第一章 MTU柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理簡(jiǎn)介

第一節(jié)    柴油機(jī)功率的標(biāo)定

柴油發(fā)電機(jī)組是由內(nèi)燃機(jī)和同步發(fā)電機(jī)組合而成的。內(nèi)燃機(jī)允許使用的最大功率受零部件的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷的限制,因此,需規(guī)定允許連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的最大功率,稱(chēng)為標(biāo)定功率。

內(nèi)燃機(jī)不能超過(guò)標(biāo)定功率使用,否則會(huì)縮短其使用壽命,甚至可能造成事故。

柴油機(jī)的標(biāo)定功率

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,在內(nèi)燃機(jī)銘牌上的標(biāo)定功率分為下列四類(lèi)：

 (1)15分鐘功率。即內(nèi)燃機(jī)允許連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)15分鐘的最大有效功率。是短時(shí)間內(nèi)可能超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)和要求具有加速性能的標(biāo)定功率,如汽車(chē)、摩托車(chē)等內(nèi)燃機(jī)的標(biāo)定功率。

 (2)1小時(shí)功率。即內(nèi)燃機(jī)允許連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)1小時(shí)的最大有效功率。如輪式拖拉機(jī)、機(jī)車(chē)、船舶等內(nèi)燃機(jī)的標(biāo)定功率。

 (3)12小時(shí)功率。即內(nèi)燃機(jī)允許連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)12小時(shí)的最大有效功率。如電站機(jī)組、工程機(jī)械用的內(nèi)燃機(jī)標(biāo)定功率。

 (4)持續(xù)功率。即內(nèi)燃機(jī)允許長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的最大有效功率。

對(duì)于一臺(tái)機(jī)組,柴油機(jī)輸出的功率是指它的曲軸輸出的機(jī)械功率。根據(jù)規(guī)定,電站用柴油機(jī)的功率標(biāo)定為12小時(shí)功率。即柴油機(jī)在大氣壓力為101．325kPa,環(huán)境氣溫為20℃,相對(duì)濕度為50％標(biāo)準(zhǔn)工況下,柴油機(jī)以額定轉(zhuǎn)速連續(xù)12小時(shí)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),達(dá)到的有效功率,用Ne表示。

一般進(jìn)口柴油機(jī),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(dāng)于我國(guó)12小時(shí)功率和1小時(shí)功率之分。

柴油機(jī)是內(nèi)燃機(jī)的一種類(lèi)型,是現(xiàn)代廣泛應(yīng)用的發(fā)動(dòng)機(jī)之一。它是將柴油噴射到汽缸內(nèi)與空氣混合燃燒得到熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。目前,通信和其他國(guó)民經(jīng)濟(jì)部門(mén)的自備電站主要依靠它作動(dòng)力帶動(dòng)同步交流發(fā)電機(jī)發(fā)電。當(dāng)市電停電時(shí),依靠該機(jī)組發(fā)電,提供交流電源,保證通信設(shè)備或其他電器的用電。本章就MTU柴油發(fā)電機(jī)組柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理分別進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

第二節(jié)    MTU柴油機(jī)的總體結(jié)構(gòu)與型號(hào)命名規(guī)則

柴油機(jī)是實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的動(dòng)力設(shè)備,它由下述基本部分組成：

總體結(jié)構(gòu)

1．首先欲得到熱能,這就必須提供一定數(shù)量的燃料,送進(jìn)燃燒室與空氣充分混合燃燒產(chǎn)生熱量,因此,必須有燃料系統(tǒng)。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(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能,需要通過(guò)曲軸連桿機(jī)構(gòu)來(lái)完成。此機(jī)構(gòu)主要由汽缸體、曲軸箱、汽缸蓋、活塞、活塞銷(xiāo)、連桿、曲軸和飛輪等零件構(gòu)成。當(dāng)燃料在燃燒室內(nèi)著火燃燒時(shí),由于燃?xì)獾呐蛎涀饔迷诨钊敳慨a(chǎn)生壓力,推動(dòng)活塞作直線的往復(fù)運(yùn)動(dòng),借助連桿轉(zhuǎn)變曲軸旋轉(zhuǎn)力矩,使曲軸帶動(dòng)工作機(jī)械(負(fù)荷)作功。

3．對(duì)于一臺(tái)設(shè)備要連續(xù)實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能,還必須配備一套配氣機(jī)構(gòu)來(lái)保證定期吸入新鮮空氣,排出燃燒后的廢氣。此機(jī)構(gòu)由進(jìn)氣門(mén)、排氣門(mén)、凸輪軸及驅(qū)動(dòng)零件等組成。

4．為了減少柴油機(jī)的摩擦損失,保證各零部件的正常溫度,柴油機(jī)必須有潤(rùn)滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。潤(rùn)滑系統(tǒng)應(yīng)由機(jī)油泵、機(jī)油濾清器和潤(rùn)滑油道組成。冷卻系統(tǒng)血由水泵、散熱器、節(jié)溫器、風(fēng)扇和水套等部件組成。

5．為了使柴油機(jī)能迅速啟動(dòng),還需配置啟動(dòng)裝置,對(duì)柴油機(jī)啟動(dòng)進(jìn)行控制。根據(jù)不同的啟動(dòng)方法,啟動(dòng)裝置配備的零部件,通常采用電動(dòng)馬達(dá)或氣動(dòng)馬達(dá)啟動(dòng),對(duì)于大功率的機(jī)組,則采用壓縮空氣啟動(dòng)。

柴油機(jī)總體結(jié)構(gòu)一般包括上述幾大系統(tǒng),但由于汽缸數(shù)、汽缸排列方式和冷卻方式的不同,因此,各種機(jī)型在結(jié)構(gòu)上略有差異。MTU柴油機(jī)的基本結(jié)構(gòu),如下圖所示。

MTU發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)命名規(guī)則：(以16V2000系列發(fā)動(dòng)機(jī)為例來(lái)說(shuō)明)

16V 2000 G22TD、16V 2000 G62TD、16V 2000 G22TB、16V 2000 G62TB型發(fā)動(dòng)機(jī)名稱(chēng)符號(hào)的含義：

16 = 氣缸數(shù)

V = V型

2000 = 每缸排量,單位cm³

G = 陸用發(fā)電動(dòng)力

2+6 = 應(yīng)用段,頻率50赫茲

2 = 設(shè)計(jì)標(biāo)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(fā)動(dòng)機(jī)名稱(chēng)符號(hào)的含義：

16 = 氣缸數(shù)

V = V 型

2000 = 每缸排量,單位cm³

G = 陸用發(fā)電動(dòng)力

4+8 = 應(yīng)用范圍,頻率60 赫茲

2 = 設(shè)計(jì)標(biāo)志

TD = 空氣/空氣增壓空氣冷卻

TB = 外部增壓空氣冷卻

第三節(jié) 柴油機(jī)的常用名詞

工作循環(huán)

內(nèi)燃機(jī)中熱能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)化,是通過(guò)活塞在汽缸內(nèi)工作,連續(xù)進(jìn)行進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣四個(gè)過(guò)程來(lái)完成的。機(jī)器每進(jìn)行這樣一個(gè)過(guò)程稱(chēng)為一個(gè)工作循環(huán)。在內(nèi)燃機(jī)的一每個(gè)工作循環(huán)中,活塞在氣缸中作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)二次,曲軸(飛輪)旋轉(zhuǎn)2周。

上止點(diǎn)和下止點(diǎn)

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí),活塞在氣缸中作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng),活塞所在的最高處和最低處即為上止點(diǎn)和下止點(diǎn)。

活塞沖程

上、下止點(diǎn)之間的最小直線距離,稱(chēng)為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的沖程。曲軸與連桿大端的連接中心到曲軸的旋轉(zhuǎn)中心之間的最小直線距離稱(chēng)為曲柄的旋轉(zhuǎn)半徑。

工作容積

活塞從上止點(diǎn)到下止點(diǎn)所掃過(guò)的汽缸容積,稱(chēng)為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作容積(或稱(chēng)活塞排量)。

壓縮比

活塞處于下止點(diǎn)時(shí)氣缸的容積,與活塞處于上止點(diǎn)時(shí)氣缸的容積之比,稱(chēng)為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比。

壓縮比越大。表明活塞運(yùn)動(dòng)時(shí),氣體被壓縮得越厲害,其氣體的溫度和壓力就越高,內(nèi)燃機(jī)的效率也越高。

第四節(jié) 四沖程柴油機(jī)的做功原理

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程其實(shí)跟汽油發(fā)動(dòng)機(jī)一樣的,每個(gè)工作循環(huán)也經(jīng)歷進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣四個(gè)沖程。但由于柴油機(jī)用的燃料是柴油,其粘度比汽油大,不易蒸發(fā),而其自燃溫度卻較汽油低,因此可燃混合氣的形成及點(diǎn)火方式都與汽油機(jī)不同。

在熱力過(guò)程中,只有在“工質(zhì)”膨脹過(guò)程才具有做功能力,而我們要求發(fā)動(dòng)機(jī)能連續(xù)不斷地產(chǎn)生機(jī)械功,就必須使工質(zhì)反復(fù)進(jìn)行膨脹。因此,必須設(shè)法使工質(zhì)重新恢復(fù)到初始狀態(tài),然后,再進(jìn)行膨脹。因此,柴油機(jī)必須經(jīng)過(guò)進(jìn)氣、壓縮、膨脹、排氣四個(gè)熱力過(guò)程之后,才能恢復(fù)到起始狀態(tài),使柴油機(jī)連續(xù)不斷地產(chǎn)生機(jī)械功,故上述四個(gè)熱力過(guò)程稱(chēng)為一個(gè)工作循環(huán)。

四沖程柴油機(jī)的工作原理與四沖程汽油機(jī)基本相同,是在活塞運(yùn)動(dòng)四個(gè)沖程內(nèi),即活塞上下二次、曲軸旋轉(zhuǎn)2周,完成進(jìn)氣、壓縮、膨脹、排氣四個(gè)過(guò)程。下圖為四沖程柴油機(jī)的工作循環(huán)原理示意圖。四個(gè)沖程的過(guò)程如下：

進(jìn)氣沖程

進(jìn)氣沖程的目的是吸入新鮮空氣,為燃料燃燒作好準(zhǔn)備。要實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣,缸內(nèi)與缸外要形成壓差。因此,此沖程排氣門(mén)關(guān)閉,進(jìn)氣門(mén)打開(kāi),活塞由上止點(diǎn)向下止點(diǎn)移動(dòng),活塞上方的汽缸內(nèi)的容積逐漸擴(kuò)大,壓力降低,缸內(nèi)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(jīng)進(jìn)氣門(mén)被吸入汽缸,活塞到達(dá)下止點(diǎn)時(shí),進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉,進(jìn)氣沖程結(jié)束。

壓縮沖程

壓縮沖程的目的是提高汽缸內(nèi)空氣的壓力和溫度,為燃料燃燒創(chuàng)造條件。由于進(jìn)、排氣門(mén)都已關(guān)閉,汽缸內(nèi)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(jī)略有不同。當(dāng)活塞接近上止點(diǎn)時(shí),缸內(nèi)空氣壓力達(dá)(3000~5000)kPa,溫度達(dá)500~700℃,遠(yuǎn)超過(guò)柴油的自燃溫度。

膨脹(做功) 沖程

當(dāng)活塞上行將終了時(shí),噴油器開(kāi)始將柴油噴入汽缸,成為霧狀的細(xì)小油滴與空氣混合成可燃混合氣,并立即自燃,此時(shí),汽缸內(nèi)的壓力迅速上升到約6000~9000kPa,溫度高達(dá)1800~2200℃。在高溫、高壓氣體的推力作用下,活塞向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)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(mén)被打開(kāi)為止。

排氣沖程

排氣沖程的目的是清除缸內(nèi)的廢氣。做功沖程結(jié)束后,缸內(nèi)的燃?xì)庖殉蔀閺U氣,其溫度下降到800~900℃,壓力下降到294~392kPa,此時(shí),排氣門(mén)打開(kāi),進(jìn)氣門(mén)仍關(guān)閉,活塞從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)移動(dòng),在缸內(nèi)殘存壓力和活塞推力的作用下,廢氣被排出缸外。當(dāng)活塞又到上止點(diǎn)時(shí),排氣過(guò)程結(jié)束。

排氣過(guò)程結(jié)束后,排氣門(mén)關(guān)閉,進(jìn)氣門(mén)又打開(kāi),重復(fù)進(jìn)行下一個(gè)循環(huán),周而復(fù)始不斷對(duì)外作功。

柴油機(jī)在進(jìn)氣沖程中吸入的是純空氣。在壓縮行程接近終了時(shí),柴油經(jīng)噴油泵將油壓提高到10MPa以上,通過(guò)噴油器噴入氣缸,在很短時(shí)間內(nèi)與壓縮后的高溫空氣混合,形成可燃混合氣。

由于柴油機(jī)壓縮比高（一般為16-22）,所以壓縮終了時(shí)氣缸內(nèi)空氣壓力可達(dá)3.5-4.5MPa,同時(shí)溫度高達(dá)750-1000K（而汽油機(jī)在此時(shí)的混合氣壓力會(huì)為0.6-1.2MPa,溫度達(dá)600-700K）,大大超過(guò)柴油的自燃溫度。因此柴油在噴入氣缸后,在很短時(shí)間內(nèi)與空氣混合后便立即自行發(fā)火燃燒。氣缸內(nèi)的氣壓急速上升到6-9MPa,溫度也升到2000-2500K。在高壓氣體推動(dòng)下,活塞向下運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)而作功,廢氣同樣經(jīng)排氣管排入大氣中。

第五節(jié) 柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)與主要組成部分

第六節(jié) 發(fā)動(dòng)機(jī)排和缸的命名

發(fā)動(dòng)機(jī)排的命名總是按面向輸出端來(lái)觀察的。左排缸標(biāo)識(shí)為A 排,右排缸標(biāo)識(shí)為B 排（按照DIN ISO 1204 標(biāo)準(zhǔn)）。每排氣缸由輸出端起,從1 開(kāi)始連續(xù)編號(hào)。

發(fā)動(dòng)機(jī)的其它零部件也是由輸出端起,從1 開(kāi)始連續(xù)編號(hào)的。

第六節(jié) 柴油機(jī)的燃油系統(tǒng)

燃油系統(tǒng)概述

柴油機(jī)的燃油噴射系統(tǒng)是柴油機(jī)的控制中心或“心臟”。許多不同類(lèi)型的燃油噴射系統(tǒng)盡管設(shè)計(jì)或型號(hào)不同,其作用是按照柴油機(jī)工作過(guò)程的需要,將一定數(shù)量的柴油,在一定的時(shí)間內(nèi)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(tǒng)必須滿足下列要求：

1.      噴油應(yīng)正時(shí)

2.      噴油量的計(jì)量(測(cè)定)

3.      燃油必須加壓

4.      燃油必須霧化

5.      燃油應(yīng)按柴油機(jī)發(fā)火的次序進(jìn)行分配

6.      起始噴射和終止噴射的迅速控制

 

傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)速器

傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)速器種類(lèi)很多,用于直列式油泵和噴油嘴系統(tǒng)、分配式油泵和噴油嘴系統(tǒng)等,有機(jī)械飛錘式或液壓式等。機(jī)械調(diào)速器的性能有很大的局限性,一般用于500KVA以下的小型發(fā)電機(jī)組。

 

電子調(diào)速器

噴油的控制由電子調(diào)速器實(shí)現(xiàn),但執(zhí)行機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)速器一樣,即油門(mén),齒條位置決定油門(mén)的大小。與傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)速器相比,電子調(diào)速器反應(yīng)更靈敏、更精確、更多功能,可實(shí)現(xiàn)恒定轉(zhuǎn)速控制。

MTU柴油發(fā)動(dòng)機(jī)則采用更為先進(jìn)的、擁有微處理器的電子控制噴油調(diào)速系統(tǒng),作為MDEC發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的一部分,我們將在下一章專(zhuān)門(mén)介紹。

第七節(jié) 柴油機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)

發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過(guò)程和排氣過(guò)程的控制機(jī)構(gòu)。其作用是按照配氣正時(shí)的要求,在規(guī)定的時(shí)刻開(kāi)啟和關(guān)閉進(jìn)、排氣門(mén),以保證汽缸排除廢氣,吸進(jìn)新鮮氣體,使工作循環(huán)不間斷地進(jìn)行。

 

氣門(mén)組件

氣門(mén)組件包括氣門(mén)、氣門(mén)導(dǎo)管、氣門(mén)彈簧和彈簧座及其鎖緊裝置等零件。

 

進(jìn)排氣系統(tǒng)

1.      進(jìn)氣系統(tǒng)和空氣濾清器

2.      排氣系統(tǒng)和消聲器

 

渦輪增壓器

渦輪增壓器結(jié)構(gòu)和原理：禍輪增壓器由渦殼、噴嘴環(huán)、渦輪和轉(zhuǎn)子軸組成。徑流式渦輪增壓器工作時(shí),柴油機(jī)徘出的廢氣進(jìn)入增壓器的渦輪殼后,沿著增壓器的轉(zhuǎn)子軸的軸線的垂直平面(即徑向)流動(dòng)。這是由于當(dāng)氣流通過(guò)噴嘴時(shí),一部分壓能和熱能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能,獲得高速氣流。由噴嘴環(huán)出來(lái)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(dòng)方向,在離心力的作用下,氣流質(zhì)點(diǎn)投向葉片凹面,壓力增加而相對(duì)速度降低；葉片凸面上則相對(duì)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(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)的力矩,因而從葉輪流出的廢氣經(jīng)由渦輪中心沿軸排出。中型柴油機(jī)大多采用徑流式渦輪增壓器。

第八節(jié) 柴油機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)

柴油機(jī)運(yùn)行時(shí),各運(yùn)動(dòng)零件相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面之間必然會(huì)產(chǎn)生摩擦。對(duì)于金屬表面來(lái)說(shuō),若直接摩擦,其摩擦力是很大的,這不僅使柴油機(jī)的內(nèi)部功率損耗增加,零件工作表面迅速磨損,而且由于摩擦?xí)r產(chǎn)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(jī)無(wú)法工作。因此,凡是有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件必須加以潤(rùn)滑,也就是在摩擦表面覆蓋一層潤(rùn)滑油(俗稱(chēng)機(jī)油),使固體摩擦成為液體摩擦,以減小摩擦阻力,降低內(nèi)部功率損耗,減輕機(jī)件磨損,延長(zhǎng)柴油機(jī)的使用壽命。柴油機(jī)的潤(rùn)滑由潤(rùn)滑系統(tǒng)不實(shí)現(xiàn)。

潤(rùn)滑系統(tǒng)的主要部件

1.    機(jī)油泵

2.    機(jī)油濾清裝置

3.    機(jī)油冷卻裝置

4.    低油壓自動(dòng)保護(hù)停機(jī)裝置

5.    指示裝置

第九節(jié) 柴油機(jī)的冷卻系統(tǒng)

柴油機(jī)運(yùn)行時(shí),燃油在燃燒室內(nèi)燃燒產(chǎn)生大量的熱量,使汽缸內(nèi)氣體溫度高達(dá)1800~2500℃,大約有三分之一左右的熱量被柴油機(jī)的零件所吸收,尤其直接與高溫氣體接觸的機(jī)件,如活塞、汽缸蓋、汽缸、氣門(mén)等機(jī)件強(qiáng)烈受熱,若不采取適當(dāng)?shù)睦鋮s措施,將會(huì)造成嚴(yán)重后果：受熱后的機(jī)件,溫度很高,強(qiáng)度下降,甚至燒壞變形,破壞正常的間隙,潤(rùn)滑油也會(huì)因溫度升高而變稀,失去應(yīng)有的潤(rùn)滑作用,加劇運(yùn)動(dòng)機(jī)件的磨損和變形,甚至引起潤(rùn)滑油燃燒和機(jī)件的粘結(jié),使柴油機(jī)無(wú)法繼續(xù)工作,因此,為保證柴油機(jī)正常運(yùn)行,必須進(jìn)行冷卻。但是,由于柴油機(jī)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(jī)的冷卻必須適度。若冷卻過(guò)度,一方面熱量散失過(guò)多,使轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ臒崃繙p少,另一方面溫度過(guò)低,不利于可燃混合氣的形成和燃燒。

由此可知,柴油機(jī)工作溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)降低它的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。冷卻系統(tǒng)的是保持柴油機(jī)在最適宜的溫度狀態(tài)下工作,以獲得良好的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和耐久性。

水冷卻系統(tǒng)的主要部件

1.    水泵

2.    散熱水箱

3.    風(fēng)扇

4.    水溫調(diào)節(jié)與節(jié)溫器

5.    水溫表

6.    防凍液