重康动力（深圳）有限公司

摘要： 康明斯与普通柴油机一样，其柴油发动机的结构组成有曲柄连杆机构、配气机构、传动机构、燃油供给系统、润滑系统、冷却系统和起动系统（俗称三大机构、四大系统）。柴油机在使用过程中必须对以上各部分予以充分重视，不可忽视任何一个部分，否则柴油机的正常工作将无法保证，造成柴油机的严重损坏。柴油发动机的工作过程和汽油发动机一样，每个工作循环也经历进气、压缩、做功、排气四个冲程。要延长柴油机的使用周期，在使用过程中就要加强空气滤清器、润滑油滤清器和燃油滤清器的保养，充分发挥其作用。本文以康明斯柴油发动机为例，系统阐述柴油机各部件的名称（含机体、曲柄连杆机构、配气机构、燃油系统、冷却系统、润滑系统及起动充电系统）及功能，详细说明汽缸体、汽缸盖、油底壳、活塞、燃烧室、气门及排列方式、凸轮轴、飞轮、连杆和曲轴、进排气歧管及喷油器等核心部件的作用与设计特点，为柴油机的学习、使用和维护提供基础技术参考。

 

一、柴油机各部件的名称

 

初一看，柴油机确实很复杂，但它并不很复杂。首先康明斯公司教大家通过本文充分认识一下柴油机各部件叫什么名称，这样就比较容易学习后面几章有关柴油机的技术。为了大家更好地了解柴油机，康明斯柴油发动机结构使用三维图（见图1、图2），就是把柴油机用“手术刀”切开，看一看柴油机里面是什么样。

总结为一句话：“两大机构四大系统”。即：

1. 机体及曲柄连杆机构

（1）主要包括传动机构、汽缸套、机体、活塞连杆、汽缸盖、汽缸盖出水管、飞轮、安装支架、加油及通气盖、盘形组合式曲轴。

（2）其作用是将燃料燃烧时产生的热能转化为活塞的往复直线运动，再通过连杆传递给曲轴，转变为曲轴的旋转运动，最终向外输出机械能。

（3）曲柄连杆机构是柴油机实现能量转换的核心部件，其结构分布如图3所示。

2. 配气机构

（1）主要包括气门组和气门传动组。

（2）其作用是按照柴油机各缸的工作顺序和工作循环的要求，定时开启和关闭进、排气门，保证新鲜空气及时进入气缸，燃烧后的废气及时排出。

（3）配气机构的性能直接影响柴油机的充气效率和排气质量，进而影响整机的动力性和经济性。

3. 燃油系统

（1）直喷燃油系统组成：喷油器、柴油滤清器、进气管、调速操纵手柄、燃油滤清器、转速表、喷油泵调速器总成。

（2）电控燃油系统组成（如图4所示）：燃油箱、低压燃油管、输油泵、燃油滤清器、喷油泵（转子分配泵，装有喷油提前调节器和起动加浓装置等）、高压油管和喷油器等。

（3）燃油系统的核心功能是按照柴油机不同工况的要求，将清洁、足量、压力适当的燃油以精确的喷油正时和雾化质量喷入燃烧室，与压缩空气形成良好的可燃混合气。

4. 冷却系统

（1）主要包括皮带盘、节温器体、水泵、散热水箱、机油冷却器。

（2）其作用是将柴油机受热零部件所吸收的多余热量及时散发出去，保证柴油机在最适宜的温度范围内工作，防止零部件因过热而损坏。

（3）冷却系统通常采用强制循环水冷方式，通过水泵驱动冷却液在机体水套和散热器之间循环流动。

5. 润滑系统

（1）主要包括机油标尺、机油泵、油底壳、机油压力传感器。

（2）其作用是将清洁的润滑油不断地输送到各运动零件的摩擦表面，形成油膜以减少摩擦和磨损，同时起冷却、清洗、密封和防锈等作用。

（3）润滑系统的正常工作压力通常保持在0.3～0.5MPa之间，机油压力过低会导致运动件干摩擦，造成严重损坏。

6. 起动充电系统

（1）主要包括硅整流充电发电机、起动马达、控制器、蓄电池。

（2）其作用是利用蓄电池储存的电能驱动起动马达，使柴油机从静止状态启动并转入自行运转。充电发电机在柴油机运转后为蓄电池充电，补充起动时消耗的电能。

（3）起动系统应能在规定时间内（通常不超过30秒）完成起动过程，保证柴油机迅速投入运行。

 

图1  柴油机右视预览图	图2  柴油机左视预览图
图3  曲柄连杆机构结构分布图	图4  燃油泵电控供油系统组成

 

二、柴油机各部件的功能

 

为了理解柴油发电机的原理，必须了解一下具体部件及其功能。它们包括汽缸体、汽缸、活塞、连杆和曲轴、汽缸盖、燃烧室、气门、凸轮轴、飞轮、进气歧管、排气歧管，以及喷油器的燃油系统。

1. 汽缸体

汽缸体被认为是发动机的基础（见图5-1）。汽缸体通常由铸铁或铝制成。所有发动机内的其他部件都连接到汽缸体上。汽缸体有几条内部通道，以使冷却液沿缸体循环。缸体上发生燃烧的地方还有几个大的机加工孔。汽缸体承受着发动机工作时产生的巨大气体压力和热负荷，其刚度和强度直接影响整机的可靠性和寿命。

2. 汽缸盖

汽缸盖是安装在汽缸体顶部的部件（见图5-2），它通常覆盖住使空气和燃油进入汽缸的气道和气门。火花塞也装到汽缸盖上，汽缸盖由铸铁或铝制成，拧到缸体上时，对汽缸体形成密封，这样就可以控制汽缸内空气和燃油的进出。汽缸盖内部铸有复杂的冷却水套和进排气道，是柴油机中结构最复杂、热负荷最高的零件之一。

3. 油底壳

油底壳（见图5-3）的主要功用是贮存机油（润滑油）并封闭曲轴箱。油底壳受力很小，一般采用薄钢板冲压而成。其形状决定于发动机的总体布置和机油的容量。在有些发动机上，为了加强油底壳内机油的散热，采用了铝合金铸造的油底壳，在壳的底部还铸有相应的散热肋片。油底壳底部通常安装有放油螺塞，便于定期更换机油。

4. 汽缸

汽缸是汽缸体内的机加工孔，这些孔用于燃烧。孔的数目即给出了发动机上汽缸的数目。例如，在小型柴油发电机上，有一个汽缸。发电机组通常使用4个、6个或8个汽缸。在某些重型设备上使用的发动机最多可有24个汽缸。汽缸只是一个空间，由缸筒、活塞、缸盖及气门组成的一个密闭空间。汽缸内壁经过精密珩磨加工，表面粗糙度极低，以保证与活塞环的良好密封。

5. 活塞

图6是柴油机气缸内部零件组成。其中，活塞是汽缸内上下滑动的圆柱形物体。每个汽缸有一个活塞。活塞用可以承受高温的轻质材料，如高质量铝制成。当燃油和空气点火在活塞上引起膨胀时，这种膨胀推动活塞向下运动，将燃油内的能量转换成机械能量（活塞向下移动）。活塞在靠近顶部的地方必须还有几个密封环或活塞环，以阻止燃烧气体从它的侧面通过活塞。现代柴油机活塞通常采用两道气环和一道油环的组合，第一道环往往镀铬以提高耐磨性。

6. 燃烧室

燃烧室是汽缸内发生燃烧的地方，装上汽缸盖时，汽缸盖和汽缸体内形成的区域称为燃烧室。在某些发动机上，燃烧室位于汽缸盖内。其他发动机的燃烧室在活塞顶部，这适用于大部分柴油发动机。燃烧室的形状直接影响混合气形成和燃烧效率，常见形状有ω形、球形和涡流室式等。

 

图5 机体组结构图

图6  柴油机气缸内部结构图

 

7. 气门

气门位置如图7所示。气门装在汽缸盖内部，允许空气和燃油进入，以及燃烧气体离开燃烧区域。气门设计为关闭时进气道严格密封，并必须能够在适当的时间打开。这些气门用弹簧打开，进气门允许燃油和空气进入汽缸，排气门允许燃烧过的气体排出汽缸。排气门工作温度可达800～900℃，通常采用耐热合金钢制造，部分机型采用充钠气门以增强导热。

8. 气门和汽缸盖的排列

在过去，发动机内每个汽缸有两个气门，一个排气门，一个进气门。现在，有些发动机上，每个汽缸用两个或三个气门。如果一台发动机的每个汽缸有三个气门，共四个汽缸，则被称为12气门发动机；如果一台发动机的每个汽缸有四个气门，共四个汽缸，则被称为16气门发动机。有许多种排列方式，目前常用的有三种：

（1）12气门发动机通常有四个汽缸，每个汽缸有三个气门，它们称为三气门发动机。一般来说，每个汽缸有两个进气门和一个排气门。两个气门用于进气，这样可以使更多的空气和燃油进入汽缸，只需要一个排气门是因为一些空气燃油混合气的能量已经被活塞消耗。根据厂商不同，也可能采用其他三气门排列。每个汽缸有两个气门的直列六缸发动机也称为12气门发动机。

（2）16气门发动机有四个汽缸，每个汽缸有四个气门，它们称为四气门发动机。一般来说，每个汽缸有两个进气门和两个排气门。采用这么多气门的目的是为了使更多的空气和燃油进入小尺寸的发动机，以便产生更大的动力。每个汽缸有两个气门的V8发动机也称为16气门发动机。

（3）24气门发动机有六个汽缸，每个汽缸有2个进气门和2个排气门。

在发动机中使用较多的气门有两个原因。一个是使更多的空气和燃油进入发动机；另一个方法可以是制造较大的气门，但是如果只是简单地增大气门，会增加重量并且不能快速移动。在那种情况下，发动机不能以高转速运转，功率会因此而下降。使用几个较小的气门可允许相同量的空气和燃油进入和排出，并且较小的气门不会像较大的气门那样限制转速。

9. 凸轮轴

凸轮轴用来在正确的时间打开气门。凸轮凸部或稍微凸起的区域，装在凸轮轴上，以打开气门，这样空气和燃油就能进入汽缸。气门随后由各个气门上的弹簧关闭。凸轮轴由曲轴通过齿轮箱齿轮或齿链驱动。凸轮轴必须相对曲轴调节正时，以在活塞各个位置使气门在正确的时间打开和关闭。对于每个必须打开和关闭的气门，都有一个凸轮放在凸轮轴上。凸轮轴也可以直接放在或装在汽缸盖顶部，这种设计称为顶置凸轮轴（OHC）。

顶置凸轮轴有以下几个优点：

① 更少的移动部件；

② 更精确的气门操作；

③ 较高的转速范围；

④ 较小的摩擦功率。

通常只有一个单顶置凸轮轴用于每个气缸列。这种排列称为SOHC（单顶置凸轮轴）发动机。当每个汽缸使用更多气门（三个或四个）时，则需要两个凸轮轴。这种排列称为DOHC（双顶置凸轮轴）发动机。

10. 飞轮

飞轮位于曲轴的驱动端，起到一个重块的作用，使曲轴在动力施加到活塞上时保持转动。飞轮通常是很重的，以消除任何动力脉冲产生的间歇运动。其位置如图8所示。飞轮外缘通常压装有齿圈，用于起动马达驱动发动机旋转，飞轮表面还刻有上止点标记，用于配气正时和供油提前角的调整。

 

图7  气门布置图

图8  飞轮位置图

 

11. 连杆和曲轴

活塞底部连有连杆（见图5），它用于将活塞连到曲轴上。曲轴用来将活塞和连杆的往复运动转换成旋转运动，旋转运动作为发动机的输出动力。曲轴由高强度合金钢锻造或铸造而成，其主轴颈和连杆轴颈经过精密磨削加工，表面硬度高，耐磨性好。活塞连杆组和曲柄连杆组件如图6所示。

 

 

图4 连杆结构示意图

图5 曲柄连杆机构结构图

 

12. 进气和排气歧管

进气和排气歧管由将空气和燃油输送到发动机、使废气从发动机排出的管路和导管组成。进气系统是使空气和燃油混合气气流进入燃烧室的管道，现代发动机的进气歧管上还有一个进气传感器，以测量进入发动机的空气量。排气歧管是使炙热的燃烧气体从发动机中安全排出的管道，另外还装有一个氧传感器，以测量排气中的氧含量。

13. 喷油器

喷油器可以完成与化油器相同的大部分工作：混合适量的空气和燃油。但是，用喷油器混合空气和燃油的过程比用化油器更加精确。喷油器就好比是小型的喷枪，将柴油喷入发动机的燃烧室，与进入发动机的空气混合。电控喷油器通过电磁阀精确控制喷油量和喷油正时，满足不同工况下的燃烧需求。

14. 汽缸数量和点火顺序

发动机也可以按照汽缸的数量和点火顺序区分。在所有发动机上，汽缸都以某种方法进行编号。在一些V8发动机上，汽缸上的编号从左侧的1缸开始，其他制造厂从右侧开始给汽缸编号。实际上，汽缸编号系统有很多。另外，每个机型可能有不同的点火顺序系统。点火顺序描述的是哪个汽缸点火，以什么顺序点火。设计点火顺序的目的是为了沿着曲轴均匀地分配动力脉冲，以帮助减小发动机振动和摆动，从而提高发动机的平衡性。维修手册中一般都给出了汽缸编号和点火顺序。表1给出了4缸和6缸直列发动机以及V6和V8发动机上一些常见的汽缸布置型式和点火顺序。虽然还有其他类型，但其点火顺序的原理和目的是相同的。

表1  常见的汽缸布置型式和点火顺序

 

 

总结： 发动机的基本结构包括气缸、活塞、连杆、曲轴、气门、燃油系统和点火系统等部分。它们的作用分别是容纳燃烧空间、将燃烧产生的能量转化为机械能、连接活塞和曲轴、转化运动形式、控制燃料和空气的进出、供给燃料和点燃燃料。发动机的结构和各部分的作用密切相关，它们的设计和制造质量直接影响着发动机的性能和可靠性。因此，在发动机的设计和制造过程中，需要充分考虑各部分的功能和相互关系，以达到提高发动机性能和使用寿命的目的。柴油机的两大机构（曲柄连杆机构、配气机构）和四大系统（燃油系统、冷却系统、润滑系统、起动充电系统）协同工作，任何一个部分的失效都可能导致整机故障，日常使用中应加强对三滤（空气滤清器、燃油滤清器、机油滤清器）的定期保养。

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