MTU柴油發動機的結構與原理簡介
第一章 MTU柴油發動機的結構與原理簡介
第一節 柴油機功率的標定
柴油發電機組是由內燃機和同步發電機組合而成的。內燃機允許使用的最大功率受零部件的機械負荷和熱負荷的限制,因此,需規定允許連續運轉的最大功率,稱為標定功率。
內燃機不能超過標定功率使用,否則會縮短其使用壽命,甚至可能造成事故。
柴油機的標定功率
國家標準規定,在內燃機銘牌上的標定功率分為下列四類：
(1)15分鐘功率。即內燃機允許連續運轉15分鐘的最大有效功率。是短時間內可能超負荷運轉和要求具有加速性能的標定功率,如汽車、摩托車等內燃機的標定功率。
(2)1小時功率。即內燃機允許連續運轉1小時的最大有效功率。如輪式拖拉機、機車、船舶等內燃機的標定功率。
(3)12小時功率。即內燃機允許連續運轉12小時的最大有效功率。如電站機組、工程機械用的內燃機標定功率。
(4)持續功率。即內燃機允許長時間連續運轉的最大有效功率。
對于一臺機組,柴油機輸出的功率是指它的曲軸輸出的機械功率。根據規定,電站用柴油機的功率標定為12小時功率。即柴油機在大氣壓力為101．325kPa,環境氣溫為20℃,相對濕度為50％標準工況下,柴油機以額定轉速連續12小時正常運轉時,達到的有效功率,用Ne表示。
一般進口柴油機,其功率分為主用功率和備用功率,兩者功率之比為0．91：1,相當于我國12小時功率和1小時功率之分。
柴油機是內燃機的一種類型,是現代廣泛應用的發動機之一。它是將柴油噴射到汽缸內與空氣混合燃燒得到熱能轉變為機械能的熱力發動機。目前,通信和其他國民經濟部門的自備電站主要依靠它作動力帶動同步交流發電機發電。當市電停電時,依靠該機組發電,提供交流電源,保證通信設備或其他電器的用電。本章就MTU柴油發電機組柴油機的結構和原理分別進行簡單的介紹。
第二節 MTU柴油機的總體結構與型號命名規則
柴油機是實現熱能轉變為機械能的動力設備,它由下述基本部分組成：
總體結構
1．首先欲得到熱能,這就必須提供一定數量的燃料,送進燃燒室與空氣充分混合燃燒產生熱量,因此,必須有燃料系統。它包括柴油箱、輸油泵、柴油濾清器、噴油泵和噴油嘴等零部件。
2．為了將得到的熱能轉變為機械能,需要通過曲軸連桿機構來完成。此機構主要由汽缸體、曲軸箱、汽缸蓋、活塞、活塞銷、連桿、曲軸和飛輪等零件構成。當燃料在燃燒室內著火燃燒時,由于燃氣的膨脹作用在活塞頂部產生壓力,推動活塞作直線的往復運動,借助連桿轉變曲軸旋轉力矩,使曲軸帶動工作機械(負荷)作功。
3．對于一臺設備要連續實現熱能轉變為機械能,還必須配備一套配氣機構來保證定期吸入新鮮空氣,排出燃燒后的廢氣。此機構由進氣門、排氣門、凸輪軸及驅動零件等組成。
4．為了減少柴油機的摩擦損失,保證各零部件的正常溫度,柴油機必須有潤滑系統和冷卻系統。潤滑系統應由機油泵、機油濾清器和潤滑油道組成。冷卻系統血由水泵、散熱器、節溫器、風扇和水套等部件組成。
5．為了使柴油機能迅速啟動,還需配置啟動裝置,對柴油機啟動進行控制。根據不同的啟動方法,啟動裝置配備的零部件,通常采用電動馬達或氣動馬達啟動,對于大功率的機組,則采用壓縮空氣啟動。
柴油機總體結構一般包括上述幾大系統,但由于汽缸數、汽缸排列方式和冷卻方式的不同,因此,各種機型在結構上略有差異。MTU柴油機的基本結構,如下圖所示。
MTU發動機型號命名規則：(以16V2000系列發動機為例來說明)
16V 2000 G22TD、16V 2000 G62TD、16V 2000 G22TB、16V 2000 G62TB型發動機名稱符號的含義：
16 = 氣缸數
V = V型
2000 = 每缸排量,單位cm3
G = 陸用發電動力
2+6 = 應用段,頻率50赫茲
2 = 設計標志
TD = 空氣/空氣增壓空氣冷卻
TB = 外部增壓空氣冷卻
16V 2000 G42TD、16V 2000 G82TD、16V 2000 G42TB、16V 2000 G82TB型發動機名稱符號的含義：
16 = 氣缸數
V = V 型
2000 = 每缸排量,單位cm3
G = 陸用發電動力
4+8 = 應用范圍,頻率60 赫茲
2 = 設計標志
TD = 空氣/空氣增壓空氣冷卻
TB = 外部增壓空氣冷卻
第三節 柴油機的常用名詞
工作循環
內燃機中熱能與機械能的轉化,是通過活塞在汽缸內工作,連續進行進氣、壓縮、做功、排氣四個過程來完成的。機器每進行這樣一個過程稱為一個工作循環。在內燃機的一每個工作循環中,活塞在氣缸中作上下往復運動二次,曲軸(飛輪)旋轉2周。
上止點和下止點
柴油發動機工作時,活塞在氣缸中作上下往復運動,活塞所在的最高處和最低處即為上止點和下止點。
活塞沖程
上、下止點之間的最小直線距離,稱為柴油發動機的沖程。曲軸與連桿大端的連接中心到曲軸的旋轉中心之間的最小直線距離稱為曲柄的旋轉半徑。
工作容積
活塞從上止點到下止點所掃過的汽缸容積,稱為柴油發動機的工作容積(或稱活塞排量)。
壓縮比
活塞處于下止點時氣缸的容積,與活塞處于上止點時氣缸的容積之比,稱為柴油發動機的壓縮比。
壓縮比越大。表明活塞運動時,氣體被壓縮得越厲害,其氣體的溫度和壓力就越高,內燃機的效率也越高。
第四節 四沖程柴油機的做功原理
柴油發動機的工作過程其實跟汽油發動機一樣的,每個工作循環也經歷進氣、壓縮、做功、排氣四個沖程。但由于柴油機用的燃料是柴油,其粘度比汽油大,不易蒸發,而其自燃溫度卻較汽油低,因此可燃混合氣的形成及點火方式都與汽油機不同。
在熱力過程中,只有在“工質”膨脹過程才具有做功能力,而我們要求發動機能連續不斷地產生機械功,就必須使工質反復進行膨脹。因此,必須設法使工質重新恢復到初始狀態,然后,再進行膨脹。因此,柴油機必須經過進氣、壓縮、膨脹、排氣四個熱力過程之后,才能恢復到起始狀態,使柴油機連續不斷地產生機械功,故上述四個熱力過程稱為一個工作循環。
四沖程柴油機的工作原理與四沖程汽油機基本相同,是在活塞運動四個沖程內,即活塞上下二次、曲軸旋轉2周,完成進氣、壓縮、膨脹、排氣四個過程。下圖為四沖程柴油機的工作循環原理示意圖。四個沖程的過程如下：
進氣沖程
進氣沖程的目的是吸入新鮮空氣,為燃料燃燒作好準備。要實現進氣,缸內與缸外要形成壓差。因此,此沖程排氣門關閉,進氣門打開,活塞由上止點向下止點移動,活塞上方的汽缸內的容積逐漸擴大,壓力降低,缸內氣體壓力低于大氣壓力約68—93kPa。在大氣壓力的作用下,新鮮空氣經進氣門被吸入汽缸,活塞到達下止點時,進氣門關閉,進氣沖程結束。
壓縮沖程
壓縮沖程的目的是提高汽缸內空氣的壓力和溫度,為燃料燃燒創造條件。由于進、排氣門都已關閉,汽缸內的空氣被壓縮,壓力和溫度亦隨之升高,其升高的程度,取決于被壓縮的程度,不同的柴油機略有不同。當活塞接近上止點時,缸內空氣壓力達(3000~5000)kPa,溫度達500~700℃,遠超過柴油的自燃溫度。
膨脹(做功) 沖程
當活塞上行將終了時,噴油器開始將柴油噴入汽缸,成為霧狀的細小油滴與空氣混合成可燃混合氣,并立即自燃,此時,汽缸內的壓力迅速上升到約6000~9000kPa,溫度高達1800~2200℃。在高溫、高壓氣體的推力作用下,活塞向下止點運動并帶動曲軸旋轉而作功。隨著氣體膨脹活塞下行其壓力逐漸降低,直到排氣門被打開為止。
排氣沖程
排氣沖程的目的是清除缸內的廢氣。做功沖程結束后,缸內的燃氣已成為廢氣,其溫度下降到800~900℃,壓力下降到294~392kPa,此時,排氣門打開,進氣門仍關閉,活塞從下止點向上止點移動,在缸內殘存壓力和活塞推力的作用下,廢氣被排出缸外。當活塞又到上止點時,排氣過程結束。
排氣過程結束后,排氣門關閉,進氣門又打開,重復進行下一個循環,周而復始不斷對外作功。
柴油機在進氣沖程中吸入的是純空氣。在壓縮行程接近終了時,柴油經噴油泵將油壓提高到10MPa以上,通過噴油器噴入氣缸,在很短時間內與壓縮后的高溫空氣混合,形成可燃混合氣。
由于柴油機壓縮比高（一般為16-22）,所以壓縮終了時氣缸內空氣壓力可達3.5-4.5MPa,同時溫度高達750-1000K（而汽油機在此時的混合氣壓力會為0.6-1.2MPa,溫度達600-700K）,大大超過柴油的自燃溫度。因此柴油在噴入氣缸后,在很短時間內與空氣混合后便立即自行發火燃燒。氣缸內的氣壓急速上升到6-9MPa,溫度也升到2000-2500K。在高壓氣體推動下,活塞向下運動并帶動曲軸旋轉而作功,廢氣同樣經排氣管排入大氣中。
第五節 柴油機的結構與主要組成部分
第六節 發動機排和缸的命名
發動機排的命名總是按面向輸出端來觀察的。左排缸標識為A 排,右排缸標識為B 排（按照DIN ISO 1204 標準）。每排氣缸由輸出端起,從1 開始連續編號。
發動機的其它零部件也是由輸出端起,從1 開始連續編號的。
第六節 柴油機的燃油系統
燃油系統概述
柴油機的燃油噴射系統是柴油機的控制中心或“心臟”。許多不同類型的燃油噴射系統盡管設計或型號不同,其作用是按照柴油機工作過程的需要,將一定數量的柴油,在一定的時間內以一定的壓力使柴油霧化噴入汽缸,與壓縮空氣形成均勻的可燃混合氣而燃燒。
燃油噴射系統必須滿足下列要求：
1. 噴油應正時
2. 噴油量的計量(測定)
3. 燃油必須加壓
4. 燃油必須霧化
5. 燃油應按柴油機發火的次序進行分配
6. 起始噴射和終止噴射的迅速控制
傳統的機械調速器
傳統的機械調速器種類很多,用于直列式油泵和噴油嘴系統、分配式油泵和噴油嘴系統等,有機械飛錘式或液壓式等。機械調速器的性能有很大的局限性,一般用于500KVA以下的小型發電機組。
電子調速器
噴油的控制由電子調速器實現,但執行機構與傳統的機械調速器一樣,即油門,齒條位置決定油門的大小。與傳統的機械調速器相比,電子調速器反應更靈敏、更精確、更多功能,可實現恒定轉速控制。
MTU柴油發動機則采用更為先進的、擁有微處理器的電子控制噴油調速系統,作為MDEC發動機管理系統的一部分,我們將在下一章專門介紹。
第七節 柴油機的配氣機構
發動機的配氣機構是實現發動機進氣過程和排氣過程的控制機構。其作用是按照配氣正時的要求,在規定的時刻開啟和關閉進、排氣門,以保證汽缸排除廢氣,吸進新鮮氣體,使工作循環不間斷地進行。
氣門組件
氣門組件包括氣門、氣門導管、氣門彈簧和彈簧座及其鎖緊裝置等零件。
進排氣系統
1. 進氣系統和空氣濾清器
2. 排氣系統和消聲器
渦輪增壓器
渦輪增壓器結構和原理：禍輪增壓器由渦殼、噴嘴環、渦輪和轉子軸組成。徑流式渦輪增壓器工作時,柴油機徘出的廢氣進入增壓器的渦輪殼后,沿著增壓器的轉子軸的軸線的垂直平面(即徑向)流動。這是由于當氣流通過噴嘴時,一部分壓能和熱能轉換為動能,獲得高速氣流。由噴嘴環出來的高速氣流按一定方向流入葉輪,在葉輪中被迫沿著彎曲通道改變流動方向,在離心力的作用下,氣流質點投向葉片凹面,壓力增加而相對速度降低；葉片凸面上則相對速度提高而壓力降低,因此,作用在葉片凹凸面上的氣流合力(即壓力差)在渦輪軸上形成推動葉片旋轉的力矩,因而從葉輪流出的廢氣經由渦輪中心沿軸排出。中型柴油機大多采用徑流式渦輪增壓器。
第八節 柴油機的潤滑系統
柴油機運行時,各運動零件相對運動表面之間必然會產生摩擦。對于金屬表面來說,若直接摩擦,其摩擦力是很大的,這不僅使柴油機的內部功率損耗增加,零件工作表面迅速磨損,而且由于摩擦時產生大量熱量,零件溫度極高,甚至可能使某些零件表面熔化,使柴油機無法工作。因此,凡是有相對運動的零件必須加以潤滑,也就是在摩擦表面覆蓋一層潤滑油(俗稱機油),使固體摩擦成為液體摩擦,以減小摩擦阻力,降低內部功率損耗,減輕機件磨損,延長柴油機的使用壽命。柴油機的潤滑由潤滑系統不實現。
潤滑系統的主要部件
1. 機油泵
2. 機油濾清裝置
3. 機油冷卻裝置
4. 低油壓自動保護停機裝置
5. 指示裝置
第九節 柴油機的冷卻系統
柴油機運行時,燃油在燃燒室內燃燒產生大量的熱量,使汽缸內氣體溫度高達1800~2500℃,大約有三分之一左右的熱量被柴油機的零件所吸收,尤其直接與高溫氣體接觸的機件,如活塞、汽缸蓋、汽缸、氣門等機件強烈受熱,若不采取適當的冷卻措施,將會造成嚴重后果：受熱后的機件,溫度很高,強度下降,甚至燒壞變形,破壞正常的間隙,潤滑油也會因溫度升高而變稀,失去應有的潤滑作用,加劇運動機件的磨損和變形,甚至引起潤滑油燃燒和機件的粘結,使柴油機無法繼續工作,因此,為保證柴油機正常運行,必須進行冷卻。但是,由于柴油機是依靠壓燃方式工作的,需要有一定的汽缸溫度,才能使柴油充分燃燒,因此,柴油機的冷卻必須適度。若冷卻過度,一方面熱量散失過多,使轉變為有用功的熱量減少,另一方面溫度過低,不利于可燃混合氣的形成和燃燒。
由此可知,柴油機工作溫度過高或過低都會降低它的動力性和經濟性。冷卻系統的是保持柴油機在最適宜的溫度狀態下工作,以獲得良好的經濟性、動力性和耐久性。
水冷卻系統的主要部件
1. 水泵
2. 散熱水箱
3. 風扇
4. 水溫調節與節溫器
5. 水溫表
6. 防凍液