MTU柴油发动机的一般原理和构造

中高柴油发电机组培训资料——发动机ZGPT14MTU柴油发动机的一般原理和构造1.简介1.1发动机是将某种形式的能量转变为机械能的机器。将热能转变为机械能的发动机，称为热力发动机，其中热能是由柴油燃料燃烧所产生的机器，称作柴油发动机。图示为MTU16V2000G.2TD发动机1调速器／发动机控制系统10机油盘2发动机冷却水出口11增压器回油管3中冷器后的增压空气进口112曲轴箱4空气滤清器13燃油双联滤器（易更换滤器）5排气出口，A排14充电发电机6增压器，A排15发动机冷却水泵7至中冷器的增压空气进口116发动机冷却水进口8发动机机脚17风扇传动装置9起动装置18发动机滑油热交换器中高柴油发电机组培训资料——发动机ZGPT15柴油发动机的燃料是轻柴油，一般是通过喷油泵和喷油器将柴油直接喷入发动机气缸，在气缸内经均匀混合和压缩，在高温下自燃。这种发动机又称为压燃式发动机。2.四冲程柴油机工作原理2.1四冲程柴油机每个工作循环经历进气、压缩、作功、排气四个行程。柴油机在进气行程中吸入的是纯空气。压缩行程终了时，柴油经喷油泵将油压提高到10MPa以上，通过喷油器喷入气缸，在很短时间内与压缩后的高温空气混合，形成可燃混合气。由于柴油机压缩比高（一般为16~22），所以压缩终了时气缸内空气压力可达3.5~4.5MPa，同时温度高达750~1000K，大大超过柴油的自燃温度。故柴油喷入汽缸后，在很短的时间内与空气混合后便立即自行发火燃烧。气缸内气压急速上升到6~9MPa，温度也升到2000~2500K。在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转而作功，废气经排气管排出。四冲程发动机工作循环的四个活塞行程中，只有一个行程是作功的，其余三个行程则是作功的准备行程。因此，在单缸发动机内，曲轴每转两周中只有半周是由于膨胀气体的作用使曲轴旋转，其余一周半则依靠飞轮惯性维持转动。显然，作功行程时，曲轴的转速比其他三个行程内曲轴转速要大，所以曲轴转速是不均匀的，因此发动机运转就不平稳。在多缸四冲程发动机的每一个气缸内，所有的工作过程是相同的，并按上述同样的次序进行，但所有气缸的作功行程并不同时发生。例如在四气缸发动机内，曲轴每转半周便有一个气缸在作功，其平稳性也得到极大的提高。3.发动机的一般构造发动机是一部由许多机构和系统组成的复杂机器。现代柴油发动机的机构型式很多。即使是同一类型的发动机，其具体构造也是各种各样的。柴油发动机一般包括机体组、曲柄连杆机构、配气机构、供给系、冷却系、润滑系、起动系。4.机体组一般包括气缸盖、气缸体、油底壳。有的发动机将气缸体分铸成上下两部分，上部称为气缸体，下部称为曲轴箱。机体的作用是作为发动机各机构、各系统的装配基体，而且其本身的中高柴油发电机组培训资料——发动机ZGPT16许多部分又分别是曲柄连杆机构、配气机构、供给系、冷却系和润滑系的组成部分。气缸盖和气缸体的内壁共同组成燃烧室的一部分。4.1气缸体水冷发动机的气缸体和曲轴箱常铸成一体，称作气缸体。上半部有一个或若干个为活塞在其中运动导向的圆柱形空腔，称为气缸。下半部为支撑曲轴的曲轴箱，其内腔为曲轴运动的空间。为保证气缸表面能在高温下工作，气缸周围和气缸盖中均有用以充水的空腔，称作水套，气缸体和气缸盖上的水套是相互连通的。作为发动机各个机构和系统的装配基体，气缸体本身应具有足够的刚度和强度。单列式（直列式）发动机的各个气缸排成一列，一般是垂直布置。其结构简单，加工容易，但长度和高度较大。V型发动机缩短了发动机的长度和高度，增加了气缸体的刚度，重量也有所减轻，但加大了发动机宽度，且形状复杂，加工困难，一般多用于缸数多的大功率发动机。4.2气缸盖气缸盖的主要功用是封闭气缸上部，并与活塞顶部和气缸壁一起形成燃烧室。气缸盖上有进、排气门座及气门导管孔和进、排气通道等。在多缸发动机的一列中，只覆盖一个气缸的气缸盖，称作单体气缸盖。覆盖部分（两个以上）气缸的称作块状气缸盖。覆盖全部气缸的气缸盖称作整体气缸盖。4.3油底壳油底壳的主要功用是贮存机油并封闭曲轴箱。油底壳的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，在壳的底部铸有相应的散热肋片。5.曲柄连杆机构曲柄连杆机构的功用，是把燃气作用在活塞顶上的力转变为曲轴的转矩。以向工作机械输出机械能。曲柄连杆机构的主要零件可以分成：活塞连杆组、曲轴飞轮组。5.1活塞连杆组活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆等机件组成。中高柴油发电机组培训资料——发动机ZGPT175.1.1活塞活塞的主要作用是承受气缸中气体压力所造成的作用力，并将此力通过活塞销传给连杆，以推动曲轴旋转。活塞顶部还与气缸盖气缸壁共同组成燃烧室。活塞承受的气压力和惯性力是呈周期性变化的，因此，活塞的不同部分会受到交变得拉伸、压缩或弯曲载荷；并且由于活塞各部分的温度极不均匀，活塞内部将产生一定的热应力。所以要求活塞质量小，热膨胀系数小，导热性好和耐磨。5.1.2活塞环活塞环包括气环和油环两种。气环的作用是保证活塞与气缸壁间的密封，防止气缸中的高温、高压燃气大量漏入曲轴箱，同时还将活塞顶部的大部分热量传导到气缸壁，再由冷却水或冷空气带走。油环用来刮除气缸壁上多余的机油，并在气缸壁上铺涂一层均匀的机油膜，这样既可以防止机油串入气缸燃烧，又可以减小活塞、活塞环与气缸的磨损和摩擦阻力。此外，油环也起到封气的辅助作用。气环所起的作用主要是密封和导热，其中，主要是密封的作用。总之，在高温、高压、高速以及润滑困难的条件下工作的活塞环，是发动机所有零件中工作寿命最短的。当活塞环磨损到实效时，将出现发动机起动困难，功率不足，曲轴箱压力升高，通风系统严重冒烟，机油消耗增大，排气冒蓝烟，燃烧室、活塞等表面严重积碳等不良状况。5.1.3活塞销活塞销的功用是连接活塞和连杆小头，将活塞承受的气体作用力传给连杆。活塞销在高温下承受很大的周期性冲击载荷，润滑条件较差，因而要求有足够的刚度和强度，表面耐磨，质量尽可能小。为此，活塞销通常做成空心圆柱体。5.1.4连杆连杆的功用是将活塞承受的力传给曲轴，并从而使得活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。中高柴油发电机组培训资料——发动机ZGPT18连杆由小头、杆身和大头（包括连杆盖）组成。5.2曲轴飞轮组曲轴飞轮组主要由曲轴和飞轮以及其他不同作用的零件和附件组成。5.2.1曲轴曲轴的功用是承受连杆传来的力，同时受到旋转质量的离心力，周期性变化的气体压力和往复惯性力的共同作用，使曲轴承受弯曲和扭转载荷，为保证工作可靠，因此要求曲轴具有足够的刚度和强度，各工作表面要耐磨且润滑良好。曲轴根据其使用情况有整体式和组合式多种结构。5.2.2飞轮飞轮是一个转动惯量很大的圆盘。其主要功用是将在作功行程中输入于曲轴的功的一部分贮存起来，用以在其他行程中克服阻力，带动曲柄连杆机构越过上、下止点，保证曲轴的旋转角速度和输出扭矩尽可能均匀，并使发动机有可能克服短时间的超载荷，又可作为发动机动力输出的传动部件。为了在保证有足够的转动惯量的前提下，尽可能减小飞轮的质量，应使飞轮的大部分质量集中在轮缘上，因而轮缘通常做得宽而厚。飞轮的外缘上压有齿环，可与起动机的驱动齿啮合，供起动发动机用。飞轮上通常刻有第一缸发火正时记号，以便校准发火时间。中高柴油发电机组培训资料——发动机ZGPT196.配气机构配气机构的功用是按照发动机每一气缸内所进行的工作循环和发火次序的要求，定时开启和关闭各气缸的进、排气门，使新鲜空气得以及时进入气缸，废气得以及时从气缸排出。气门式配气机构由气门组和气门传动组组成。6.1气门组气门组包括气门、气门导管、气门座及气门弹簧等零件。气门传动组主要包括凸轮轴正时齿轮、挺柱及其导管，气门顶置式配气机构还有推杆摇臂和摇臂轴等。气门传动组的作用，使进、排气门能按配气相位规定的时刻开闭，且保证有足够的开度。7.供给系柴油机供给系由燃油供给、空气供给、混合气形成及废气排出四部分组成。中高柴油发电机组培训资料——发动机ZGPT207.1燃油供给装置燃油供给装置由油箱、输油泵、低压油管、柴油滤清器、喷油泵、高压油管、喷油器、和回油管组成。柴油从燃油箱被吸入输油泵并泵出，经柴油滤清器后进入喷油泵。自喷油泵输出的高压柴油经高压油管和喷油器进入燃烧室。过量的柴油经回油管回到输油泵。从油箱到喷油泵人口的油路油压是输油泵建立的，出油压力一般为0.15~0.3MPa，称作低压油路。从喷油泵到喷油器的油压是由喷油泵建立的，一般在10MPa以上，故称此段油路为高压油路。高压柴油通过喷油器呈雾状喷入燃烧室，与空气混合而形成可燃混合气。为了在柴油机起动时排除整个油路中的空气，将柴油充满喷油泵，在输油泵上装有手动输油泵。7.1.1喷油器喷油器的功用是将柴油雾化成较细的颗粒，并把它们分布到燃烧室中。根据混合气形成与燃烧的要求，喷油器应具有一定的喷射压力和射程，以及合适的喷注锥角。此外，喷油器在规定的停止喷油时刻应能迅速地切断燃油的供给，不发生滴漏的现象。7.1.2喷油泵喷油泵的功用是定时、定量地向喷油器输送高压燃油。多缸柴油机的喷油泵应保证：1、各缸的供油次序符合所要求的发动机发火次序；2、各缸供油量均匀，不均匀度在标定工况下不大于3%~4%；3、各缸供油提前角一致，相差不大于0.5°曲轴转角。为避免喷油器的滴漏现象，喷油泵还必须保证供油停止迅速。中高柴油发电机组培训资料——发动机ZGPT21喷油泵的结构型式很多。车用柴油机的喷油泵安作用原理不同大体可分为三类：柱塞式喷油泵、喷油泵-喷油器和转子分配式喷油泵。柱塞式喷油泵性能良好，使用可靠，为目前大多数柴油机所采用。喷油泵-喷油器的特点是将喷油泵和喷油器合成一体，直接安装在缸盖上，以消除高压油管带来的不利影响。但要求在发动机上另加驱动机构。应用于PT燃油供给系统的喷油器即属于此类。转子分配式喷油泵是依靠转子的转动实现燃油的增压（泵油）及分配。它具有体积小、质量小、成本低、使用方便等优点。中高柴油发电机组培训资料——发动机ZGPT227.2空气供给装置空气供给装置由空气滤清器、进气管和气缸盖内的进气道组成。功率较大的机组为为增加进气量，通常配置废气涡轮增压机。7.2.1废气涡轮增压提高柴油机功率最有效的措施是增加充气量和供油量。目前，大功率柴油机通常采用柴油机排气驱动的涡轮机拖动压气机，来提高进气压力，增加充气量，这一方法称为废气涡轮增压。废气涡轮增压的一般原理。排气管接到增压器的涡轮壳上，柴油机排出的具有一定压力的高温废气经涡轮壳进入喷嘴环，由于喷嘴环的通道面积做成由大到小，因而废气的速度迅速提中高柴油发电机组培训资料——发动机ZGPT23高。高温高速的废气气流，按一定方向冲击涡轮，使涡轮高速旋转，废气的压力、温度和速度越高，涡轮转速也越高。通过涡轮的废气最后排入大气。这时与涡轮固装在同一根转子轴上的压气叶轮也以相同的速度旋转，将经滤清器滤过的空气吸入压气机壳。高速旋转的压气机叶轮把空气甩向叶轮的外缘，使其速度和压力增加，并进入形状做成进口小出口大的扩压器，因此气流的速度下降，压力升高。再通过断面由小到大的环形压气机壳使空气压力继续升高。高压空气流经柴油机进气管进入气缸与更多的柴油混合燃烧，以保证发动机发出更大的功率。7.3混合气形成装置是燃烧室。7.4废气排出装置由气缸内的排气道、排气管和排气消声器组成。8.冷却系发动机工作时气缸内温度可高达1800~2000°C。直接与高温气体接触的机件(如：气缸体、气缸盖、活塞、气门等)若不及时加以冷却，则其中运动机件将可能因受热膨胀而破坏正常间隙，或因润滑油在高温下失效而卡死；各机件也可能因高温而导致其机械强度降低甚至损坏。因此，为保证发动机正常工作，必须对这些在高温条件下工作的机件加以冷却。目前，柴油发电机组上广泛采用的是水冷系。水冷发动机的气缸盖和气缸体中都铸造出贮水的、连同的夹层空间，称为水套，使水得以接近受热零件，并可在其中循环流动。水泵将冷却水由机外吸入并加压，使之经分水管流入发动机缸体水套。冷却水从气缸壁吸收热量，温度升高，继而流到气缸套水套，再次