康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

性能特点和作用说明

康明斯柴油发动机的主要机构组成

 

摘要：柴油发动机主要由曲轴连杆机构、配气机构、进排气系统、燃料系统、润滑系统、冷却系统和启动系统等部件组成，其原理是每个工作循环经历进气、压缩、做功、排气四个冲程。康明斯目前是唯一获得美国2002年10月以来新排放认证的全系列发动机，并符合中国和欧洲第三阶段排放认证。康明斯柴油机凭借先进的设计技术，精良的制造工艺；产品具备极高可靠性、耐久性和良好的燃油经济性，满足全球不同市场的需要。本文以康明斯发动机为蓝本，详细介绍了发电用柴油机的特点、工作原理及各系统的结构组成。

 

一、康明斯柴油机类型和特性

 

1、发动机的类型与定义

      热机是将燃料中的化学能转变成机械能的一种装置，热机包括外燃机和内燃机。

（1）内燃机：

      将燃料在机器内部燃烧并且释放出能量的机器叫做内燃机。在往复式内燃机中，由燃料燃烧后产生的热能转变为机械能，是依靠曲轴连杆机构的作用，将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动。内燃机曲柄连杆机构它是由活塞、连杆和曲轴所组成，活塞在气缸中作直线往复运动。工作时，连杆随活塞移动，并随曲轴的旋转而摆动。

      而以柴油为燃料利用空气在气缸内被压缩产生的高温高压，使喷入气缸的柴油自燃并且膨胀作功的内燃机叫做柴油机，外形如图1所示。

（2）外燃机：

      燃料在发动机的外部燃烧，发动机将这种燃烧产生的热能转化成动能。蒸汽机就是一种典型的外燃机。当大量的煤燃烧产生热能把水加热成大量的水蒸汽时，高压便产生了，然后这种高压又推动机械做功，从而完成了热能向动能的转变。 

2、康明斯发动机基本特点

      以NTA855系列康明斯柴油发动机为例，外形基本结构如图2所示。

（1）直列、四冲程、直喷式发动机。

（2）每缸四气门，闭式水冷却系统。

（3）使用较高压力的涡流增压器。

（4）低的燃油输送压力(8kg/cm²)，高的喷油压力(约1000kg/cm²)。

（5）整体式锻压曲轴和连杆，使发动机获得了更好的耐久性。

（6）使用氟列加冷却液添加剂，以提高发动机抗穴蚀能力。

（7）大量采用缸体内部油道，使发动机更清洁。

（8）采用高品质的空气滤清器，确保发动机延长使用寿命。

（9）独特的PT燃油系统。

① 高达1000kg/cm²的喷射压力。

② 很低的燃油输送压力，减少燃油管路渗漏。

③ 良好的经济性与动力性的结合。

④ 优秀的废气排放指标。

（10）采用一次性使用的水滤器、燃油滤清器、机油滤清器，使发动机维护更方便、更可靠。

 

图1  柴油发动机外形示意图

图2  康明斯柴油发动机外形后视图

 

二、发动机工作原理

 

      对于往复活塞式发动机，凡活塞往复四次而完成一次工作循环的发动机称为四冲程发动机。四冲程发动机的工作循环包括四个活塞行程，即进气行程、压缩行程、膨胀行程（作功行程）和排气行程。

1、工作过程

（1）进气冲程：

      在进气冲程中，活塞下行，进气门打开，排气门关闭。新鲜的空气进入燃烧室。康明斯发动机的进气方式有：自然吸气、增压、增压中冷、高增压四种。通常采用的是增压、增压中冷和高增压。

（2）压缩冲程：

      在进气冲程的终了，进气门关闭，排气门关闭，活塞开始上行，压缩燃烧室里的空气，使空气的温度升高到柴油的燃点温度以上。压缩比为：14.5一15.5。

（3）作功冲程：

      压缩冲程接近终了时，由喷油器喷入适量的柴油并燃烧。燃烧后的膨胀气体推动活塞向下运动，通过连杆使曲轴旋转而输出动力。这时，进气门关闭，排气门关闭。

（4）排气冲程：

      在排气冲程中，进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动。活塞迫使燃烧室中燃烧过的废气通过打开的排气门口排到排气歧管中，驱动增压器后排入大气中。

2、正常工作的影响因素

      发动机正常运转取决于两点：首先是压缩以供点火；其次是将适量的燃油在适当的时间喷入汽缸中。

 

      柴油机点火顺序与曲柄排列有着紧密联系，点火顺序的选择有很多，它决定曲轴的结构形式。一般情况下，首先考虑发动机的夹角，然后再按照运转的平衡要求决定曲柄排列方式，还要按照轴承的负荷、排气管道等等方面来确定点火顺序。通常，每列缸数为偶数的四冲程发动机采用360度间隔角度、左右列气缸交叉式点火，例如康明斯NTA855系列直列式6缸发动机的点火顺序是：1－5－3－6－2－4，如图3所示。

3、曲轴与凸轮轴的传动比

      四行程发动机每完成一个工作循环，曲轴旋转两圈，各缸的进、排气门各开启一次，即凸轮轴只转一圈，所以曲轴与凸轮轴的传动比为2：1。其中，进、排气门位置如图4所示。

 

图3  N855康明斯发动机气缸位置和点火顺序

图4  N855康明斯发动机进排气门位置图

 

三、柴油发动机的基本结构

 

1、缸体与缸盖

（1）气缸体作用

      气缸体的作用是支承发动机所有的运动件和各种附件。气缸体内设置有冷却水道和润滑油道，保证对高温状态下工作和高速运动的零件进行可靠的冷却和润滑。气缸体上部的圆柱形空腔称为气缸，气缸的作用是引导活塞做往复运动，气缸体下部的空间为上曲轴箱，用来安装曲轴。

（2）气缸盖功能

① 构成燃烧室的上部表面，并在压缩和点火过程中密封燃烧室；

② 在气门和喷油器周围提供循环冷却液；

③ 提供进排气道和柴油进回油道；

④ 提供安装气门和喷油器的空间。

2、曲轴连杆机构

      曲轴连杆机构是柴油发电机的主要部件，包括活塞组件、连杆、曲轴、飞轮等，其功用是承受燃烧气体的压力，并将活塞在气缸内的直线运动变成曲轴的旋转运动，使柴油发电机输出动力。

3、配气机构

      配气机构主要由气门组和气门传动组组成，零件结构如图5所示。气门组包括气门及与之相关联的零件；气门传动组是从正时齿轮开始至推动气门动作的所有零件。它的功用是定时驱动气门使其打开、关闭。

4、冷却系统

      康明斯发动机冷却系统由散热器、水泵、汽缸体水道、汽缸盖水道、出水管、 节温器、水滤器、中冷器、机油冷却器等构成，如图6所示。

（1）热量产生：喷入柴油机燃烧的柴油，燃烧产生大量的热量；

（2）热量分配： 约三分之一通过活塞及连杆机构，转换成机械能对外做工；约三分之一由排入大气； 约三分之一冷却系统散失；

（3）康明斯发动机冷却方式属循环水冷却，其功能是储存足够的冷却水、 构成循环水流、控制发动机水温、散失冷却系统多余热量等几大作用。

（4）康明斯发动机冷却系统的特点:使用化学装置（水滤器）对冷却系统进行保护。

5、润滑系统

      润滑系统的功能将定量、洁净、有适当粘度的润滑油输送至各必要部位，它对柴油机的工作可靠性和耐久性有很重要的作用。康明斯发动机润滑系统由机油盘、机油泵、机油冷却器、冷却活塞小喷嘴、机油管道、调压阀、全流式机油滤清器、旁通滤清器等部件构成。  

6、燃油供给系统

      流入各喷油器的燃油经量孔而喷射至气缸燃烧室中。而喷油器柱塞动作是由柴油机曲轴传动齿轮凸轮轴、凸轮滚子、推杆挺杆及摇臂等杆系来完成的。喷射完成后，柱塞停动一段时间，此时一部分燃油经喷油器循环回燃油箱，同时冷却喷油器。因为供油量取决于供油压力(Pressure)以及喷油时间(Time)。所以本燃油系统取其英文字母，缩写称为PT燃油系统。 柴油机供油系统的功能是根据柴油机的工作要求，定时、定量、定压地将雾化质量良好的柴油按一定的喷油规律喷入汽缸内，并使其与空气迅速良好地混合和燃烧，它工作的情况对柴油机的性能有重要影响。

7、进排气系统

      进排气系统的基本要求是尽可能多的向发动机提供清洁空气，并尽可能彻底地排除燃烧的废气。主要由空气滤清器、增压器、中冷器、缸盖进气管路等组成。

8、启动系统

      柴油发电机电源设备主要包括蓄电池和充电机、启动马达。

（1）蓄电池

      蓄电池的主要功用式在柴油发电机起动时给起动电机提供强大电流，并在柴油发电机停转或发电机电压较低时，向各用电设备供电。当发电机高压高于蓄电池电压时，蓄电池将发电机的一部分电能转换为化学能储存起来。

（2）充电机

      充电机在正常工作时，对所有的用电设备供电（除起动电机外），并向蓄电池充电以补充蓄电池在使用中所消耗的电能。

（3）起动电动机  

       起动电动机是柴油发电机电力起动的主要机件，采用串励式励磁方式，在柴油发电机起动时向其提供强大的起动转矩，以利于柴油发电机迅速、可靠地起动。

 

图5  柴油机配气机构零件图

图6  康明斯柴油机冷却系统构成

 

总结：

      拥有上百年悠久的历史康明斯发动机公司，是世界上最大的独立性的柴油发电机组整机制造商，其生产专业性、先进性和完整的成套技术在中国市场上是有目共睹的。此外，康明斯柴油机在使用过程中必须对以上所述的各系统部分予以充分重视，不可忽视任何一个部件，否则柴油发电机的正常工作将无法保证，造成电力供应不稳定性。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。

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