MTU柴油发动机的结构与原理简介

第一节    柴油机功率的标定

柴油发电机组是由内燃机和同步发电机组合而成的。内燃机允许使用的最大功率受零部件的机械负荷和热负荷的限制,因此,需规定允许连续运转的最大功率,称为标定功率。
内燃机不能超过标定功率使用,否则会缩短其使用寿命,甚至可能造成事故。
柴油机的标定功率
国家标准规定,在内燃机铭牌上的标定功率分为下列四类：
(1)15分钟功率。即内燃机允许连续运转15分钟的最大有效功率。是短时间内可能超负荷运转和要求具有加速性能的标定功率,如汽车、摩托车等内燃机的标定功率。
(2)1小时功率。即内燃机允许连续运转1小时的最大有效功率。如轮式拖拉机、机车、船舶等内燃机的标定功率。
(3)12小时功率。即内燃机允许连续运转12小时的最大有效功率。如电站机组、工程机械用的内燃机标定功率。
(4)持续功率。即内燃机允许长时间连续运转的最大有效功率。
对于一台机组,柴油机输出的功率是指它的曲轴输出的机械功率。根据规定,电站用柴油机的功率标定为12小时功率。即柴油机在大气压力为101．325kPa,环境气温为20℃,相对湿度为50％标准工况下,柴油机以额定转速连续12小时正常运转时,达到的有效功率,用Ne表示。
一般进口柴油机,其功率分为主用功率和备用功率,两者功率之比为0．91：1,相当于我国12小时功率和1小时功率之分。

柴油机是内燃机的一种类型,是现代广泛应用的发动机之一。它是将柴油喷射到汽缸内与空气混合燃烧得到热能转变为机械能的热力发动机。目前,通信和其他国民经济部门的自备电站主要依靠它作动力带动同步交流发电机发电。当市电停电时,依靠该机组发电,提供交流电源,保证通信设备或其他电器的用电。本章就MTU柴油发电机组柴油机的结构和原理分别进行简单的介绍。

第二节    MTU柴油机的总体结构与型号命名规则

柴油机是实现热能转变为机械能的动力设备,它由下述基本部分组成：

总体结构
．首先欲得到热能,这就必须提供一定数量的燃料,送进燃烧室与空气充分混合燃烧产生热量,因此,必须有燃料系统。它包括柴油箱、输油泵、柴油滤清器、喷油泵和喷油嘴等零部件。
2．为了将得到的热能转变为机械能,需要通过曲轴连杆机构来完成。此机构主要由汽缸体、曲轴箱、汽缸盖、活塞、活塞销、连杆、曲轴和飞轮等零件构成。当燃料在燃烧室内着火燃烧时,由于燃气的膨胀作用在活塞顶部产生压力,推动活塞作直线的往复运动,借助连杆转变曲轴旋转力矩,使曲轴带动工作机械(负荷)作功。
3．对于一台设备要连续实现热能转变为机械能,还必须配备一套配气机构来保证定期吸入新鲜空气,排出燃烧后的废气。此机构由进气门、排气门、凸轮轴及驱动零件等组成。
4．为了减少柴油机的摩擦损失,保证各零部件的正常温度,柴油机必须有润滑系统和冷却系统。润滑系统应由机油泵、机油滤清器和润滑油道组成。冷却系统血由水泵、散热器、节温器、风扇和水套等部件组成。
5．为了使柴油机能迅速启动,还需配置启动装置,对柴油机启动进行控制。根据不同的启动方法,启动装置配备的零部件,通常采用电动马达或气动马达启动,对于大功率的机组,则采用压缩空气启动。

柴油机总体结构一般包括上述几大系统,但由于汽缸数、汽缸排列方式和冷却方式的不同,因此,各种机型在结构上略有差异。MTU柴油机的基本结构,如下图所示。

MTU发动机型号命名规则：(以16V2000系列发动机为例来说明)

16V 2000 G22TD、16V 2000 G62TD、16V 2000 G22TB、16V 2000 G62TB型发动机名称符号的含义：
16 = 气缸数
V = V型
2000 = 每缸排量,单位cm3
G = 陆用发电动力
2+6 = 应用段,频率50赫兹
2 = 设计标志
TD = 空气/空气增压空气冷却
TB = 外部增压空气冷却
16V 2000 G42TD、16V 2000 G82TD、16V 2000 G42TB、16V 2000 G82TB型发动机名称符号的含义：
16 = 气缸数
V = V 型
2000 = 每缸排量,单位cm3
G = 陆用发电动力
4+8 = 应用范围,频率60 赫兹

2 = 设计标志
TD = 空气/空气增压空气冷却
TB = 外部增压空气冷却

第三节 柴油机的常用名词

工作循环
内燃机中热能与机械能的转化,是通过活塞在汽缸内工作,连续进行进气、压缩、做功、排气四个过程来完成的。机器每进行这样一个过程称为一个工作循环。在内燃机的一每个工作循环中,活塞在气缸中作上下往复运动二次,曲轴(飞轮)旋转2周。

上止点和下止点
柴油发动机工作时,活塞在气缸中作上下往复运动,活塞所在的最高处和最低处即为上止点和下止点。

活塞冲程
上、下止点之间的最小直线距离,称为柴油发动机的冲程。曲轴与连杆大端的连接中心到曲轴的旋转中心之间的最小直线距离称为曲柄的旋转半径。

工作容积
活塞从上止点到下止点所扫过的汽缸容积,称为柴油发动机的工作容积(或称活塞排量)。

压缩比
活塞处于下止点时气缸的容积,与活塞处于上止点时气缸的容积之比,称为柴油发动机的压缩比。
压缩比越大。表明活塞运动时,气体被压缩得越厉害,其气体的温度和压力就越高,内燃机的效率也越高。

第四节 四冲程柴油机的做功原理

柴油发动机的工作过程其实跟汽油发动机一样的,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,其粘度比汽油大,不易蒸发,而其自燃温度却较汽油低,因此可燃混合气的形成及点火方式都与汽油机不同。

在热力过程中,只有在“工质”膨胀过程才具有做功能力,而我们要求发动机能连续不断地产生机械功,就必须使工质反复进行膨胀。因此,必须设法使工质重新恢复到初始状态,然后,再进行膨胀。因此,柴油机必须经过进气、压缩、膨胀、排气四个热力过程之后,才能恢复到起始状态,使柴油机连续不断地产生机械功,故上述四个热力过程称为一个工作循环。

四冲程柴油机的工作原理与四冲程汽油机基本相同,是在活塞运动四个冲程内,即活塞上下二次、曲轴旋转2周,完成进气、压缩、膨胀、排气四个过程。下图为四冲程柴油机的工作循环原理示意图。四个冲程的过程如下：

进气冲程
进气冲程的目的是吸入新鲜空气,为燃料燃烧作好准备。要实现进气,缸内与缸外要形成压差。因此,此冲程排气门关闭,进气门打开,活塞由上止点向下止点移动,活塞上方的汽缸内的容积逐渐扩大,压力降低,缸内气体压力低于大气压力约68—93kPa。在大气压力的作用下,新鲜空气经进气门被吸入汽缸,活塞到达下止点时,进气门关闭,进气冲程结束。

压缩冲程
压缩冲程的目的是提高汽缸内空气的压力和温度,为燃料燃烧创造条件。由于进、排气门都已关闭,汽缸内的空气被压缩,压力和温度亦随之升高,其升高的程度,取决于被压缩的程度,不同的柴油机略有不同。当活塞接近上止点时,缸内空气压力达(3000~5000)kPa,温度达500~700℃,远超过柴油的自燃温度。

膨胀(做功) 冲程
当活塞上行将终了时,喷油器开始将柴油喷入汽缸,成为雾状的细小油滴与空气混合成可燃混合气,并立即自燃,此时,汽缸内的压力迅速上升到约6000~9000kPa,温度高达1800~2200℃。在高温、高压气体的推力作用下,活塞向下止点运动并带动曲轴旋转而作功。随着气体膨胀活塞下行其压力逐渐降低,直到排气门被打开为止。

排气冲程
排气冲程的目的是清除缸内的废气。做功冲程结束后,缸内的燃气已成为废气,其温度下降到800~900℃,压力下降到294~392kPa,此时,排气门打开,进气门仍关闭,活塞从下止点向上止点移动,在缸内残存压力和活塞推力的作用下,废气被排出缸外。当活塞又到上止点时,排气过程结束。
排气过程结束后,排气门关闭,进气门又打开,重复进行下一个循环,周而复始不断对外作功。

柴油机在进气冲程中吸入的是纯空气。在压缩行程接近终了时,柴油经喷油泵将油压提高到10MPa以上,通过喷油器喷入气缸,在很短时间内与压缩后的高温空气混合,形成可燃混合气。
由于柴油机压缩比高（一般为16-22）,所以压缩终了时气缸内空气压力可达3.5-4.5MPa,同时温度高达750-1000K（而汽油机在此时的混合气压力会为0.6-1.2MPa,温度达600-700K）,大大超过柴油的自燃温度。因此柴油在喷入气缸后,在很短时间内与空气混合后便立即自行发火燃烧。气缸内的气压急速上升到6-9MPa,温度也升到2000-2500K。在高压气体推动下,活塞向下运动并带动曲轴旋转而作功,废气同样经排气管排入大气中。

第五节 柴油机的结构与主要组成部分
第六节 发动机排和缸的命名

发动机排的命名总是按面向输出端来观察的。左排缸标识为A 排,右排缸标识为B 排（按照DIN ISO 1204 标准）。每排气缸由输出端起,从1 开始连续编号。
发动机的其它零部件也是由输出端起,从1 开始连续编号的。

第六节 柴油机的燃油系统

燃油系统概述
柴油机的燃油喷射系统是柴油机的控制中心或“心脏”。许多不同类型的燃油喷射系统尽管设计或型号不同,其作用是按照柴油机工作过程的需要,将一定数量的柴油,在一定的时间内以一定的压力使柴油雾化喷入汽缸,与压缩空气形成均匀的可燃混合气而燃烧。

燃油喷射系统必须满足下列要求：
1.      喷油应正时
2.      喷油量的计量(测定)
3.      燃油必须加压
4.      燃油必须雾化
5.      燃油应按柴油机发火的次序进行分配
6.      起始喷射和终止喷射的迅速控制

传统的机械调速器
传统的机械调速器种类很多,用于直列式油泵和喷油嘴系统、分配式油泵和喷油嘴系统等,有机械飞锤式或液压式等。机械调速器的性能有很大的局限性,一般用于500KVA以下的小型发电机组。
电子调速器
喷油的控制由电子调速器实现,但执行机构与传统的机械调速器一样,即油门,齿条位置决定油门的大小。与传统的机械调速器相比,电子调速器反应更灵敏、更精确、更多功能,可实现恒定转速控制。
MTU柴油发动机则采用更为先进的、拥有微处理器的电子控制喷油调速系统,作为MDEC发动机管理系统的一部分,我们将在下一章专门介绍。

第七节 柴油机的配气机构

发动机的配气机构是实现发动机进气过程和排气过程的控制机构。其作用是按照配气正时的要求,在规定的时刻开启和关闭进、排气门,以保证汽缸排除废气,吸进新鲜气体,使工作循环不间断地进行。

气门组件

气门组件包括气门、气门导管、气门弹簧和弹簧座及其锁紧装置等零件。
进排气系统

1.      进气系统和空气滤清器
2.      排气系统和消声器

涡轮增压器

涡轮增压器结构和原理：祸轮增压器由涡壳、喷嘴环、涡轮和转子轴组成。径流式涡轮增压器工作时,柴油机徘出的废气进入增压器的涡轮壳后,沿着增压器的转子轴的轴线的垂直平面(即径向)流动。这是由于当气流通过喷嘴时,一部分压能和热能转换为动能,获得高速气流。由喷嘴环出来的高速气流按一定方向流入叶轮,在叶轮中被迫沿着弯曲通道改变流动方向,在离心力的作用下,气流质点投向叶片凹面,压力增加而相对速度降低；叶片凸面上则相对速度提高而压力降低,因此,作用在叶片凹凸面上的气流合力(即压力差)在涡轮轴上形成推动叶片旋转的力矩,因而从叶轮流出的废气经由涡轮中心沿轴排出。中型柴油机大多采用径流式涡轮增压器。

第八节 柴油机的润滑系统

柴油机运行时,各运动零件相对运动表面之间必然会产生摩擦。对于金属表面来说,若直接摩擦,其摩擦力是很大的,这不仅使柴油机的内部功率损耗增加,零件工作表面迅速磨损,而且由于摩擦时产生大量热量,零件温度极高,甚至可能使某些零件表面熔化,使柴油机无法工作。因此,凡是有相对运动的零件必须加以润滑,也就是在摩擦表面覆盖一层润滑油(俗称机油),使固体摩擦成为液体摩擦,以减小摩擦阻力,降低内部功率损耗,减轻机件磨损,延长柴油机的使用寿命。柴油机的润滑由润滑系统不实现。

润滑系统的主要部件
1.    机油泵
2.    机油滤清装置
3.    机油冷却装置
4.    低油压自动保护停机装置
5.    指示装置

第九节 柴油机的冷却系统

柴油机运行时,燃油在燃烧室内燃烧产生大量的热量,使汽缸内气体温度高达1800~2500℃,大约有三分之一左右的热量被柴油机的零件所吸收,尤其直接与高温气体接触的机件,如活塞、汽缸盖、汽缸、气门等机件强烈受热,若不采取适当的冷却措施,将会造成严重后果：受热后的机件,温度很高,强度下降,甚至烧坏变形,破坏正常的间隙,润滑油也会因温度升高而变稀,失去应有的润滑作用,加剧运动机件的磨损和变形,甚至引起润滑油燃烧和机件的粘结,使柴油机无法继续工作,因此,为保证柴油机正常运行,必须进行冷却。但是,由于柴油机是依靠压燃方式工作的,需要有一定的汽缸温度,才能使柴油充分燃烧,因此,柴油机的冷却必须适度。若冷却过度,一方面热量散失过多,使转变为有用功的热量减少,另一方面温度过低,不利于可燃混合气的形成和燃烧。
由此可知,柴油机工作温度过高或过低都会降低它的动力性和经济性。冷却系统的是保持柴油机在最适宜的温度状态下工作,以获得良好的经济性、动力性和耐久性。
水冷却系统的主要部件
1.    水泵
2.    散热水箱
3.    风扇
4.    水温调节与节温器
5.    水温表
6.    防冻液