(一)柴油机的组成
柴油机是一种将柴油在发动机内部燃烧,并将燃烧释放出的热能通过活塞曲柄连杆机构转变为机械能的热力发动机。图5-1为活塞式柴油机装置示意图。它是由一个独立的发动机所构成。工作时将柴油和空气直接送到发动机的气缸内部进行燃烧,放出热能,形成高温、高压的燃气,推动活塞移动。然后通过曲柄连杆机构对外输出机械能。
图5-l 柴油机装置示意图
1—气缸体;2—喷油器;3—进气门;4—排气门;5—活塞;6—连杆;7—曲轴
柴油机是一种比较复杂的动力机械;在地勘钻探工程施工中,被列为重要的钻孔施工配套设备。其主要由以下机构和系统组成。
1.机体
机体是柴油机的基础部件,起支承和保护机件的作用。它由气缸头(盖)、气缸体、曲轴箱、油底壳、机座等组成。这些零件构成了柴油机骨架,所有运动件和辅助系统都支承在它上面。
2.曲柄连杆机构
曲柄连杆机构是柴油机的主要运动件。它由活塞、连杆、曲轴、飞轮等组成(图5-2)。曲柄连杆机构中的活塞与气缸共同组成可变的承压室,承受气体压力。燃气压力将推动活塞运动,通过连杆和曲轴,变往复运动为旋转运动,实现热功交换,保证柴油机连续工作。
图5-2 曲柄连杆机械
3.配气机构与进、排气系统
配气机构与进、排气系统的作用是配合曲柄连杆机构运动,定时开闭进气门与排气门(或气窗),实现吸气和排气,提供燃料燃烧所需要的充足氧气,以保证燃烧过程的充分进行。
柴油机的配气系统主要是由进、排气门、气门弹簧、气门座、摇臂、挺杆、推杆、配气凸轮轴以及空气滤清器、排气消音器、进排气管道等组成(图5-3)。
4.燃料供给与调节系统
燃油供给与调节系统的作用是依据工作情况而变量供给燃料,并在压缩冲程末期定时向气缸中喷射具有一定压力、质量、射程的雾状柴油,以便与经过压缩的高温、高压空气相遇时迅速自燃。
柴油机燃油供给与调节系统由油箱、输油泵、柴油滤清器、喷油泵、喷油器以及调速器等组成(图5-4)。
图5-3 顶置式配气系统
1—凸轮;2—挺杆;3—推杆;4—摇臂轴;5—调整螺钉;6—气门摇臂;7—气门锁夹;8—气门弹簧座;9—气门弹簧;10—气门导管;11—气门
图5-4 X4105型柴油机燃油供给系统
1—输油泵;2—喷油泵;3—调速器;4—高压油管;5—预热器;6—喷油器(嘴);7—回油管;8—油杯;9—滤清器
5.润滑系统
润滑系统是关系到柴油机寿命和工作情况的重要系统。它的作用有4个主要方面:①是向运动表面提供润滑油,变干摩擦为湿摩擦,以减轻机件的磨损,降低摩擦消耗功。②是通过润滑油的流动,带走摩擦热和磨屑,使冷却机件防止因受热严重而变形卡滞,使零件保持正确的配合关系。③是密封运动间隙,防止气缸漏气,损失动力。④是保护金属表面,防止氧化生锈。
柴油机润滑系统由油底壳、机油泵、滤清器、散热器以及压力调节、安全装置、仪表(油温表、油压表)等组成(图5-5)。
6.冷却系统
冷却系的作用是将受热严重的机件(如气缸、气缸盖等)用冷却介质带走热量,以防止因过热而造成机件强度、刚度下降,几何尺寸的改变及运动偶件卡滞等现象。另外,润滑油温度高,会失去润滑效果,也需要冷却。
柴油机的冷却介质是水与空气,因而它的冷却方式有水冷和风冷两种。
柴油机水冷却系统主要由水箱、散热器、水泵、风扇、节温器及水温表等组成(图5-6)。因为水冷却效果可靠,故得到广泛的采用。
图5-5 X4105型柴油机润滑系统
1—机油泵;2—油温表;3—滤网盘;4—油底壳;5—曲轴;6—主轴道;7—油压表;8—气缸头;9—摇臂;10—凸轮轴;11—滤清器;12—粗滤器;13—安全阀;14—调压阀;15—散热器
图5-6 强制循环水冷系统
1—气缸盖;2—气缸体;3—机油冷却器;4—水泵;5—散热水箱;6—风扇;7—回水
风冷却系统多用于高速移动式小功率柴油机上,由风扇、风屏等组成。
7.启动系统
柴油机由静止状态转入运动状态,必须借助外力转动曲轴,将空气吸入气缸,并在规定时刻喷油燃烧做功,才能开始进行工作循环。柴油机上设立启动系统就是为其从静止到工作状态提供条件。目前国内中、小型柴油机根据用途和结构形式的不同,主要采用以下四种启动方法:
(1)电力启动
电力启动装置由蓄电池、电动机、继电调节器、发电机和预热塞等组成。
这种启动方式是中等功率柴油机上采用较多的一种启动方法,其直流电动机用蓄电池作电源。电力启动特点是:结构紧凑,操作方便,但可靠性不高,受环境温度(主要是低温)影响大;因受蓄电池充电情况的限制,柴油机启动次数也受限制。
(2)小型汽油机启动
小型汽油机启动主要通过小型汽油机和传动装置(减速器、离合器、制动器、自动分离机构)来完成。在一些中等功率的柴油机上采用小汽油机启动的原因是:启动性能可靠,受气温影响不大,启动时间和次数不受限制。还可以利用汽油机的冷却水和排气管的热量来预热主机,提高机体温度,减小启动阻力。但结构较复杂,启动操作不方便。这种方法一般在严寒地区和野外条件下比较适用。
(3)压缩空气启动
压缩空气启动是将高压空气按照柴油机工作顺序,在做功冲程供入各个气缸,借助高压气体的膨胀推力来推动活塞移动,使曲轴以一定的转速旋转,实现柴油机的启动。
压缩空气启动装置主要由贮气瓶、控制阀、分配器、启动阀,压力表等组成(图5-7)。压缩空气启动一般用于缸径大于150mm的大、中型柴油机上。其特点是:具有较大的启动力矩,启动可靠快捷,不受低温环境的影响。但它的结构较复杂,启动次数受贮气瓶压缩空气的气压限制。
图5-7 压缩空气启动装置示意图
1—贮气瓶;2—启动控制阀;3—压力表;4—空气分配器;5—压缩空气管;6—启动阀
(4)人力启动
人力启动一般只用于中、小型柴油机上,根据结构不同分为手摇启动、拉绳启动、惯性启动和弹簧启动4种。
许多20马力以下的柴油机都采用手摇启动,借助一个摇把由慢渐快地摇动曲轴达到启动目的。手摇启动不仅用来启动柴油机,有时还用来作为其他启动方法的后备方法。
拉绳启动一般在10马力以下的柴油机上采用。它借助一启动绳在飞轮边缘凹槽上绕1.5～2圈,拉动启动绳、飞轮旋转带动曲轴转动,完成柴油机的启动。
惯性启动是利用启动装置中的储能飞轮,将人力做的功储存起来,再释放这个能量启动柴油机。在缺乏电源的地区用它来代替电动机,启动较大功率的柴油机。
弹簧启动是利用人力转动手柄改变弹簧的形状将能量储存在启动器内,启动柴油机时扳动释放杠杆,把储存的能量释放出来进行启动工作。由于操作简单,启动可靠,在低温区、温热带及环境恶劣地区应用较多。
8.增压系统
增压系统的作用是使进气压力增高,从而提高柴油机的有效功率。它是在增压柴油机上装置的一种特殊机构——增压器。
(二)柴油机分类
柴油机的结构形式很多,分类方法也多,主要可按如下方式划分多种类型:
1.按缸数分类
有单缸、双缸和多缸式。
2.按冷却方法分类
有水冷式和风冷式。
3.按转速分类
有高速机、中速机及低速机。高速机额定转速在1000r/min以上。中速机额定转速在600～1000r/min范围内。低速机额定转速在600r/min以下。
4.按照用途分类
1)固定式。内燃机在一固定不变位置进行工作机。如钻井、固定发电机等所用的内燃机。
2)移动式。作为移动机械动力的内燃机,包括:①汽车,拖拉机用:汽车、拖拉机等所用的内燃机。②船用:能满足海上工作环境要求,用作船舶动力的内燃机。③铁路牵引用:作为内燃机车动力用的内燃机。
5.按气缸排列形式分类
按气缸排列形式可以分为单列卧式、单列立式、V形并列式和对置卧式等(图5-8)。
图5-8 按气缸排列分类