工程机械动力装置—柴油机

第七章工程机械动力装置—柴油机第一节柴油机的工作原理、组成及主要性能参数发动机为工程机械的行走、作业等提供动力，保证其正常行驶和工作。工程机械广泛采用柴油机作为动力。柴油机是内燃机的一种，是把燃料燃烧后所产生的热能转变成机械能的动力装置。一、概述发动机根据其活塞运动方式的不同，可分为往复活塞式和旋转活塞式两类。工程机械多采用往复活塞式发动机。往复活塞式发动机的分类如下：按冲程数：四冲程发动机、二冲程发动机；按气缸数：单缸发动机、多缸发动机；按所用燃料：柴油机、汽油机、煤气机、特种燃料（氢气、天然气等）发动机、多种燃料发动机；按着火方式：点燃式（化油器、电喷及柴油机）、压燃式（柴油机、多种燃料发动机）；按气缸排列形式：单列式（直立式发动机、卧式发动机）、双列式（V型发动机、对置式发动机）；按冷却方式：水冷式发动机、风冷式发动机；按用途：车用发动机、工程机械用发动机、船用发动机、牵引用发动机、发电机用（固定式）发动机；按进气方式：增压发动机、非增压发动机；按输出额定转速分为：高速（1000r/min以上）、中速（600～1000r/min）和低速（600r/min以下）等。工程机械应用的柴油机多为往复式四行程多缸高速柴油机。柴油机经济性好，它的热效率一般为30～40%，最高可达46%，在热机中它的热效率是较高的。柴油机的适应范围较广，能满足多种不同用途的需要。柴油机结构紧凑，重量轻，体积小，一般平均单位质量为（0.39～0.52）kg/W，因而特别适用于要求具有良好机动性的工程机械。柴油机操作简便，启动迅速，工作可靠，不受使用场合的限制。工程机械用柴油机除了具有一般车用柴油机的普遍要求之外，由于其工作条件的差别，还有一些新的要求：通常工程机械工作冲击震动大，要求柴油机具有更高的刚度和强度；工作负荷大，常出现短期超载现象，要求柴油机有足够的转矩储备系数；施工现场尘土大，要求柴油机空气滤清器、柴油滤清器、机油滤清器可靠；工程机械柴油机经常在变速下工作，因而要求它有良好的调速性能；柴油机应能在30～35°的斜坡上可靠工作；此外，在严寒、高原、沙漠、炎热地带，地下工程、水下工程等特殊条件下工作的工程机械以及军用工程机械的保暖、防尘、降温、排气污染等方面的特殊要求柴油机都应能够满足。国家标准GB/T725—1991中对发动机名称和型号的编制作了如下规定：发动机产品名称均按所采用的燃料命名，如柴油机、汽油机等；发动机型号由阿拉伯数字和汉语拼音字母或象形字符组成。二、柴油机的工作原理由于工程机械均采用四行程柴油机，这里以单缸机为例，介绍四行程柴油机的工作原理与工作过程。图7—1所示是单缸四行程柴油机的构造原理简图。在圆筒形的气缸8中装有可上下移动的活塞4，活塞通过活塞销5与连杆9相连，连杆的大头与曲轴10相连。活塞在缸筒中作上下往复运动时，通过连杆使曲轴作旋转运动。气缸上端由气缸盖1封闭，气缸盖上安装有进气门2，排气门7和喷油器4，曲轴的一端装有飞轮6。活塞离曲轴中心最远的位置称为上止点；活塞离曲轴中心最近的位置称为下止点；上、下止点间距离S称为活塞行程。若曲轴的曲柄半径为r，则S=2r。活塞从上止点到下止点所让出的容积称为气缸工作容积，常用Vh表示；活塞位于上止点时，活塞顶上方容积称为燃烧室容积，常用Vc表示；活塞位于下止点时，活塞顶上方容积称为气缸总容积，常用Va表示；Va=Vh+Vc。多缸发动机各缸工作容积之和称为发动机的排量，常用VL表示，可用下式计算：式中VL—发动机排量（L）；D—气缸直径；S—活塞行程；i—气缸个数。气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比，用ε表示，即ε＝Va/Vc。压缩比表示气缸内气体被压缩的程度。其大小一般是：非增压柴油机为11.9～16，增压柴油机为15～22，汽油机为6～9。在发动机气缸内，每一次将热能转变为机械能的一系列连续过程称为一个工作循环。活塞往复四个行程完成一个工作循环的发动机称为四行程发动机；活塞往复两个行程完成一个工作循环的发动机称为二行程发动机。23410LDVSiπ四行程柴油机的工作过程如下图所示。每一个工作循环经历四个过程，而每一个过程由活塞的一个行程来完成。进气行程（图7—2a）：进气门开启，排气门关闭，曲轴旋转带动活塞由上止点移动到下止点。活塞下行使气缸内容积不断扩大，压力降到大气压力以下，新鲜空气经进气门被吸入气缸。由于进气系统的阻力，故进气终了时气缸内气体压力低于大气压力，约为78～88kPa；又因新鲜空气受到气缸璧和活塞顶等高温机件的加热，并与上一循环高温残余废气混合，所以进气终了时缸内气体的温度约为320～340K。压缩行程（图7—2b）：曲轴继续旋转，推动活塞由下止点移到上止点，此时进排气门均关闭。活塞上行使气缸内容积不断减小，空气受到压缩，压力和温度不断升高，压缩终了时，缸内气体压力达到2940～4900kPa；温度达到770～970K。这就为柴油喷入后自行着火准备了有利条件。作功行程（图7—2c）：当压缩行程接近终了时，喷油器将柴油以雾状喷入气缸，与空气混合形成可燃混合气，在缸内较高的温度下自行着火燃烧。此时又由于进排气门仍然关闭着，因此气缸内的压力和温度急剧上升，最高压力达到5880～8820kPa；最高温度达到1770～2770K。高温、高压气体膨胀作功，将活塞从上止点推向下止点，并通过连杆推动曲轴旋转，从而实现了热能向机械能的转换。随着活塞下行，气缸内容积不断增大，气体的温度和压力逐渐降低，作功终了时，压力降为290～390kPa；温度降为1070～1170K。排气行程（图7—2d）：曲轴继续旋转，活塞又由下止点被推向上止点，此时进气门关闭，排气门开启，燃烧废气经排气门排到大气中，从而为下一循环的进气做好准备。由于排气系统阻力的影响，排气终了时气缸内压力稍高于大气压力，约为103～123kPa；温度约为570～770K。至此，四行程柴油机经历了进气、压缩、做功、排气四个过程，活塞上下走了四个行程，完成了一个工作循环。当活塞重新由上止点向下止点运动时，新的工作循环又开始了。三、柴油机的组成柴油机是把燃料的化学能转变为机械能的机器。一般由以下几大部分组成：1.曲柄连杆机构和机体组件曲柄连杆机构是柴油机的最基本运动和传力机构；机体组件是整机的基础和骨架。前者主要包括活塞连杆组和曲轴飞轮组；后者主要包括气缸体、气缸盖和曲轴箱等。2.配气机构配气机构的功用是定时地开闭进排气门，使新鲜空气或可燃混合气进入气缸，废气排出气缸。它主要包括气门传动组、气门组和进排气管道等。3.燃料供给系柴油机的燃料供给系是根据工况需要，定时、定量、定压地向气缸内供给一定雾化质量的干净柴油。它主要包括柴油的油箱、输油泵、滤清器、喷油泵、喷油器及调速装置等。4.润滑系统润滑系是保证柴油机连续可靠工作的必要条件，它的任务是将机油供给各运动零件的摩擦表面，起到润滑、冷却、清洗及辅助密封等作用，它主要包括机油的输油泵、滤清器、散热器和管道等。5.冷却系冷却系的任务是将受热零件的多余热量散到大气中去，保证柴油机始终处在正常的温度下工作，冷却系分为水冷却系和风冷却系两种。水冷却系主要包括水泵、散热器、风扇、水温调节装置及管路等；风冷却系的主要机件是风扇。6.启动系启动系的主要功用是为柴油机的启动提供动力及创造有利条件。它主要包括启动机及易于启动的辅助装置。由柴油机的组成可以看出，它的两个机构和燃料供给系是实现能量转换的核心装置，而其他系统是保证其顺利工作的必要条件。四、柴油机的主要性能指标柴油机的性能指标包括：表征动力性、经济性、启动性、可靠性、重量与外型、噪声、排气等参数。动力性和经济性是柴油机的重要性能指标，它的动力性指转速、有效转矩、有效功率等，它的经济性主要指耗油率。1.转速转速对发动机的性能和结构影响很大，提高转速是提高发动机动力性的一个重要途径。但是转速提高后，充气效率低，燃烧恶化，摩擦功率损失增大，运动件惯性增大，噪声增大，影响发动机的经济性、可靠性和使用寿命。所以必须综合考虑，妥善解决上述问题后，则转速提高才成为可能。因此不同发动机均有不同的额定转速，使用中禁止超速运转，以防止造成事故性损坏。工程机械常用柴油机转速通常为1500～3000r/min。2.有效转矩发动机曲轴飞轮组件对外输出的转矩称为有效转矩。通常用Te表示。它是燃料在气缸内燃烧膨胀时推动活塞的力，减去摩擦阻力及驱动附件的消耗后，从曲轴飞轮端输出的可供外界实际使用的转矩。有效转矩可以直接在实验台上测出。工程机械用柴油机要求有足够的转矩储备，即当柴油机转速下降时，能自动增加输出转矩，从而提高克服短期超负荷的能力，避免柴油机熄火。转矩储备通常用转矩储备系数μ或转矩适应性系数k表示。3.有效功率（efficiencypower）发动机在单位时间内对外实际作功的大小，即曲轴飞轮组件对外输出的功率，称为有效功率。通常用Pe表示，单位是kW。当在测功器上测出发动机的有效转矩Te及相应的转速n后，则有效功率即可由下式算出：发动机在标定工况下所发出的有效功率称标定功率。它是根据发动机的种类、用途和使用条件，并参考其经济性、耐久性和安全性等因素人为确定的。根据我国试行草案，发动机标定功率分为四种：15min功率、1h功率、12h功率和持续功率。它们分别表示允许发动机连续运转15min、1h、12h或长期连续运转时的最大有效功率。通常根据发动机的用途和使用特点，在其铭牌上给出上述四种功率的1～2种及其相应转速。工程机械用柴油机考虑到工作条件及工况均较恶劣，所以通常按12h或者1h标定。4.耗油率（consumeratio）发动机每工作一小时所消耗的燃油量称为耗油量。用G表示。单位是kg/h。耗油量可以通过实验测出。由于它只表明发动机在一小时内消耗燃油的绝对数量，而没有表明一小时内作功的多少，因此无法说明发动机经济性的好坏。衡量发动机经济性的指标是耗油率。它是指发动机每输出一千瓦小时的功所消耗的燃油量。用ge表示，单位是g/（kW·h）。当耗油量由实验测出后，则可由下式计算出耗油率。在发动机使用说明书上，一般给出标定工况时的耗油率或外特性曲线上的最低耗油率。第二节现代柴油机新技术及其发展方向一、柴油机新技术现代先进的柴油机一般采用电控喷射、共轨、涡轮增压中冷等技术，在重量、噪声、烟度等方面已取得重大突破，达到了汽油机的水平。1.电控系统（electroniccontrolsystem）随着对工程机械施工质量与生产效率的要求不断提高，传统的机械传动以及机械液力式调节方式已不能满足工程机械用柴油机的要求。因此，根据使用工况自动控制喷油量及喷油时间的电子控制装置和能够高压喷射的组合蓄压式喷射装置等已在工程机械柴油机上使用。使用电控系统的柴油机，其优越性就在于它能使柴油机实现精确的多功能自动调节。例如：控制烟度和极限功率，得到所需要的各种不同的柴油机功率和转矩特性曲线；控制柴油机的启动和暖车过程，得到良好的启动性能和消除启动冒烟；在柴油机的运转中保持最佳的供油量、喷油定时及供油速率，实现预喷射，以保证柴油机在各种工况下动力性、燃料使用经济性和排放指标都能得到综合的优化结果；使柴油机具有所需要的加速性能、调速性能和其他特定的性能；对增压柴油机自动进行高海拔条件下的补偿；在柴油机小负荷工况下可实现部分气缸停缸运转；根据柴油机负荷变化情况自动调整怠速转速；控制废气再循环，提高柴油机排放的净化程度，对增压柴油机的增压系统进行控制，包括放气阀、可变几何截面装置、中冷器旁通等，保持良好的充气性能，即充气量、充气系数、充气特性等；对冷却风扇的转速进行控制，既保持柴油机正常工作温度，又减少柴油机功率损失；实现颤振阻尼，以提高配有柴油机的工程机械的驾驶性能；根据柴油温度进行自动补偿；与整车的电控系统相联接，实现顺序换档、行驶控制等操作；此外，还具有诊断、监测、报警、保护等功能，减少柴油机的故障，提高柴油机的可靠性。在电控喷射方面柴油机与汽油