柴油机基本知识(潍柴动力)

柴油机基本知识潍柴动力股份有限公司WD615柴油机柴油机的能量转换过程燃料的化学能气体压力能机械能一、基本概念1.什么是柴油机？柴油机是以柴油为燃料的将化学能转换为机械能的动力装置。2.什么叫活塞的死点（或止点）？什么是上死点和下死点？什么是活塞的冲程（行程）？上死点下死点活塞行程S曲轴回转中心曲柄半径R活塞行程S曲柄半径R=2×◇曲轴旋转时，活塞所能到达的两个极限位置称作活塞的死点；◇距离曲轴旋转中心最远的称作活塞的上死点；◇距离曲轴旋转中心最近的称作活塞的下死点；◇上下死点之间的距离称作活塞的冲程（行程）。3.什么是气缸压缩容积？工作容积？气缸总容积？什么是柴油机的总排量？压缩容积Vc工作容积Vs气缸总容积Va◇活塞位于上死点时其顶部与气缸盖底部之间的气缸容积称作压缩容积；◇活塞从上死点移到下死点所扫过的容积称作工作容积；◇活塞位于下死点时其顶部与气缸盖底部之间的气缸容积称作气缸总容积；◇所有气缸的工作容积之和称为柴油机的排量。气缸压缩容积、工作容积、气缸总容积和总排量之间的关系：气缸总容积Va=压缩容积Vc+工作容积Vs柴油机排量Va=气缸数×工作容积VsL◇按冲程数分：有四冲程和二冲程。四冲程：曲轴旋转两周完成一个工作循环。二冲程：曲轴旋转一周完成一个工作循环。◇按气缸排列方式分：有直列式、V型、W型和星型排列等。◇按气缸数分：有单缸机和多缸机（二缸和二缸以上的）。二、柴油机分类◇按进气方式：有自然吸气、增压和增压中冷。◇按冷却介质分：有水冷和风冷柴油机。◇按转速分：有高速机、中速机和低速机。转速：n＞1000r/min高速机600r/min＜n≤1000r/min中速机n≤600r/min低速机◇按用途分：固定用柴油机和移动式柴油机。三、柴油机主要性能指主要性能动力性能经济性能可靠性排放性能维修性能转速功率动力性能指标扭矩动力性能指标是用来表征做功能力大小的指标。◇功率：在单位时间内柴油机对外输出的有效功，单位为kW。◇转速：柴油机曲轴每分钟所转动的圈数，单位为r/min。◇扭矩：柴油机对外输出的有效扭矩转动力矩，单位为N·mPe=Me×n/9550(kW)动力性能指标是满足用户的配套需求。经济性能指标机油消耗率有效热效率经济性能指标表征柴油机的工作使用成本。燃油消耗率◇有效热效率：燃料燃烧所产生的热量转换成有效功的百分数。◇燃油消耗率：柴油机单位时间、单位功率所消耗的燃油量，单位为g/(kW·h)。◇机油消耗率：柴油机单位时间、单位功率所消耗的机油量，单位为g/(kW·h)。以上指标是发动机在台架试验中测量考核的指标，与用户的实际情况存在差异，影响的因素也较复杂。四、四冲程柴油机基本工作原理柴油机一个工作循环由四个工作冲程组成，即：◇进气冲程◇压缩冲程◇做功冲程◇排气冲程柴油机的连续运转是由无限个工作循环构成。在柴油机四个工作冲程中，只有燃烧做功冲程对外做功，其他三个冲程消耗能量。吸气冲程压缩冲程做功冲程排气冲程180°CA180°CA180°CA180°CA进气阀排气阀◇进气冲程活塞由上止点向下止点移动，进气阀打开，排气阀关闭。在柴油机进气冲程中，纯净空气被吸入气缸，为柴油燃烧提供氧气。◇压缩冲程活塞由下止点向上止点移动，进气阀和排气阀全部关闭。柴油机压缩比较大，压缩终点时气缸内气体压力可高达3~5MPa，温度可达310~340K，为气缸内油气混和与点火做好准备。◇做功冲程活塞由上止点向下止点移动，进气阀和排气阀同时关闭。压缩冲程结束时喷入燃烧室内的柴油，与高温高压气体混和并燃烧。燃气受热膨胀，推动活塞下移，对外做功。◇排气冲程活塞由下止点向上止点移动，进气阀关闭，排气阀打开。通过活塞将废气排出气缸，为下一个工作循环做好准备。五、柴油机的基本组成柴油机的基本组成机体组件曲柄连杆机构配气机构燃油供给系统润滑系统冷却系统启动系统（一）机体组件【功能】各机构和系统的装备骨架，并作某些系统的组成部分。【组成】气缸盖、气缸体、曲轴箱、油底壳等零部件。汽缸体曲轴箱WD615柴油机机体（二）曲柄连杆机构【功能】将活塞的往复运动转换为曲轴的旋转运动，从而实现热能向机械能的转换；曲轴飞轮组还承担着柴油机功率输出的功能。【组成】活塞组、连杆组、曲轴飞轮组。WD615柴油机曲柄连杆飞轮曲轴连杆活塞（三）配气机构【功能】定时向柴油机气缸内提供充足而干净的新鲜空气，并将燃烧后的废气排出气缸体。【组成】进、排气门、摇臂、凸轮轴、正时齿轮、气门挺杆、气门弹簧等。曲轴齿轮凸轮轴齿轮中间齿轮喷油泵齿轮机油泵齿轮WD615柴油机配气机构（一）WD615柴油机配气机构（二）挺柱凸轮轴挺杆排气门进气门挺柱排气门摇臂进气门摇臂WD615柴油机配气机构（三）气门调解螺钉（四）燃油供给系统【功能】按照柴油机工作循环所规定的时间及柴油机负荷情况，向柴油机气缸内喷入适量的柴油。【组成】柴油箱、低压油管、输油泵、滤清器、高压油泵、高压油管及喷油器等零部件。高压油泵柴滤器高压油管喷油器低压油管WD615柴油机燃油供给系（五）润滑系统【功能】将清洁的润滑油以一定的压力不间断地送到柴油机各摩擦表面或高温零件冷却表面，以减少摩擦阻力和零件的磨损，并带走摩擦时产生的热量和金属屑，以及高温零件所吸收的热量，保证柴油机长期可靠工作。【组成】滑油泵、滑油滤清器、滑油冷却器和滑油管路等。油底壳机油泵WD615柴油机润滑系统机油滤清器机油冷却器（六）冷却系统【功能】对柴油机的高温零件进行适当冷却，以保证其正常的工作温度，这也是保证柴油机长期可靠工作的必要条件之一。【组成】水泵、水箱、散热器及节温器和管路等。水泵节温器风扇进水口出水口WD615柴油机冷却系统出水管（七）启动系统【功能】为柴油机的启动提供外部动力，并保证启动的安全性和可靠性。【组成】电启动方式：启动钥匙和开关，启动电源，启动线路和电动马达等。发电机起动机WD615柴油机起动系统（一）柴油机工况顾名思义，柴油机工况就是指柴油机实际运行的工作状况。表征内燃机运行工况的参数可由下式给出：Pe∝Ttqn式中，Pe为有效功率，Ttq为内燃机转矩，n为内燃机的工作转速。六、柴油机的基本特性描述工况的三个参数只有两个是独立变量，换句话说，当其中任意两个参数固定之后，第三个参数就可以通过上式求出。比较常用的是用Ttq与n或者Pe与n两组参数来表征内燃机稳定运行的工况点。转速n表示内燃机工作过程进行的速度快慢，而Ttq或者Pe说明内燃机发出功率或承受负荷能力的大小。（二）柴油机工况分类内燃机的工作区域取决于内燃机的用途。用途不同时，工作区域将有很大的差异。通常将内燃机工况分为三类：第一类工况：特点是柴油机的功率变化时转速几乎保持不变。该工况又称为固定式柴油机工况，如发电用内燃机等。此工况属线工况。灌溉用内燃机，除启动和过度工况外，在运行过程中负荷与转速基本均保持不变，称为点工况。第二类工况：其特点是内燃机的功率与转速接近于幂函数关系。当内燃机作为船用主机驱动螺旋桨时，内燃机所发出的功率必须螺旋桨吸收的功率相等，而吸收功率又取决于螺旋桨转速的高低，且与转速成幂函数关系。这样内燃机功率就呈现一种十分有规律的变化。该类工况常被称为螺旋桨工况或推进工况，也属于线工况。第三类工况：其特点是功率和转速都在较大范围内变化，它们之间没有特定的关系。汽车及其他陆地运输用内燃机，都属于这种工况。此时，内燃机的转速取决于行驶速度，可以从最低稳定转速到一直变到最高转速；负荷取决于行驶阻力，在同一转速下，从零可以变到全负荷。内燃机可能的工作区域就是该种类型内燃机的实际工作区域，相应的工况区域称为面工况。（三）柴油机性能特性所谓柴油机特性，就是指柴油机各性能参数随参数调整或运转工况变化的规律。性能指标随运行工况变化的特性称为性能特性。用来表示特性的曲线叫特性曲线。◇负荷特性----指转速不变时，柴油机性能指标随负荷而变化的关系，用曲线的形式表示出来就称为负荷特性曲线。驱动发电机、压缩机、风机、水泵等动力装置的内燃机，都是按照负荷特性运行的。◇速度特性----指柴油机在油量调节机构（油量调节齿条）保持不变的情况下，其主要性能指标随转速的变化关系。当油量控制机构在标定位置时，测得的柴油机速度特性为全负荷速度特性，简称外特性；油量低于标定位置时的速度特性，称为部分负荷速度特性。WD615T1-3A柴油机1850r/min负荷特性和外速度特性柴油机负荷燃油消耗率由于外特性上反映了柴油机能够达到的最高性能，确定了最大功率、最大扭矩以及对应的转速，因而十分重要，所有的发动机出厂时都必须提供柴油机外特性。◇万有特性----柴油机几个主要特性参数之间相互关系的综合特性成为柴油机的万有特性。◇从万有特性上，可以清晰地了解到内燃机在各种工况下的性能，很容易找出最经济的负荷和转速。◇在万有特性图上，最内层的等燃油消耗率相当于内燃机运转的最经济区域，等值曲线越向外，经济性越差。WD615T4柴油机万有特性等燃油消耗率曲线的形状与位置对内燃机的实际使用经济性能有重要的影响。----如果该曲线的形状在横向上较长，则表示内燃机在负荷变化不大而转速变化较大的情况下工作时，燃油消耗率变化较小。----如果曲线形状在纵向较长，则表示内燃机在负荷变化较大而转速变化不大的情况下工作时，油耗率变化较小。----对于汽车用内燃机，最经济区域应大致在万有特性的中间位置，这样常用转速和负荷就可以落在最经济区域内，并希望等燃油消耗率曲线在横向较长。----对于拖拉机和工程机械用内燃机，其转速变化范围较小，而负荷变化范围较大，最经济区域应在标定转速附近，并沿纵向较长。潍柴企业标准——综合比油耗产生背景由于工程机械柴油机工况复杂，负荷、转速等变化频繁，负荷特性、外特性及万有特性并不能真实反映发动机在实际使用过程中的耗油量。为统一柴油机经济性评价和性能优化时的依据，有必要建立一套柴油机按实际使用状况下的综合燃油消耗率耗的计量标准。单位时间内，柴油机按配套机械工作要求输出所需动力消耗的燃油量成为综合比油耗。柴油机综合比油耗的计算依据计算综合比油耗必须考虑按配套主机对动力的要求。即考虑柴油机工作时的工况点和在该工况点的运行时间长短两因素的影响。实际上这两项因素越按柴油机实际运行情况细化，综合比油耗结果越接近实际值。但由于工程机械作业情况的复杂性及匹配从动机的多样性，实际上难以对上述两影响因素具体进行量化处理，只能用统计数字进行概率计算。对工程机械用发动机，属移动式非公路设备，目前较多采用GB/T8190.4-1999《不同用途发动机的试验循环》C1循环工况号（右图）代表使用状况．该标准是移动式非公路用发动机排放标准统一化的基础，普遍为人们所接受。因此按实际运行状况计算的柴油机综合比油耗也借用了这个标准。柴油机综合比油耗的计算、测量方法及要求柴油机综合比油耗测量方法即要求1.试验按工况顺序号进行．2.燃油消耗量按质量法测量，试验时间不少于30s，每个工况点测量三次，取平均值．3.试验误差控制：独立试验时转速±5r/min;扭矩±10Nm;4.对比试验，应尽可能使各工况点保持一致，对无法调整的中间转速±50r/min.；各工况点扭矩±30Nm．柴油机综合比油耗计算公式gew=∑(Gei×ki)/∑(Nei×ki)式中代号含义：i:工况号1到8.gew：柴油机综合燃油消耗率;g/kW·hGei:柴油机各工况点时的小时耗油率；g/hki:柴油机各工况点的加权数，无量纲Nei：柴油机各工况点的功率；kWWD615T1-3A柴油机综合比测量实例1下表是WD615T1-3A柴油机的C18工况数据计算WD615T1-3A柴油机的综合燃油消耗率为223.7g/kW·h。