柴油機的組成與分類
(壹)柴油機的組成
柴油機是壹種將柴油在發動機內部燃燒,並將燃燒釋放出的熱能通過活塞曲柄連桿機構轉變為機械能的熱力發動機。圖5-1為活塞式柴油機裝置示意圖。它是由壹個獨立的發動機所構成。工作時將柴油和空氣直接送到發動機的氣缸內部進行燃燒,放出熱能,形成高溫、高壓的燃氣,推動活塞移動。然後通過曲柄連桿機構對外輸出機械能。
圖5-l 柴油機裝置示意圖
1—氣缸體;2—噴油器;3—進氣門;4—排氣門;5—活塞;6—連桿;7—曲軸
柴油機是壹種比較復雜的動力機械;在地勘鉆探工程施工中,被列為重要的鉆孔施工配套設備。其主要由以下機構和系統組成。
1.機體
機體是柴油機的基礎部件,起支承和保護機件的作用。它由氣缸頭(蓋)、氣缸體、曲軸箱、油底殼、機座等組成。這些零件構成了柴油機骨架,所有運動件和輔助系統都支承在它上面。
2.曲柄連桿機構
曲柄連桿機構是柴油機的主要運動件。它由活塞、連桿、曲軸、飛輪等組成(圖5-2)。曲柄連桿機構中的活塞與氣缸***同組成可變的承壓室,承受氣體壓力。燃氣壓力將推動活塞運動,通過連桿和曲軸,變往復運動為旋轉運動,實現熱功交換,保證柴油機連續工作。
圖5-2 曲柄連桿機械
3.配氣機構與進、排氣系統
配氣機構與進、排氣系統的作用是配合曲柄連桿機構運動,定時開閉進氣門與排氣門(或氣窗),實現吸氣和排氣,提供燃料燃燒所需要的充足氧氣,以保證燃燒過程的充分進行。
柴油機的配氣系統主要是由進、排氣門、氣門彈簧、氣門座、搖臂、挺桿、推桿、配氣凸輪軸以及空氣濾清器、排氣消音器、進排氣管道等組成(圖5-3)。
4.燃料供給與調節系統
燃油供給與調節系統的作用是依據工作情況而變量供給燃料,並在壓縮沖程末期定時向氣缸中噴射具有壹定壓力、質量、射程的霧狀柴油,以便與經過壓縮的高溫、高壓空氣相遇時迅速自燃。
柴油機燃油供給與調節系統由油箱、輸油泵、柴油濾清器、噴油泵、噴油器以及調速器等組成(圖5-4)。
圖5-3 頂置式配氣系統
1—凸輪;2—挺桿;3—推桿;4—搖臂軸;5—調整螺釘;6—氣門搖臂;7—氣門鎖夾;8—氣門彈簧座;9—氣門彈簧;10—氣門導管;11—氣門
圖5-4 X4105型柴油機燃油供給系統
1—輸油泵;2—噴油泵;3—調速器;4—高壓油管;5—預熱器;6—噴油器(嘴);7—回油管;8—油杯;9—濾清器
5.潤滑系統
潤滑系統是關系到柴油機壽命和工作情況的重要系統。它的作用有4個主要方面:①是向運動表面提供潤滑油,變幹摩擦為濕摩擦,以減輕機件的磨損,降低摩擦消耗功。②是通過潤滑油的流動,帶走摩擦熱和磨屑,使冷卻機件防止因受熱嚴重而變形卡滯,使零件保持正確的配合關系。③是密封運動間隙,防止氣缸漏氣,損失動力。④是保護金屬表面,防止氧化生銹。
柴油機潤滑系統由油底殼、機油泵、濾清器、散熱器以及壓力調節、安全裝置、儀表(油溫表、油壓表)等組成(圖5-5)。
6.冷卻系統
冷卻系的作用是將受熱嚴重的機件(如氣缸、氣缸蓋等)用冷卻介質帶走熱量,以防止因過熱而造成機件強度、剛度下降,幾何尺寸的改變及運動偶件卡滯等現象。另外,潤滑油溫度高,會失去潤滑效果,也需要冷卻。
柴油機的冷卻介質是水與空氣,因而它的冷卻方式有水冷和風冷兩種。
柴油機水冷卻系統主要由水箱、散熱器、水泵、風扇、節溫器及水溫表等組成(圖5-6)。因為水冷卻效果可靠,故得到廣泛的采用。
圖5-5 X4105型柴油機潤滑系統
1—機油泵;2—油溫表;3—濾網盤;4—油底殼;5—曲軸;6—主軸道;7—油壓表;8—氣缸頭;9—搖臂;10—凸輪軸;11—濾清器;12—粗濾器;13—安全閥;14—調壓閥;15—散熱器
圖5-6 強制循環水冷系統
1—氣缸蓋;2—氣缸體;3—機油冷卻器;4—水泵;5—散熱水箱;6—風扇;7—回水
風冷卻系統多用於高速移動式小功率柴油機上,由風扇、風屏等組成。
7.啟動系統
柴油機由靜止狀態轉入運動狀態,必須借助外力轉動曲軸,將空氣吸入氣缸,並在規定時刻噴油燃燒做功,才能開始進行工作循環。柴油機上設立啟動系統就是為其從靜止到工作狀態提供條件。目前國內中、小型柴油機根據用途和結構形式的不同,主要采用以下四種啟動方法:
(1)電力啟動
電力啟動裝置由蓄電池、電動機、繼電調節器、發電機和預熱塞等組成。
這種啟動方式是中等功率柴油機上采用較多的壹種啟動方法,其直流電動機用蓄電池作電源。電力啟動特點是:結構緊湊,操作方便,但可靠性不高,受環境溫度(主要是低溫)影響大;因受蓄電池充電情況的限制,柴油機啟動次數也受限制。
(2)小型汽油機啟動
小型汽油機啟動主要通過小型汽油機和傳動裝置(減速器、離合器、制動器、自動分離機構)來完成。在壹些中等功率的柴油機上采用小汽油機啟動的原因是:啟動性能可靠,受氣溫影響不大,啟動時間和次數不受限制。還可以利用汽油機的冷卻水和排氣管的熱量來預熱主機,提高機體溫度,減小啟動阻力。但結構較復雜,啟動操作不方便。這種方法壹般在嚴寒地區和野外條件下比較適用。
(3)壓縮空氣啟動
壓縮空氣啟動是將高壓空氣按照柴油機工作順序,在做功沖程供入各個氣缸,借助高壓氣體的膨脹推力來推動活塞移動,使曲軸以壹定的轉速旋轉,實現柴油機的啟動。
壓縮空氣啟動裝置主要由貯氣瓶、控制閥、分配器、啟動閥,壓力表等組成(圖5-7)。壓縮空氣啟動壹般用於缸徑大於150mm的大、中型柴油機上。其特點是:具有較大的啟動力矩,啟動可靠快捷,不受低溫環境的影響。但它的結構較復雜,啟動次數受貯氣瓶壓縮空氣的氣壓限制。
圖5-7 壓縮空氣啟動裝置示意圖
1—貯氣瓶;2—啟動控制閥;3—壓力表;4—空氣分配器;5—壓縮空氣管;6—啟動閥
(4)人力啟動
人力啟動壹般只用於中、小型柴油機上,根據結構不同分為手搖啟動、拉繩啟動、慣性啟動和彈簧啟動4種。
許多20馬力以下的柴油機都采用手搖啟動,借助壹個搖把由慢漸快地搖動曲軸達到啟動目的。手搖啟動不僅用來啟動柴油機,有時還用來作為其他啟動方法的後備方法。
拉繩啟動壹般在10馬力以下的柴油機上采用。它借助壹啟動繩在飛輪邊緣凹槽上繞1.5～2圈,拉動啟動繩、飛輪旋轉帶動曲軸轉動,完成柴油機的啟動。
慣性啟動是利用啟動裝置中的儲能飛輪,將人力做的功儲存起來,再釋放這個能量啟動柴油機。在缺乏電源的地區用它來代替電動機,啟動較大功率的柴油機。
彈簧啟動是利用人力轉動手柄改變彈簧的形狀將能量儲存在啟動器內,啟動柴油機時扳動釋放杠桿,把儲存的能量釋放出來進行啟動工作。由於操作簡單,啟動可靠,在低溫區、溫熱帶及環境惡劣地區應用較多。
8.增壓系統
增壓系統的作用是使進氣壓力增高,從而提高柴油機的有效功率。它是在增壓柴油機上裝置的壹種特殊機構——增壓器。
(二)柴油機分類
柴油機的結構形式很多,分類方法也多,主要可按如下方式劃分多種類型:
1.按缸數分類
有單缸、雙缸和多缸式。
2.按冷卻方法分類
有水冷式和風冷式。
3.按轉速分類
有高速機、中速機及低速機。高速機額定轉速在1000r/min以上。中速機額定轉速在600～1000r/min範圍內。低速機額定轉速在600r/min以下。
4.按照用途分類
1)固定式。內燃機在壹固定不變位置進行工作機。如鉆井、固定發電機等所用的內燃機。
2)移動式。作為移動機械動力的內燃機,包括:①汽車,拖拉機用:汽車、拖拉機等所用的內燃機。②船用:能滿足海上工作環境要求,用作船舶動力的內燃機。③鐵路牽引用:作為內燃機車動力用的內燃機。
5.按氣缸排列形式分類
按氣缸排列形式可以分為單列臥式、單列立式、V形並列式和對置臥式等(圖5-8)。
圖5-8 按氣缸排列分類