上止点运动，这个冲程的功用有二，一是提高空气的温度，为燃料自行发火作准备：二是为气体膨胀作功创造条件。燃烧膨胀冲程第三冲程一一燃烧膨胀。在这个冲程开始时，大部分喷入燃烧室内的燃料都燃烧了。燃烧时放出大量的热量，因此气体的压力和温度便急剧升高，活塞在高温高压气体作用下向下运动，并通过连秆使曲轴转动，对外作功。所以这一冲程又叫作功或工作冲程。随着活塞的下行，气缸的容积增大，气体的压力下降，工作冲程在活塞行至下止点，排气阀打开时结束。排气冲程第四冲程一一排气。排气冲程的功用是把膨胀后的废气排出去，以便充填新鲜空气，为下一个循环的进气作准备。当工作冲程活塞运动到下止点附近时，排气阀开起，活塞在曲轴和连杆的带动下，由下止点向上止点运动，并把废气排出气缸外排气冲程结束之后，又开始了进气冲程，于是整个工作循环就依照上述过程重复进行。由于这种柴油机的工作循环由四个活塞冲程即曲轴旋转两转完成的，故称四冲程柴油机。由于进、排气阀都是早开晚关的；所以在排气冲程之末和进气冲程之初，活塞处于上止点附近时，有一段时间进、排气阀同时开起，这段时间用曲轴转角来表示，称为气阀重迭角柴油机机构 系统分析一曲柄连杆机构（包括：气缸体、曲轴、连杆、活塞、缸套、缸盖等零部件）。曲柄连杆机构是内燃机实现工作循环，完成能量转换的传动机构，用来传递力和改变运动方式。工作中，曲柄连杆机构在作功行程中把活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动，对外输出动力，而在其他三个行程中，即进气、压缩、排气行程中又把曲轴的旋转运动转变成活塞的往复直线运动。总的来说曲柄连杆机构是发动机借以产生并传递动力的机构。通过它把燃料燃烧后发出的热能转变为机械能.组成一曲柄连杆机构的主要零件可以分为三组，机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组1。机体组件机体是构成发动机的骨架，是发动机各机构和各系统的安装基础，机体组主要由气缸体、曲轴箱、气缸盖和气缸垫等零件组成。A气缸体气缸体内部铸有冷却水套和润滑油道等。1，气缸体与油底壳安装平面的位置不同，通常把气缸体分为三种形式。（一般式气缸体，龙门式气缸体，）隧道式气缸体）为了能够使气缸内表面在高温下正常工作，必须对气缸和气缸盖进行适当地冷却。冷却方法有两种，一种是水冷，另一种是风冷。2。按照气缸的排列方式不同，气缸体还可以分成直列式，V型和对置式等直列式排列发动机的各个气缸排成一列，一般是垂直布置的V型排列 气缸排成两列，左右两列气缸中心线的夹角YV180。，称为V型发动机3对置式排列气缸排成两列，左右两列气缸在同一水平面上，即左右两列气缸中心线的夹角7=180°，称为对置式***气缸套气缸直接镗在气缸体上叫做整体式气缸，气缸套有干式气缸套和湿式气缸套两种。1干式气缸套的特点是气缸套装入气缸体后，其外壁不直接与冷却水接触,而和气缸体的壁面直接接触，壁厚较薄，一般为1〜3mm。2湿式气缸套的特点是气缸套装入气缸体后，其外壁直接与冷却水接触，气缸套仅在上 下各有一圆环地带和气缸体接触，B.曲轴箱（crankcase）上曲轴箱与气缸体铸成一体，下曲轴箱用来贮存润滑油，并封闭上曲轴箱，故又称为油底壳油底壳底部还装有放油螺塞，通常放油螺塞上装有永久磁铁，以吸附润滑油中的金属屑，减少发动机的磨损。在上下曲轴箱接合面之间装有衬垫，防止润滑油泄漏。C.气缸盖气缸盖安装在气缸体的上面，从上部密封气缸水冷发动机的气缸盖内部制有冷却水套，缸盖下端面的冷却水孔与缸体的冷却水孔相通。利用循环水来冷却燃烧室等高温部分。并构成燃烧室。缸盖上还装有进、排气门座，气门导管孔，用于安装进、排气门，还有进气通道和排气通道等一活塞连杆组 活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆轴瓦等组成，A.*舌塞 功用：活塞的功用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转，活塞顶部还是燃烧室的组成部分构造：活塞可分为三部分，活塞顶部、活塞头部和活塞裙部。1B.活塞环 是具有弹性的开口环，有气环和油环之分。功用：气环的是保证气缸与活塞间的密封性，防止漏气，并且要把活塞顶部吸收的大部分热量传给气缸壁，由冷却水带走。气环气环开有切口，具有弹性，在自由状态下外径大于气缸直径，它与活塞一起装入气缸后，外表面紧贴在气缸壁上，形成第一密封面，被封闭的气体不能通过环周与气缸之间，便进入了环与环槽的空隙，一方面把环压到环槽端面形成第二密封面，同时，作用在环背的气体压力又大大加强了第一密封面的密封作用。油环油环有普通油环和组合油环两种普通油环又叫整体式油环。组合环由上下两片侧轨环与中间的扩胀器组成，侧轨环用镀铬钢片制成，扩胀器的周边比气缸内圆周略大一些，可装侧轨环紧紧压向气缸壁。这种油环的接触压力高，对气缸壁面适应性好，而且回油通路大，重量小，刮油效果明显。C.活塞销活塞销的功用是连接活塞和连杆小头，并把活塞承受的气体压力传给连杆活塞销与活塞销座孔及连杆小头衬套孔的连接配合有两种方式：“全浮式”安装和“半浮式”安装。“全浮式”安装，当发动机工作时，活塞销、连杆小头和活塞销座都有相对运动，“半浮式”安装的特点是活塞中部与连杆小头采用紧固螺栓连接，活塞销只能在两端销座内作自由摆动，而和连杆小头没有相对运动。D.连杆功用是连接活塞与曲轴。连杆小头通过活塞销与活塞相连，连杆大头与曲轴的连杆轴颈相连。

三曲轴飞轮组曲轴飞轮组主要由曲轴、飞轮和一些附件组成。曲轴曲轴是发动机最重要的机件之一四缸四行程发动机的发火间隔角为720°/4=180°，曲轴每转半圈(180°)作功一次，四个缸的作功行程是交替进行的，并在720°内完成，因此，可使曲轴获得均匀的转速，工作平稳柔和。飞轮飞轮的主要功用是用来贮存作功行程的能量，用来对外传递动力曲轴扭转减振器配气机构是进、排气管道的控制机构，它按照气缸的工作顺序和工作过程的要求，准时地开闭进、排气门、向气缸供给新鲜空气并及时排出废气。四行程发动机都采用气门式配气机构。1配气机构的型式气门布置方式气门侧置式配气机构气门顶置式配气机构凸轮轴布置方式(凸轮轴下置式，凸轮轴中置，凸轮轴上置)凸轮轴传动方式(气门数目及气道布置4、配气机构的组成包括气门组和气门传动组1、气门组包括：气门、气门座、气门导管、气门弹簧、锁片、卡簧。(1)气门(1)气门功用：控制进、排气管的开闭气门头部是一个具有圆锥斜面的圆盘，气门锥角一般为45，也有302）气门导管（3）气门座（4） 气门弹簧功用：保证气门回位（5） 气门旋转机构（6） 锁片、卡簧锁片、卡簧2、气门传动组功用：传递凸轮轴f气门之间的运动气门传动组包括，凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂气门间隙调整螺钉等。（1） 凸轮轴功用：控制气门的开启和关闭，每一个进、排气门分别有相应的进气凸轮和排气凸轮。（2） 挺柱挺柱的功用是将凸轮的推力传给推杆（或气门杆），并承受凸轮轴旋转时所施加的侧向力（3） 推杆（4） ）摇臂 摇臂实际上是一个双臂杠杆，将推杆传来的力改变方向，作用到气门杆端打开气门。配气相位和气门间隙1、配气相位（valvetiming）（图3-18）（1）定义：配气相位是用曲轴转角表示的进、排气门的开启时刻和开启延续时间2） 理论上的配气相位分析理论上讲进、压、功、排各占180°，也就是说进、排气门都是在上、下止点开闭，延续时间都是曲轴转角180°3） 实际的配气相位分析①气门早开晚闭②气门重叠③进、排气门的实际开闭时刻和延续时间2、气门间隙（1） 定义：气门间隙是指气门完全关闭（凸轮的凸起部分不顶挺柱）时，气门杆尾端与摇臂或挺柱之间的间隙。（2） 作用：给热膨胀留有余地保证气门密封。间隙过大：进、排气门开启迟后，缩短了进排气时间，降低了气门的开启高度，改变了正常的配气相位，使发动机因进气不足，排气不净而功率下降，此外，还使配气机构零件的撞击增加，磨损加快。.间隙过小：发动机工作后，零件受热膨胀，将气门推开，使气门关闭不严，造成漏气，功率下降，并使气门的密封表面严重积碳或烧坏，甚至气门撞击活塞。三柴油机燃油供给系统第一节柴油机供给系的组成及燃料柴油机采用高压喷射方法，。在压缩行程接近结束时，将柴油喷入气缸，直接在气缸内部形成混合气，借缸内空气的高温自行发火燃烧柴油机供给系统担负柴油供给和空气供给以及可燃混合气的形成、燃烧和废气的排出的任务。］、组成燃油供给装置：柴油箱、输油泵、柴油滤清器、喷油泵、喷油器等。空气供给装置：空气滤清器、进气管。混合气形成装置：燃烧室。废气排出装置：排气管、排气消声器2、柴油柴油是在533-623k的温度范围内，从石油中提炼出的碳氢化合物，含碳87%，氢%和氧％。柴油按凝点分为10,0,-10,-20,-35五个牌号，其凝点分别不高于10°C,0°C,-10°C,-20°C,-35°C。牌号越高凝点越低。选用时，号数应比实际气温低5〜10C。第二节可燃混合气的形成、燃烧及燃烧室1、可燃混合气的形成与燃烧柴油机可燃混合气的形成和燃烧都是直接在燃烧室内进行的。当活塞接近压缩上止点时柴油喷入气缸，与高压高温的空气接触，混合，经过一系列的物理，化学变化才开始燃烧。其主要特点是：（1） 燃料的混合和燃烧是在气缸内进行的。（2） 混合与燃烧的时间很短〜秒（气缸内）（3） 柴油粘度大，不易挥发，必须以雾状喷入。（4） 可燃混合气的形成和燃烧过程是同时，连续重叠进行的，即边喷射，边混合，边燃烧。可燃混合气的形成与燃烧大体分四个时期（1） 备燃期从喷油开始f开始着火燃烧为止（2） 速燃期从燃烧开始f气缸内爆压出现时为止。（3） 缓燃期（4）后燃期后燃期放出的热量不能充分利用来作功，很大一部分热量将通过缸壁散至冷却水中，或随废气排出，使发动机过热，排气温度升高，造成发动机动力性下降，经济性下降。因此，要尽可能地缩短后燃期2、改善燃烧性能的途径进气系统、燃油系统、燃烧室、燃料根据可燃混合气的形成与燃烧过程得知柴油机要求：备燃期要短，速燃期压力升高要快才能使动力性、经济性好、工作柔和、不冒烟。因为柴油挥发性差，混合时间短，要求混合均匀，燃烧完全就必须要求喷射压力高，雾化好，喷射质量要满足燃烧室形状的要求。3、燃烧室（1）定义：当活塞到达上止点时，气缸盖和活塞顶组成的密闭空间称为燃烧室。（2） 分类：分统一式燃烧室（直接喷射式燃烧室）和分隔式燃烧室（涡流室燃烧室和预燃室燃烧室两种）两大类分隔式燃烧室的常见型式有涡流室燃烧室和预燃室燃烧室两种。（3） 构造：缸盖底面是平的，活塞顶部下凹（3型、浅盆型、球型、U型）第三节喷油器1、功用、要求与型式功用：喷油器将喷油泵供给的高压柴油，以一定的压力，呈雾状喷入燃烧室。要求：①雾化均匀具有一定的喷射压力和射程，及合适的喷注锥角断油迅速、无滴漏现象2、喷油器的型式目前采用的喷油器都是闭式喷油器，有孔式喷油器和轴针式喷油器两种。喷油器体2.调压螺钉3.调压弹簧4.回油管螺栓5.进油管接头6.滤芯7.顶杆8.针阀9.针阀体2、轴针式喷油器构造：针阀下端的密封锥面以下还向下延伸出一个轴针，其形状有倒锥形和圆柱形，轴针伸出喷孔外，使喷孔成为圆环状的狭缝。一般只有一个喷孔，直径1〜3mm,喷油压力较低12〜14Mpa第四节喷油泵1、功用、要求、型式功用：提高柴油压力，按照发动机的工作顺序，负荷大小，定时定量地向喷油器输送高压柴油。要求：泵油压力要保证喷射压力和雾化质量的要求。供油量应符合柴油机工作所需的精确数量。保证按柴油机的工作顺序，在规定的时间内准确供油。供油量和供油时间可调正，并保证各缸供油均匀。供油规律应保证柴油燃烧完全。供油开始和结束，动作敏捷，断油干脆，避免滴油。类型：车用柴油机的喷油泵按其工作原理不同可分为柱塞式喷油泵、喷油泵-喷油器和转子分配式喷油泵3、柱塞泵的泵油原理柱塞头部圆柱面上切有斜槽，并通过径向孔、轴向孔与顶部相通，其目的是改变循环供油量；柱塞套上制有进、回油孔，均与泵上体内低压油腔相通，柱塞套装入泵上体后，应用定位螺钉定位。柱塞头部斜槽的位置不同，改变供油量的方法也不同。出油阀和出油阀座也是一对精密偶件，配对研磨后不能互换，出油阀是一个单向阀，在弹簧压力作用下，阀上部圆锥面与阀座严密配合，其作用是在停供时，将高压油管与柱塞上端空腔隔绝，防止高压油管内的油倒流入喷油泵内。泵油原理工作时，在喷油泵凸轮轴上的凸轮与柱塞弹簧的作用下，迫使柱塞作上、下往复运动，从而完成泵油任务，泵油过程可分为以下三个阶段。第五节调速器调速器是根据发动机负荷变化而自动调节供油量，从而保证发动机的转速稳定在很小的范围内变化。调速器的型式：按功能分有两速调速器、全速调速器、定速调速器和综合调速器；按转速传感分有气动式调速器、机械离心式调速器和复合式调速器。机械离心式调速器的工作原理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，供油拉杆向循环供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。第六节喷油提前角调节装置1、 喷油提前角影响：喷油提前角的大小对柴油机影响极大，若其过大，将导致发动机工作粗暴；过小，最高压力和热效率下降，排气管冒白烟。最佳喷油提前角：即在转速和供油量一定的条件下，能获得最大功率及最小燃油消耗率的喷油提前角。供油量越大，转速越高，则最佳喷油提前角越大；最佳喷油提前角还与发动机的结构有关。2、 供油提前角自动调节器（图5-20）喷油提前角由喷油泵的供油提前角保证。为使最佳喷油提前角随转速升高而增大，近年来国内外车用柴油机常用机械离心式供油提前角自动调节器，可根据转速变化自动改变喷油提前角。结构：（图5-20）调节器位于联轴节和喷油泵之间。驱动盘与联轴节相连。驱动盘前端面压装两个销钉，两个飞块即套在此销钉上。飞块另一端各压装一个销钉，每个销钉上松套着一个滚轮和内座圈。筒状从动盘的毂部用半月键与喷油泵凸轮轴相连。从动盘两臂的弧形侧面与滚轮接触，平侧面压在两个弹簧上。弹簧另一端支于松套在驱动盘销钉上的弹簧座上。4、喷油泵联轴节第一节润滑系统概述1、功用.润滑作用：润滑运动零件表面，减小摩擦阻力和磨损，减小发动机的功率消耗；.清洗作用：机油在润滑系内不断循环，清洗摩擦表面，带走磨屑和其它异物；.冷却作用：机油在润滑系内循环还可带走摩擦产生的热量，起冷却作用；.密封作用：在运动零件之间形成油膜，提高它们的密封性，有利于防止漏气或漏油;

.防锈蚀作用：在零件表面形成油膜，对零件表面起保护作用，防止腐蚀生锈；.液压作用：润滑油还可用作液压油，如液压挺柱，起液压作用；.减震缓冲作用：在运动零件表面形成油膜，吸收冲击并减小振动，起减震缓冲作用。2、润滑方式压力润滑 利用机油泵，将具有一定压力的润滑油源源不断地送往摩擦表面。飞溅润滑 利用发动机工作时运动零件飞溅起来的油滴或油雾来润滑摩擦表面的润滑方式称为飞溅润滑。润滑脂润滑 发动机辅助系统中有些零件则只需定期加注润滑脂(黄油)进行润滑，润滑油 润滑油习惯上称为机油机油的粘度随温度变化而变化，温度高则粘度小，温度低则粘度大，第二节润滑系的组成及油路1、组成(图7-3)润滑系一般由下列部件组成：机油泵、机油盘、润滑油管，润滑油道、机油滤清器、机油散热器，各种阀、传感器，机油压力表，温度表。1、机油泵功用：提高机油压力，保证机油在润滑系统内不断循环2、机油滤清器集滤器机油粗滤器金属片缝隙式粗滤器纸质滤芯式机油粗清器锯末滤芯式机油粗滤清器机油细滤器 细滤器有过滤式和离心式两种，3、机油散热器和冷却器4、阀门⑴限压阀⑵旁通阀4、阀门⑴限压阀⑵旁通阀5、油尺和机油压力表第四节曲轴箱通风 曲轴