柴油发动机结构及示功图研发.ppt

柴油发动机结构及示功图 弘深土建 王文彬 柴油发动机结构及示功图 最新研发版 内容 一 系统构造 二 工作原理及其示功图 三 柴油机与汽油机的简单比较 柴油发动机是燃烧柴油来获取能量释放的发动机 它是由德国发明家鲁道夫 狄塞尔 RudolfDiesel 于1892年发明的 为了纪念这位发明家 柴油就是用他的姓Diesel来表示 而柴油发动机也称为狄塞尔发动机 Dieselengine 柴油机的基本构成 两大机构曲柄连杆机构配气机构 五大系统燃料供给系统冷却系统润滑系统进排气系统起动系统 骨架机体气缸套曲轴箱气缸盖油底壳 柴油发动机的优点是扭矩大 经济性能好 柴油发动机的工作过程与汽油发动机有许多相同的地方 每个工作循环也经历进气 压缩 做功 排气四个冲程 但由于柴油机用的燃料是柴油 它的粘度比汽油大 不容易蒸发 而其自燃温度却比汽油低 因此 可燃混合气的形成及点火方式都与汽油机不同 不同之处主要有 柴油发动机的气缸中的混合气是压燃的 而非点燃的 柴油发动机工作时 进入气缸的是空气 气缸中的空气压缩到终点的时候 温度可以达到500 700 压力可以达到40 50个大气压 活塞接近上止点时 供油系统的喷油嘴以极高的压力在极短的时间内向气缸燃烧室喷射燃油 柴油形成细微的油粒 与高压高温的空气混合 可燃混合气自行燃烧 猛烈膨胀产生爆发力 推动活塞下行做功 此时温度可达1900 2000 压力可达60 100个大气压 产生的扭矩很大 所以柴油发动机广泛的应用于大型柴油设备上 传统柴油发动机的特点 热效率和经济性较好 柴油机采用压缩空气的办法来提高空气温度 使空气温度超过柴油的自燃点 这时再喷入柴油 柴油喷雾和空气混合的同时自己点火燃烧 因此 柴油发动机无需点火系统 同时 柴油机的供油系统也相对简单 因此柴油发动机的可靠性要比汽油发动机的好 由于不受爆燃的限制以及柴油自燃的需要 柴油机压缩比很高 热效率和经济性都要好于汽油机 同时在相同功率的情况下 柴油机的扭矩大 最大功率时的转速低 适合于载货汽车的使用 但柴油机由于工作压力大 要求各有关零件具有较高的结构强度和刚度 所以柴油机比较笨重 体积较大 柴油机的喷油泵与喷嘴制造精度要求高 所以成本较高 另外 柴油机工作粗暴 振动噪声大 柴油不易蒸发 冬季冷车时起动困难 由于上述特点 以前柴油发动机一般用于大 中型载重货车上 传统上 柴油发动机由于比较笨重 升功率指标不如汽油机 转速较低 噪声 振动较高 炭烟与颗粒 PM 排放比较严重 所以一直以来很少受到轿车的青睐 特别是小型高速柴油发动机的新发展 一批先进的技术 例如电控直喷 共轨 涡轮增压 中冷等技术得以在小型柴油发动机上应用 使原来柴油发动机存在的缺点得到了较好的解决 而柴油机在节能与CO2排放方面的优势 则是包括汽油机在内的所有热力发动机无法取代的 成为 绿色发动机 一 柴油机外壳 空滤 增压器 机滤 水滤 启动电机 充电机 缸盖 输油泵 柴滤 ECU 油底壳 排烟出口 散热器 风扇 废气管 预热装置 狄塞尔生于1858年 德国人 毕业于慕尼黑工业大学 1879年 狄塞尔大学毕业 当上了一名冷藏专业工程师 在工作中狄塞尔深感当时的蒸气机效率极低 萌发了设计新型发动机的念头 在积蓄了一些资金后 狄塞尔辞去了制冷工程师的职务 自己开办了一家发动机实验室 针对蒸汽机效率低的弱点 狄塞尔专注于开发高效率的内燃机 19世纪末 石油产品在欧洲极为罕见 于是狄塞尔决定选用植物油来解决机器的燃料问题 他用于实验的是花生油 因为植物油点火性能不佳 无法套用奥托内燃机的结构 狄塞尔决定另起炉灶 提高内燃机的压缩比 利用压缩产生的高温高压点燃油料 后来 这种压燃式发动机循环便被称为狄塞尔循环 像所有伟大的发明家一样 狄塞尔的前进道路上困难重重 实验证明 植物油燃烧不稳定 成本也太高 难以承担狄塞尔的 重任 好在当时石油制品在欧洲逐渐普及 狄塞尔选择了本来用于取暖的重馏分燃油 柴油作为机器的燃料 压燃式发动机的结构强度始终是个难题 一次实验中 汽缸上的零件象炮弹碎片一样四处飞散 差点儿造成人员伤亡 实验不顺利 狄塞尔的资金也渐渐耗尽 他不得不回到制冷机工厂谋生 但狄塞尔没有向困难屈服 他利用业余时间继续实验 一步步完善自己的机器 1892年 狄塞尔终于研发出一台实用的柴油动力压燃式发动机 这种发动机扭矩大 油耗低 可使用劣质燃油 显示出辉煌的发展前景 狄塞尔随即投入到柴油机生产的商业冒险中 不幸的是 作为优秀的工程师 狄塞尔缺乏商业头脑 他在经济上渐渐陷入困境 1913年狄塞尔已处于破产的边缘 但狄塞尔发明的柴油机 在汽车 船舶和整个工业领域得到越来越广泛的发展 1976年 德国大众首先在高尔夫轿车上采用柴油发动机 1989年 德国大众高尔夫柴油车获得 低排放车 的称号 同年大众从Fiat的研发机构获得部分技术 制造出第一台带有增压 直喷技术的5缸发动机R5TDI 这台发动机被放在奥迪100车型上试用 一 柴油机外壳 一机体作功系统 组成1 柴油发动机应用广泛 处在所属产业链的相对核心的位置 在过去十多年的发展中 柴油发动机生产业形成了一系列的配套企业 很多的柴油发动机企业更多充当了总承装配者的角色 而柴油发动机的一些关键的零部件 曲柄连杆 活塞 气缸套 凸轮已交由专业公司生产 专业化分工使得柴油发动机厂商能更加集中自身的优势 专注于柴油发动机的设计的和制造 柴油发动机产业链图柴油发动机主要用于最终配套产品 比如大功率高速柴油机主要配套重型汽车 大型客车 工程机械 船舶 发电机组等 因此 柴油机行业的发展在很大程度上取决于相关终端产品市场情况 在农用柴油机领域 发展中国家的市场增长将弥补发达国家的市场滑落 全球人口的快速增长 以及老旧设备的更新换代都对农业机械有较大需求 全球农用柴油机市场将呈现高速增长 在航空发动机领域 发动机产业是航空工业的核心细分子行业 未来发展前景非常广阔 综合以上对各领域的分析 我们认为 全球柴油发动机将保持8 的速度稳步向前发展 一 柴油机外壳 一机体作功系统 组成2 一 柴油机外壳 一机体作功系统 组成3 一 柴油机外壳 一机体作功系统 组成4 活塞 活塞环 连杆 泵喷嘴 一 柴油机外壳 一机体作功系统 组成5 飞轮 活塞 活塞环 连杆 曲轴 凸轮轴 气门摇臂 气门顶杆 正时齿轮 中间齿轮 曲轴齿轮 一 柴油机外壳 一机体作功系统 组成6 二 燃油系统 喷油器 油水分离器 手摇泵 高压油泵 滤清器 油箱 燃油系统的构成和油路走向 二 燃油系统 二燃油系统 组成1 二 燃油系统 调速器的功用与类型 功用 柴油发电机组工作时 其负载是变化的 这就要求发电机组输出的功率也要有相应的增加或减少 此外 供电的频率是要求稳定 这就需要柴油机工作时的转速保持稳定 因此一般柴油机都装有调速器 类型 调速器按其工作原理可分为 离心式 气动式 液压式 常见的是离心式 上海科泰电源股份有限公司SHANGHAICOOLTECHPOWERCO LTD 二 燃油系统 二燃油系统 喷油泵 二 燃油系统 二燃油系统 喷油器 二 燃油系统 喷油器结构喷油器工作原理 上海科泰电源股份有限公司SHANGHAICOOLTECHPOWERCO LTD 三 冷却系统 三冷却系统 示意图 冷却水中冷管路图 四 润滑系统 三润滑系统 示意图 润滑系统演示图 组成 由机油泵 机油滤清器 机油冷却器 油底壳 机油集滤器 润滑油道和一些阀门等组成 五 进排气系统 三进排气系统 示意图 进气增压系统 进气中冷器 三进排气系统 凸轮轴 挺柱 推杆 摇臂 凸轮轴正时齿轮 摇臂轴 配气机构 根据发动机的工作顺序和工作过程 定时开启和关闭进气门和排气门 使可燃混合气或空气进入气缸 并使废气从气缸内排出 实现换气过程 配气机构大多采用顶置气门式配气机构 一般由气门组 气门传动组和气门驱动组组成 六 起动系统 24V电瓶 起动开关 飞轮齿圈 驱动齿轮 起动机 起动机结构 内容 一 系统构造 二 工作原理及其示功图 三 柴油机与汽油机的简单比较 柴油机的基本术语 上 下止点缸径行程工作容积 排量燃烧室容积压缩比 柴油机工作原理 燃料与空气混合后在机器内部燃烧而产生热能 然后再转变为机械能 压缩 进气 排气 做功 二 工作原理 工作循环 吸入的是纯空气 气体压力 3 5 4 5MPA 气体温度 750 1000k 汽油机 压力 0 6 1 2MPA温度 600 700K压缩比 11 4 压缩比 16 22 燃油10MPA喷入 燃烧温度提升到 6 9MPA 温度 2000 2500K 柴油自然温度 650K 废气排除 配气相位演示图 进气持续角为 180 排气持续角为 180 由于进气门早开和排气门晚关 就出现了一段进排气门同时开启的现象 称为气门叠开 同时开启的角度 即进气门早开角与排气门晚关角的和 称为气门叠开角 三 示功图的种类和用途 1 p V示功图 计算柴油机的功率调整各缸负荷的均匀性量取最高爆炸压力判断各缸燃烧情况以及计算缸内瞬时温度等 2 p V转角示功图传动机构的小曲柄超前所测气缸曲柄82 利用小活塞的最大运动速度带动转筒快速转动 以记录气缸内上止点附近的压力变化 即将上止点附近缸内压力 曲线横坐标放宽 功用 定性分析研究缸内燃烧过程 但图形已失去示功图原形 不能作为计算功率的依据 3 手拉展开示功图在不能测取p V转角示功图的柴油机上 为了能研究缸内燃烧过程情况 如发火时刻等 可测取手拉展开图 此时转筒机构的绳索用手工快速拉动 4 梳形图如需较准确的测取缸内最高爆发压力 pz 和压缩压力 pc 可测取梳形图 此时可慢慢拉动示功器转筒绳索 测出多条pz线和pc线 单缸停油 5 弱弹簧示功图研究和检查换气过程的情况 则应测取弱弹簧示功图 示功器应换用1 1标准活塞和软弹簧 6 p 示功图 用电子示功器测取 功用 计算柴油机的指示功率评估燃烧与扫气过程测取缸内最高爆发压力pz和压缩压力pc计算放热率 测定发火角 一 正常示功图的特征 船舶试航报告提供 1 工作过程曲线圆滑 曲线过渡处无锐角或突变形状 2 工作过程各主要特征值 如最高爆发压力pz 压缩压力pc等符合试航报告的规定值 3 工作过程曲线无异常波动现象 4 示功图尾部形状应符合不同扫气形式的正常轨迹 各缸有关热力参数的不均匀度应满足如下要求 工作参数不均匀度 压缩压力pc 5最高爆发压力pz 5平均指示压力pi 5排气温度Tr 5 中 高速增压机为8 其中 二 示功图的计算 1 面积仪法hi f L mm Pi hi M 2 十等分法 内容 一 系统构造 二 工作原理及其示功图 三 柴油机与汽油机的简单比较 柴油机和汽油机区别 燃料的理化性能决定了汽油机是点燃 柴油机是压燃 柴油机和汽油机区别 燃料特性 柴油 粘度大 挥发性差 自燃性好汽油 粘度小 挥发性好 燃点相对于柴油高燃油供给系统 柴油机 传统的为燃油喷射系统 又称为泵 管 嘴系统 柴油机的燃油喷射系统结构较汽油机复杂 高压油泵需要一套驱动机构来驱动 并要带一套调速机构 近代柴油机很多应用了高压共轨电控系统 单体泵电控系统 汽油机 汽油机主要采用化油器式燃料供给系统 近代汽油机借鉴直喷柴油机的优点 更多的采用了电喷系统 分进气道喷射和气缸内喷射两种 柴油机和汽油机区别 空燃比 柴油机 柴油机空燃比只有一种情况 1 柴油机可实现高增压中冷技术 电控化较汽油机易实现 因而具有升功率高 动力强劲 燃烧更完全和经济性好 排放低等显著特点与优点汽油机 汽油机空气燃料比有三种状态 1 或 1 或 1 汽油机动力和经济性相对较低 废气排放控制技术要求更高 更难 美国德尔福宣布开发出了可更准确检测出机油状态的柴油发动机机油传感器 该传感器通过检测机油的状态来确定机油更换时间 比根据行驶周期进行推算 可大幅度延长更换机油和过滤器的时间间隔 新传感器除测定原来的粘度和介电率外 还测定煤烟含量和燃料对机油的稀释度 从而能更准确地检测出机油状态 将于2009年开始面向卡车厂商量产 由于柴油发动机引擎控制使用多个后喷射的情况增多 经由活塞环掺入机油而稀释机油的燃料量不断增加 这样很容易降低机油的润滑性和粘度 另外 煤烟通过EGR 排气再循环 混入机油的量增加 导致添加剂效果降低 机油粘度升高 由于只测定粘度 容易受这两个相反因素的影响 难以准确掌握机油的恶化程度 燃料对机油的稀释度 可通过改进过的粘度测定系统根据对流时间进行测定 另一方面 煤烟的含有量可通过检测出的介电率变化进行推算 该传感器可测定机油温度和机油量 设想安装于机油箱底壳或引擎体上 外形设计为小尺寸 柴油机和汽油机区别 汽油机与柴油机比较各有特点 汽油机转速高 质量小 噪音小 起动容易 制造成本低 柴油机压缩比大 热效率高 经济性能和排放性能都比汽油机好 这些都是柴油机的显著优势 由于现在燃油价格一路飙升 汽油机的使用成本越来越高 柴油的价格优势掀起了汽改柴的一代潮流 随着柴油机设计水品和柴油机零部件生产工艺的提高 柴油机原有噪声大 体积庞大 质量沉重振动大 制造和维修费用高等问题都得到了克服 柴油机的负荷通常是指柴油机阻力矩的大小 由于平均有效压力与扭矩成正比 所以常用平均有效压力来表示负荷 柴油机的工况是由转速和负荷共同决定的 所谓负荷特性是指柴油机转速不变时 其他主要性能参数 燃油消耗率ge 耗油量Gf和排气温度tr等 随负荷而变化的关系 这时由于转速是常数 所以有效功率可以用来作度量负荷 在发动机调试过程中 经常用负荷特性作为其性能比较的标准 另外 负荷特性给出了在等速条件下 发动机的负荷与燃油消耗率的关系 因此 对负荷可以在很大范围内改变 而转速基本维持不变的固定式发动机 如发电机组用发动机 具有特殊的意义 如果从发动机上测出一系列不同转速下的负荷特性曲线 则可选择出固定式或运输式发动机的最经济工况 柴油机在运转中 充气量变化不大 主要是通过改变每循环供油量来改变混合气的浓度 即过量空气系数 从而调节柴油机的负荷 称为质调节 换句话说 柴油机主要是通过改变喷油泵调节杆的位置 用增加或减少供油量的方法来改变负荷 图是柴油机按负荷特性运转时一些参数随负荷变化的一般规律 柴油机增加负荷就意味着增加每循环供油量 所以耗油量Gf随负荷的增加而增加 而过量空气系数a随负荷的增加而减小 供油量多 放热也多 使排气温度tr随负荷的增加而升高 在空负荷时 Ne 0 Pi Pm 这时m 0 所以ge为无穷大 随着负荷的增加 m迅速上升 而ge反而下降 当负荷增加到A点时 ge达到最小值 再继续增加负荷 由于过量空气系数a减小 混