第8章-工程机械用柴油机构造

第八章工程机械用柴油机构造第一节机体组件、曲柄连杆机构与配气机构第二节柴油机燃油供给系第三节柴油机的润滑系统、冷却系统、启动装置第一节机体组件、曲柄连杆机构与配气机构机体组件与曲柄连杆机构是柴油机的承力和传力机构。配气机构是按照发动机各气缸燃烧顺序的要求，在每一工作循环中按时开启和关闭各气缸的进排气门，以保证各缸准时吸进清洁的空气或可燃混合气，准时排出废气。一、机体组件机体组件包括气缸体、曲轴箱、气缸套、气缸盖和气缸垫等零件。（一）气缸体气缸体用来安装气缸套，水冷发动机的气缸体通常和支承曲轴的上曲轴箱铸成一体，总称气缸体。它是发动机的基础和骨架，其上几乎安装着发动机的所有零部件和辅件，承受各种载荷的作用。因此要求缸体具有足够的强度和刚度，又尽可能使尺寸小、质量轻、造价低。通常用铸铁铸造，也有用铝合金铸造。气缸体分为有机座与无机座两种，工程机械及汽车用的发动机缸体一般采用无机座形式。常见气缸分布形式有单列直立式、V型、单列卧式及卧式对置等。气缸数在6缸以下的发动机常采用单列直立式；8缸以上的发动机多采用V型；单列卧式和卧式对置的缸体用在对发动机高度尺寸要求小的场合，使用不多。水冷式发动机的气缸体横断面结构形式通常有三种：拱桥式、隧道式和无裙式（图8—2）。图8—3所示是柴油机的气缸体总成，其上部、下部、前端、后端的加工面分别安装气缸和气缸盖、油底壳、正时齿轮室盖22、飞轮壳10，在四周的加工面或支架上安装着各种辅件。气缸体为隧道式结构，缸体和曲轴箱合铸为一体，由水平隔壁分开为上下两部分。上部有六个气缸套座孔，采用湿式缸套，座孔间有连通的冷却水腔。从飞轮端看缸体右侧有推杆室，外侧有三个用盖板封闭的观察孔，便于检查和拆装挺杆、推杆机构。缸体右下侧有安装配气凸轮轴的座孔。下部曲轴箱中有七道横隔板，上面加工有曲轴主轴承的安装座孔。曲轴箱左侧有六个观察窗口，用以检查曲柄连杆机构，拆装连杆及机油泵集滤器等，窗孔用三块盖板1、4封闭，盖板1上装有带滤网的通气管。（二）气缸套镶入气缸体的缸筒称为气缸套。气缸套与活塞、气缸盖共同组成燃烧室和工作容积，并引导活塞作直线运动，而且又是散热通道。气缸套可分为干式缸套和湿式缸套两种。干式缸套见图8—4a，其外圆表面不直接与冷却水接触；壁厚较薄，一般为1～3mm，通常采用过渡配合装入气缸体座孔内。这种缸套刚度好，不存在漏水问题，但维修不方便，散热效果差，故使用较少。湿式缸套见图8—4b，其外圆表面直接与冷却水接触。湿式缸套冷却效果好，加工容易，修理拆装方便，使用普遍，但易产生漏水，故必须掌握正确的安装工艺。（三）缸盖和气缸垫气缸盖用来封闭气缸顶面，与气缸和活塞共同组成燃烧室和工作腔。气缸盖结构分为单体式（一缸一盖）、块式（二缸或三缸一盖）和整体式（多缸共用一盖）。图8—5所示是柴油机的气缸盖，属块式结构与缸体安装时通过两个定位套筒定位。（四）油底壳油底壳即下曲轴箱，用来封闭机体下部，收集和贮存润滑油，多用钢板压制，有的采用铝合金或铸铁铸造。见图8—6，内部一般加装稳油板，防止润滑油激烈震荡。壳侧面装有油尺，检查机油量。壳底部一般加工有深池部位，机油泵由此吸油供给润滑系，防止机械斜坡作业时，由于发动机倾斜而造成吸油中断。在壳底最低位置处装有放油螺塞，上面一般嵌有磁铁，用来吸附润滑油中金属屑末。二、曲柄连杆机构曲柄连杆机构包括活塞组、连杆组、曲轴飞轮组及固定的气缸体曲轴箱等组件。（一）活塞组活塞组主要包括活塞、活塞环及活塞销等零件。活塞组的功用是：与气缸套、气缸盖一起组成燃烧室；承受燃气压力，并把它传递给连杆；密封气缸，防止缸内气体泄漏入曲轴箱和曲轴箱内机油窜入燃烧室；传递热量，将活塞顶部接受的热量通过气缸壁传给冷却介质。1.活塞（piston）活塞是活塞组中的最主要承力和传力零件，要求它在高温下有足够的机械强度，重量轻、导热性好，热膨胀系数小，具有良好的耐磨、耐腐蚀性能。高速发动机的活塞材料一般都采用铝合金，其中硅铝合金铸造活塞使用最为广泛，国外也有锻铝活塞；另外在大型中、低速柴油机上采用铸铁活塞。活塞的整体构造可分为顶部1、头部2和裙部4三部分，见图8—7。活塞顶部是燃烧室的组成部分，其结构形状和燃烧系的要求密切相关，分为平顶、凸顶和凹顶三种。柴油机多用凹顶活塞，即顶面有各种形状凹坑，有ω型凹坑，有圆柱深盆形凹坑等。活塞头部切有环槽，安装活塞环，通过活塞环实现密封和传热。环槽分为气环槽6和油环槽7，气环槽一般有2～3道，在上面；油环槽有1～2道，在下面，且在槽底面钻有许多小通孔8，使油槽从缸壁上刮下的多余机油流回曲轴箱。从活塞顶部到头部的内表面有较大的过渡圆弧，有利于顶部热量迅速分散于侧面传出，消除应力集中，提高承载能力。为保证活塞与缸壁间的配合间隙均匀而合理，常温下通常将活塞裙部加工成椭圆形，长轴垂直于活塞销轴线方向（图8—8）；活塞侧表面加工成上小下大的截锥形或阶梯形（图8—9）。这样活塞在工作中变形后，裙部可近似恢复成正圆形，侧表面可近似恢复成正圆柱形，使合理的配合间隙得到保证。图8—8活塞裙部工作时的变形否则，如果常温下裙部加工成圆形，则工作中由于裙部在侧压力作用下，使直径沿活塞销轴线方向上变长（图8—8b）；在顶部气体压力作用下，同样使裙部沿销轴线方向变长（图8—8a）；活塞销座孔处金属的堆积及销与座孔摩擦而引起的温升，又进一步使裙部沿销轴线方向的膨胀变形量增大（图8—8c）。2.活塞环（pistonring）活塞环是具有一定弹性的金属开口圆环。自由状态下的外径大于气缸直径，装入气缸后其外圆面紧贴气缸壁。按功用活塞环分为气环和油环两种。气环的功用是密封和传热。油环的功用是刮油和布油。气环在工作中会产生向上泵油的副作用（图8—11）。3.活塞销（pistonpin）活塞销用来连接连杆小头与活塞并传递动力。活塞销在高温下承受很大的周期性冲击载荷，因此要求它强度高，韧性好，重量轻，表面耐磨。活塞销形状为空心圆柱体，有的使壁厚向两端逐渐减薄，做成等强度结构。活塞销的装配广泛采用浮动式，即工作中活塞销相对于连杆小头衬套和活塞销座孔均能作相对运动。为防止活塞销轴向窜动刮伤缸壁，它在两端用卡环限位。（二）连杆组连杆组包括连杆，连杆螺栓、连杆轴瓦和连杆小头衬套等零件。连杆是一个较长的构件，工作中既有上下往复运动又有摆动，既承受活塞销传来的气体压力，又承受活塞连杆组件运动时的惯性力，这些力的大小和方向周期性变化，使连杆产生冲击性的交变应力。（三）曲轴飞轮组曲轴飞轮组主要包括曲轴、飞轮和扭转减振器等零件。1.曲轴曲轴的功用是将连杆传来的气体压力转变为扭矩，作为动力而输出作功；并驱动配气机构等辅助装置。由于曲轴工作中受到变化的气体压力和惯性力作用，并传递转矩，受力情况复杂，使内部产生拉、压、弯、扭交变应力，并有扭转振动，因此要求曲轴具有较好的强度和刚度，轴颈表面耐磨，润滑可靠，重量轻，平衡良好，运转平稳，避免在工作转速范围内出现扭转共振。曲轴可分为整体式和组合式两类。整体式曲轴采用整体制造，强度和刚度好，结构紧凑，重量轻，工作可靠，使用广泛；组合式曲轴又分为圆盘组合式、套合式和分段式三种。曲轴的构造通常分为主轴颈、连杆轴颈、曲柄臂、曲轴前端和曲轴后端几部分。主轴颈是曲轴在气缸体上的支承部分。根据支承情况，曲轴可分为全支承和非全支承两种。全支承曲轴是每两个气缸间都设有支承点；非全支撑曲轴是每隔两个气缸设一个支承点。柴油机由于爆发压力高，因此一般都采用全支承曲轴。2.飞轮飞轮是一个轮缘较厚的圆盘零件，由铸铁或铸钢制造，安装在曲轴后端的连接盘上。飞轮的功用是储存作功行程的部分能量，带动曲柄连杆结构越过止点，克服非作功行程的阻力和短暂的超负荷，另外飞轮又是发动机向外传递动力的主要机件。3.扭转减振器发动机的曲柄连杆机构是一个复杂的扭转振动系统。减振器一般安装在振幅最大的曲轴前段。常用的减振器有橡胶减振器、硅油减振器和硅油橡胶减振器等。三、配气机构配气机构一般由气门组和气门传动组组成。它的结构形式分为顶置气门式和侧置气门式。（一）配气机构组件1.气门组（1）气门气门由菌状的头部和圆柱形的杆部组成。头部多为平顶的，制造方便，吸热面积小。头部与气门座的配合为锥面，锥面多为45°或30°。气门与气门座须经配对研磨，其密封环带宽度以1～2mm为宜。头部与杆部用过渡圆弧连接，保证气流的流通断面大和流动阻力小。气门杆与气门导管应很好配合，以保证其导向作用。杆的尾部，有装弹簧锁片的锥形环槽。（2）气门弹簧气门弹簧的功用是利用其弹力来关闭气门。（3）气门座气门座可以在气缸盖上直接镗出。但考虑它在高温下工作磨损严重，故一般用耐热合金钢或合金铸铁单独制成，然后压入缸盖中。（4）气门导管气门导管的主要功用是保证气门能沿本身轴线作上下往复直线运动，使气门与气门座能正确配合。2.气门传动组（1）凸轮轴凸轮轴是控制各缸进、排气门开启和关闭的主要零件。（2）挺柱对顶置气门式配气机构而言，挺柱的主要功用是将凸轮的推力传给推杆、摇臂，开启气门。（3）推杆推杆的功用是将挺杆传来的推力传给摇臂。为了减轻重量，推杆一般用空心的钢管制成。（4）摇臂摇臂的功用是将推杆传来的力改变方向和大小后作用在气门上，用以开启气门。摇臂的两臂是不等长的，长臂a用以开启气门，短臂b拧入调整螺钉用以调整气门间隙。这种结构可在凸轮的升程不大的条件下气门有较大的开度。（二）配气相位与气门间隙1.配气相位发动机的每个气缸的进、排气门开始开启和关闭终了的时刻，用曲拐相对于上、下止点位置的曲轴转角来表示，称配气相位。用环行图来表示的配气相位，称配气相位图。如图8—27所示。（三）进、排气管系统进、排气管系统包括进、排气管，空气滤清器和消声器。为避免进气管受热减小充气量，柴油机通常将进、排气管分装在机体两侧。进、排气管均为整体结构，装有两个空气滤清器（图中只示出一个）。为保证进、排气管的密封，各结合面均有石棉垫片。为了减小噪声和消除废气中的火焰及火星，在排气管的出口处装有排气消声器。图8-28柴油机的进、排气管及空气滤清器1.进气管；2.空气滤清器；3.排气管图8—29为一般排气消声器结构，主要由外壳、内管及隔板组成。两个隔板将消声器分成三个大小不等的消声室。当废气流入内管后，经其上大小不等的小孔进、出消声室，不断进行膨胀、冷却消耗能量，使流速及波动幅度减小，噪声随之减弱。图8—30为综合式空气滤清器，主要由滤清器盖、滤芯及带有机油盘的滤清器壳等主要件组成。滤芯可用金属丝、纤维或毛毡等材料制成。（四）废气涡轮增压利用柴油机的废气通过涡轮驱动压气机来提高进气压力提高进气量，称为废气涡轮增压。废气涡轮增压器的重要性能指标是其出口压力与进口压力之比，称作增压比。比值小于1.4为低增压比，大于2.0为高增压比，介于二者之间为中增压比。柴油机采用废气涡轮增压后，能使功率明显提高，单位功率的质量减小，外形尺寸缩小，节约原材料，燃油消耗率降低。图8—31为废气涡轮增压器工作原理示意图。将柴油机的排气管2连接在增压器的涡轮壳4的入口处。具有500～650℃高温和一定压力的废气，经涡轮壳入口进入喷嘴环1。由于喷嘴环的通道面积是由大逐渐变小，而使废气的压力和温度下降的同时，流速迅速提高。高速的废气流，按着一定的方向冲击着涡轮3，使涡轮高速旋转，并带动压力机叶轮6同步旋转，把经空气滤清器滤清的空气吸入压气机内。第二节柴油机燃油供给系柴油机燃油供给系的任务就是按照柴油机工作次序及不同工况的要求，在每一工作循环中，把干净、高压柴油按一定的规律和要求供给气缸，使其与空气形成可燃混合气并自行着火燃烧。一、燃油供给系的组成图8—32为柴油机燃油供给系示意图，主要由燃油箱、滤清器、输油泵、喷油泵、喷油器、油管及燃烧室组成。二、可燃混合气的燃烧过程1.混合气的形成特点柴油机是利用柴油的着火性好而采用自燃的着火方式，其混合气的形成时间极短，混合气极不均匀。由