第四章柴油机3Word文件下载.docx
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在闭式水冷却系统中,冷却水在水泵的作用下,将其压力提高到(120~135)kPa,强迫冷却水按上图箭头所示方向和路径不断地循环流动,吸收受热机件的热量,通过风扇和散热水箱将热量散到空气中,使柴油机的工作温度保持在一定范围内。
柴油机冷却系统通常是按高温气候条件下额定功率工况设计的,而在其他工况运行时,则应对冷却系统的散热强度进行调节,其途径为:
调节冷却水流量和风量。
(1)冷却水流量调节这种调节方法通常采用节温器进行自动控制。
节温器按水温的高低使冷却水进行大循环或小循环工作。
柴油机冷车启动时,水温很低,为迅速提高水温,采用冷却水小循环工作,直到水温逐渐升到70±
2℃时,节温器开启,冷却水通过散热水箱,形
成冷却水大循环工作,从而改变冷却强度。
(2)风量调节主要调节流经散热水箱空气的流量。
方法之一按不同工况开启或关闭散热水箱的百叶窗;
方法之二按不同工况改变风扇的转速。
二、水冷却系统的主要部件
水冷却系统的主要部件有水泵、散热水箱、风扇、水温调节装置和水温表等。
1.水泵
水泵是强制循环水冷却系统所需动力的来源,其作用是使冷却水产生一定的压力,压人柴油机各冷却部位,保证柴油机运行时冷却水不断循环。
在柴油机上广泛采用离心式水泵。
离心式水泵由泵壳、叶轮、水泵轴和防漏装置等组成。
泵壳上有进、出水管,中间装有叶轮,如图4—121所示。
当叶轮在泵壳内旋转时,产生离心力,泵壳内的水在离心力的作用下,被甩向泵壳的内壁,流到出水管,然后进入汽缸体水套,同时叶轮中心部分形成低压,冷却水从进水管吸人补充。
离心式水泵具有结构简单、排水量大、体积小,而且工作时发生故障或损坏时仍不妨碍水的自然循环等特点,因而得到广泛应用。
图4—122所示为12V135型柴油机离心力水泵的结构。
它装在柴油机右列前端,由齿轮传动。
2.散热水箱
散热水箱又称散热器,是闭式水冷却系统不可缺少的主要部件之一。
它的作用是将冷却水从受热零件吸收的热量传给空气,然后散到大气中去,以降低冷却水的温度。
散热水箱由上水室、散热芯部、下水室、水箱盖及两边支撑架等组成。
如图4—123所示。
柴油机工作时,上下水室分别用来贮存热、冷水,起散热作用的是芯部。
从气缸盖流出的冷却水进入上水室,再通过芯部铜管下流过程中,将热量传给空气,冷却后的水进入下水室,然后流入水泵进行循环。
(1)散热芯部的型式与结构散热芯部通常有管片式和.管带式两种。
对它们的要求是应有足够的散热面积和良好的导热性能。
图4—124为散热水箱管片式芯部结构。
它由扁铜管和散热片组成,扁铜管平行均匀地排列,散热片紧密地套装在铜管上,以扩大其散热面积。
冷却水在扁铜管内流过,将热量传给铜管和散热片。
同时,风扇旋转使空气从铜管和散热片的间隙中吹过,将热量带走,水温下降。
图4—125为散热水箱管带式芯部结构。
它由扁铜管和波纹状散热带组成。
扁铜管平行均匀地排列,波纹状散热带焊接在扁铜管之间。
其散热机理与管片式类同,不再赘述。
管片式与管带式两者比较,前者散热面积大,对气流阻力小,结构刚度好,耐高压不易破裂,但制造工艺较复杂;
后者结构刚度较前者差,空气阻力也较大,但制造工艺较简。
单,散热性能优于前者。
(2)散热水箱盖的结构为了防止水温升高时产生水蒸汽,使散热水箱内压力升高,或因水温降低水蒸汽凝固及水量减少时散热水箱内压力过低而影响冷却系统正常工作,因此,在散热水箱加水口上常装有空气一蒸汽阀的水箱盖。
它由蒸汽阀、空气阀和盖子组成,如图4—126所示。
蒸汽阀的作用是减少冷却水的消耗。
当柴油机工作时,随着冷却水温逐渐升高,系统内的压力逐渐增大,水箱内的蒸汽压力超过(25—36)kPa时,水箱盖内的大弹簧被压缩,蒸汽阀开启,如图4—126(b)所示,水蒸汽从泄汽管排出,避免箱内压力过高。
当系统内压力降到一定值时,蒸汽阀重新关闭。
当柴油机停车时,由于冷却水的消耗和蒸汽冷却凝结的缘故,使系统内的压力降低到低于外界大气压力(10~12)kPa,空气压开空气阀进入水箱,因此,使水箱内外压力保持平衡,避免水箱胀坏或水管吸瘪。
3.风扇
风扇的作用是增加通过散热水箱的风速和风量,以提高散热水箱的散热能力。
柴油机上通常采用单级轴流式风扇。
它具有结构紧凑、风量较大、效率较高等特点,因而得到广泛应用。
这种风扇轴流风速和风量直接与叶片数的多少、倾斜角的大小及转速的高低有关。
常见的风量叶片数为四片或六片。
图4-127所示为柴油机风扇结构,它由风扇叶片、皮带轮、风扇轴和风扇架等组成。
风扇叶片用螺钉固定在皮带轮上。
皮带轮由两个滚珠轴承支承在风扇轴上。
在皮带轮的侧面装有黄油嘴,以便用油枪压人黄油,润滑轴承。
在轴承外面装有油封,以防止黄油从后轴承内流出。
4.水温调节与节温器
冷却水温调节的作用是冷却水保持适宜的温度,既保证发动机能可靠地冷却,又不致因水温过低,影响发动机正常运行。
冷却水温调节方法,常见的下列几种:
(1)控制通过散热水箱的空气流量这种调节方法在散热水箱前面装帆布保温帘或百页窗。
当水温过低时,可放下保温帘或关闭百页窗,以减少空气的流量,使冷却水散热减少,水温上升。
当水温升高后,打开保温帘或百页窗,保证正常冷却。
(2)自动控制变更冷却水循环路线在闭式强制循环水冷却系统中,在汽缸盖出水口处安装节温器,利用节温器自动变更冷却水的循环路线,控制进入散热水箱冷却水的流量,以达到自动调节冷却强度的目的。
常见的节温器有折叠筒式和蜡式两种。
折叠筒式双阀门节温器由折叠圆筒、两个阀门及壳体等组成,如图4—128所示。
折叠圆筒的下端焊在支架上,支架上端固定在壳体上;
大循环阀门焊在顶杆上,而小循环阀门焊在折叠圆筒上端,节温器壳体的旁通孔正对着小循环水泵进水管。
折叠圆筒用薄黄铜皮制成密封状,具有弹性,内装易挥发的液体,此液体为乙醚或乙醇和蒸馏水的混合液,其蒸汽压力随周围温度而变,可使折叠圆筒
伸长或缩短。
由于折叠圆筒的下端是固定的,因此,当折叠圆筒伸长或缩短时,上阀门和侧阀门随之一起上下移动。
当冷却水温低于70℃时,节温器上阀门关闭,侧阀门开启,冷却水经侧阀门流回水泵进水口,而不经散热水箱进行节温循环,故称为小循环,如4—128(b)所示。
当冷却水温度上升到70±
2℃时,弹性折叠圆筒开始伸长并顶开上阀门;
同时,侧阀门开始关闭,因此,流经散热水箱的冷却水流量逐渐增加。
当水温达到80±
3℃时,上阀门全部开启,侧阀门全部关闭,全部冷却水流经散热水箱进行散热循环,称为大循环,如图4-128(a)所示。
蜡式单阀节温器的结构,如图4—129所示。
它的上支架、阀座和下支架三者铆成一体,反推杆固定在上支架的中心处,并插入橡胶套的中心孔之中。
这样橡胶套与节温器外壳之间
形成一个腔体,内充有蜡,上端用节温器盖、隔圈将橡胶套压紧在外壳的台肩上。
常温时,蜡呈固态,由于弹簧的作用将阀门压在阀座上,处于关闭状态,如图4—129(a)所示。
当水温升高时,腔体内的蜡逐渐由固态变为液态,其体积膨胀,迫使橡胶套收缩,对反推杆锥状端头产生举力,而固定不动的反推杆则对橡胶套、节温器外壳产生向下的反推力。
当水温为70土2吧时,反推杆对节温器外壳的反推力可克服弹簧的预压力,阀门开始打开。
2℃时,节温器全开,如图4—129(b)所示。
由此可知,水温高于80℃,节温器全开,冷却水经节温器阀门进行大循环流动;
水温低于70℃时,节温器阀门关闭,冷却水进行小循环流动。
上述两种节温器相比较,前者对冷却系统中的工作压力较敏感,后者对此压力不敏感,但后者具有结构简单、工作可靠、坚固耐用等优点,故有取代折叠筒式节温器的趋势。
5.水温表
水温表的作用是用来指示发动机冷却水的工作温度值,及时反映冷却系统的水温是否正常。
水温表按其原理有电热脉冲式和管簧式两种。
管簧式水温表的结构原理在第七节已作介绍,这里只对电热脉冲式水温表进行介绍。
图4—130所示为电热脉冲式水温表结构和电路连接图。
它由指示表和拧人汽缸盖水套
感温塞是一个密封的黄铜管,其头部有螺纹,以便拧入水套中,管内装有搭铁底板,底板一端铆有固定触点,另一端绝缘地固定在感温塞的铜管上,双金属片上绕有加热线圈,加热线圈一端焊接在双金属片上,另一端经导电片与接线螺钉连接。
双金属片上铆有活动触点,它与固定触点相接触。
指不表头内也有双金属片,其上也绕有加热线圈,一端与接线螺钉相连,另一端与熔断器相接,然后通过点火开关、电流表与蓄电池负极连接。
而双金属一端固定在表壳内,另一端通过连接杆与表针相连接。
表盘上刻有40、80、100等数字表示摄氏(℃)温度值。
电路接通之前,感温塞内触点保持闭合状态,并具有一定的压力,指针指在最高温度的位置上。
当点火开关闭合接通电路时,感温塞和表头内的加热线圈均通电加热,双金属片温度逐渐升高而逐渐弯曲,温度升高到一定程度后,触点便张开切断电路,双金属片因热量散发,温度下降,使触点再次闭合,电路又接通,加热线圈又通电加热,其温度又重新升高,如此反复使触点开闭循环工作。
但是感温塞内的双金属片的工作状态,随水套内冷却水温度的高低而变化。
当水温较低时,双金属片的热量容易散发,加热线圈需通电较长时间才能使双金属片发生弯曲,使触点分开,触点分开后,又容易冷却变直,使触点重新闭合,因此,水温低时,触点闭合的时间比张开的时间要长,即通电时间长,表头内双金属片受热时间长,弯曲程度也就较大,故表针指示在低温侧。
反之,水温高时,加热线圈通电较短时间,就能使双金属片弯曲,使触点打开,触点断开后,又不容易冷却伸直,因此,水温高时,触点张开的时间比闭合的时间长些,加热线圈通电时间较短,表头内双金属片的受热程度减弱,弯曲程度较小,故指针指示在温度较高的一侧。
6.DCA水过滤器
它是装有“DCA"
化学药品的容器,由九类化学元素组成,能使水软化,避免水垢形成,中和水中的酸,保持适度酸碱度。
具有抗泡沫的作用,保护汽缸套、水泵叶轮等件免遭“穴蚀’’的损坏。
“DCA”水过滤器除装有化学元素添加剂外,还装有纸质滤芯,可对冷却水起机械过滤作用,避免水道堵塞,造成零、部件损坏。
7.防冻液
寒冬季节通常会发生冷却水冰冻使缸体和缸盖胀裂的现象。
为了适应冬季立即开机的需要,应使用专门的防冻液。
也可在冷却水中加进适量的乙二醇或酒精、甘油,配制成防冻液,以降低冷却水的冰点。
乙二醇配制防冻液,表4—11;
酒精和甘油配制防冻液的配方和冰点,见表4—12所示。
表4—11乙二醇防冻液
注:
乙二醇有毒,切勿用口吸,对橡胶有腐蚀作用;
吸水性强,容器要密封;
使用中切勿混入石油产品,否则防冻液会产生
表4—12酒精防冻液
第九节柴油机的启动系统
发动机由静止状态转为运转状态,必须依靠外力帮助推动曲轴转动,才能得到初始的进气、压缩、燃烧作功等几个过程,产生动力,使发动机连续不断地循环运转。
发动机从静止状态到开始运转的全过程,称为启动。
完成启动所需的一系列的装置,称为发动机的启动系统。
发动机启动时,必须克服汽缸内被压缩的气体阻力和发动机本身运动件及附件所产生的各种摩擦阻力和惯性力。
克服这些阻力所需的力矩称为启动力矩。
为保证发动机顺利启动所必需的最低转速称为启动转速。
对于柴油机,在0℃以上时,要求启动转速为(250~300)r/min。
由于柴油机压缩比大,运动件惯性力大,启动转速也较高,因此,它的启动功率比同功率的汽油机大(3—4)倍。
为了保证发动机在任何温度条件下都能可靠地启动,尤其是柴油机,通常采用各种便于启动的预热装置,对进入汽缸的空气或冷却水套、下曲轴箱(油底壳)进行预热,一方面可增加汽缸内空气的起燃温度,一方面使各润滑面的机油不致于粘滞,减小启动时所需扭矩。
在柴油机上还装减压机构便于启动。
一、启动方法
1.人力启动
一般在20PS以下小功率发动机采用人力启动,这是最简单的启动方法,通常用手摇柄或绳索直接转动曲轴,使发动机启动。
手摇启动装置简单,启动摇把或爪轮结构只允许单向传递扭矩,避免发动机反转伤人。
2.电动机启动
直流电动机启动方法广泛用于各种车用发动机和各种用途的中小功率柴油机。
这种方法是用铅酸蓄电池作电源,由专用的直流启动电动机拖动发动机曲轴旋转,将发动机发动起来。
为保证启动可靠,延长蓄电池的使用寿命,每次启动通电时间不得超过15s,连续使用不得超过3次,而且各次之间的间隙时间不少于1min。
柴油机的启动电动机功率
。
为
式中
一为柴油机输出的有效功率。
启动用蓄电池电压为(12~24)V,容量为(100~200)Ah。
3.压缩空气启动
对于功率较大的柴油机通常采用压缩空气启动,其方法有两种:
一种是用空气分配器将压力为(2450~u2940)kPa(25~30kgf/cm2)的高压空气,按照柴油机的工作次序送人各个气缸直接推动活塞使柴油机启动,此法一般适用于缸径D≥150mm的柴油机;
另一种是以压缩空气驱动气动马达,带动柴油机启动。
4.辅助发动机启动
工程机械大中型拖拉机用柴油机,通常采用辅助汽油机启动。
启动时先用人力启动汽油机,再通过传动装置带动柴油机启动。
在大功率柴油机实际应用中,最常用直流电动机和压缩空气启动这两种启动方法。
二、柴油机启动的辅助装置
1.减压机构
(1)减压机构的作用减压机构的作用,是使气门不受凸轮和气门弹簧的控制而进行启动,气缸内的压力不会因压缩而升高,从而减小启动时气缸内的压缩阻力。
(2)减压机构柴油机减压机构,它用凸轮将配气机构推杆顶起,使进气门处于开启状态。
柴油机的减压机构,如图4—131所示。
此机构在进气门挺柱的上部有一个切槽,切槽内装有一个切边圆柱体的减压轴,对四缸机而言,减压轴形状,第一、二缸为单面切边,第三、四缸为两面切边,通过减压轴臂可操纵减压轴位置转换。
当切边平面朝上时,挺柱处于正常工作位置,减压轴不起作用;
当减压轴圆柱面转到上面时,圆柱面将挺柱抬起,使进气门打开,与进气凸轮表面脱离开,气缸内不再产生压缩,从而达到减压目的,实现减压启动。
2.预热装置
众所周知,柴油机是靠高温高压使柴油自燃的,因此,柴油机启动时,气缸内温度的高低,对启动柴油机影响很大,尤其环境温度低的情况下,影响更大,所以用直流电动机启动的柴油机,通常在辅助燃烧室中装设电热装置,以便柴油在燃烧室内容易雾化形成可燃混合气。
电热塞的结构和电路,如图4—132所示。
三、直流电动机启动
电动机启动系统由操作人员通过踏板和杠杆操纵启动开关,使电动机的齿轮啮人飞轮齿圈或者操作人员揿下启动按钮,电磁开关通电吸合,控制启动机和齿轮啮人飞轮齿圈带动柴油机启动。
1.启动电动机的离合机构
启动电动机轴上的啮合齿轮在启动时,才与发动机曲轴上的飞轮齿圈相啮合,而当发动机开始运行后,启动电动机应立即与曲轴分离。
否则当发动机转速升高,使启动电动机大大超速旋转,产生很大的离心力,造成损坏,甚至使启动电动机电枢飞散。
因此,启动电动机必须装离合机构。
启动时保证启动电动机的动力能传递给曲轴,启动后能切断启动电动机与发动机曲轴的联系。
常用的离合机构有以下几种:
(1)弹簧离合机构这种机构套装在启动机电枢轴上,其结构如图4—133所示。
驱动齿轮的右端活套在花键套筒的左端的外圆上,两个扇形块装入齿轮右端相应缺口中并伸人花键套筒左端的环槽内,这样齿轮和花键套筒可一起作轴向移动,两者可相对滑转。
离合弹簧在自由状态下的内径小于齿轮和套筒相应外圆面的直径,安装时紧套在外圆面上。
启动时,启动机带动花键套筒旋转,有使离合弹簧收缩的趋势,由于离合弹簧被紧箍在相应外圆面上,于是,启动机扭矩靠弹簧与外圆面的摩擦传给驱动齿轮,从而带动飞轮齿圈转动。
当柴油机启动后,齿轮有比套筒转速快的趋势,弹簧胀开,离合齿轮在套筒上滑动,从而使齿轮与飞轮齿圈脱开。
该离合机构较简单,所配用的ST614型启动机,其电压为直流24V、功率为5.3kW,操作方便,因而得到广泛应用。
(2)摩擦片式离合机构摩擦片式离合机构,其结构如图4-134所示。
这种离合机构是这样装配的,内花键壳9装在具有右旋外花键套上,主动片8套在内花键壳9的导槽中,而从动片6与主动片8相间排列。
旋装在花键套10上的螺母2与摩擦片之间,装有弹性垫圈3,压环4和调整垫片50驱动齿轮右端的鼓形部分有一个导槽,从动片齿形凸缘装入此导槽之中,最后装卡环7,以防止启动机驱动齿轮1与从动片松脱。
离合机构装好后摩擦片之间无压紧力。
启动时,花键套10按顺时针方向转动,靠内花键壳9与花键套10之间的右旋花键,使内花键壳在花键套上向左移动将摩擦片压紧,从而使离合机构处于接合状态,启动机的扭矩靠摩擦片之间的摩擦传给驱动齿轮,带动飞轮齿圈转动。
发动机启动后,驱动齿轮相对于花键套转速加快,内花键壳在花键套上右移,于是摩擦片便松开,离合机构处于分离状态。
该离合机构摩擦力矩的调整,即调整垫片5可改变内花键壳端部与弹性垫圈之间的间隙,以控制弹性垫圈的变形量,从而调整离合机构所能传递的最大摩擦力矩。
摩擦片式的离合机构由于可传动的扭矩较大。
因此,通常用于较大启动扭矩的柴油机上。
2.启动机电磁操纵机构
图4—135所示为柴油机所用的ST614型启动机的结构图。
它由串激式直流电动机作启动机,其功率为5.3kW,电压为24V,此外,还有电磁开关和离合机构等部件组成。
图4—136为电磁操纵机构启动机电气接线图。
启动时,打开电路锁钥(即电路开关),然后,揿下启动按钮4,电路接通,于是电流通人牵引电磁铁两个线圈:
即牵引电磁铁线圈和保持线圈,两个线圈产生同一方向的磁场吸力,吸引铁心左移,并带动驱动杠杆8摆动,使启动机的齿轮与飞轮齿圈进行啮合。
铁心1继续向左移,于是,启动开关5触点闭合,启动直流电动机电路接通,直流电动机开始运转工作,同时与启动开关与并联的牵引线圈被短路失去作用,牵引继电器由保持线圈所产生磁场吸力保持铁心位置不动。
启动后,应及时松开启动按钮,使其回到断开位置,并转动电路锁钥,切断电源,以防启动按钮卡住,电路切不断,牵引继电器继续通电。
此时,由于电路已切断,保持线圈磁场消失,在复位弹簧的作用下,铁心右移复原位,直流电动机断电停转。
同时,齿轮驱动杠杆也在复位弹簧的作用下,使齿轮退出啮合。
3.电启动的充电设备
在电启动的发动机上通常都有充电设备,以供蓄电池放电后能及时补充充电,同时还可供给汽油机点火和照明设备用电。
充电设备包括充电机和调节器,充电机可用直流发电机或硅整流交流发电机。
但是,根据充电机的容量和用电负载的要求,充电机所发的电压不宜太高或太低;
工作电流不能超过额定值。
然而充电机发出电压的高低是随发动机的转速而变化,当转速高时,所发出的电压太高,可能烧坏用电设备;
当转速低时,所发出的电压太低,造成蓄电池对充电机放电,也可能将充电机烧坏;
当用电负荷增加时,可能造成负荷电流超过充电机的额定电流,使充电机过热,甚至烧坏。
因此,充电机必须加装调节器,以解决上述存在的问题。
(1)直流发电机调节器充电发电机调节器是和直流发电机式充电配套使用的,其总体结构如图4—137所示。
这种调节器由断流器、节压器和节流器三部分构成。
①断流器:
断流器的结构由铁心、绕在铁心上的串联线圈、并联线圈、活动触点、固定触点、触点臂及触点弹簧等组成,其电路原理如图4—138所示。
当发电机转速很低,电压低于蓄电池电压时,串联线圈及并联线圈内流过的电流很小,铁心磁化强度微弱,其吸力不足以克服弹簧的张力,故触点张开。
发电机与蓄电池的电路不通,发动机和所有电器用电均由蓄电池供给。
当发电机转速增高时,其电压高于蓄电池,此时主要由并联线圈产生磁性吸力增强(并联线圈线径细,圈数多),超过弹簧拉力,将触点臂吸下,使触点闭合,接通发电机与蓄电池的电路,于是发电机便向蓄电池充电,并向用电设备供电。
串联线圈内所产生的吸力与并联线圈所产生的吸力方向一致,使触点接触更为牢靠。
当发电机转速降低或停止工作时,电压又低于蓄电池,电流即从蓄电池按相反流人串联线圈,它产生的吸力与并联线圈相反,互相抵消,触点臂被弹簧向上拉开,发电机与蓄电池电路被切断,从而有效地防止蓄电池向发电机放电。
②节压器:
节压器是用来控制发电机的电压在(11.8~14.8)V限额范围以内。
它由铁心、线圈(此线圈用细导线绕制与发电机电枢绕组并联)、触点、触点臂弹簧及限流电阻等组成,其电路原理图,如图4—139所示。
由于节压器线圈与发电机电枢绕组并联,两者电压相等,因此,当发电机转速升高时,电压上升,流过线圈中的电流增大,铁心的电磁吸力增强,克服触点臂弹簧的张力将触点臂吸下,触点断开,此时,电阻被自动串人发电机激磁回路中,减小发电机的激磁电流,降低磁感应强度,使发电机电压下降。
当发电机电压降低后,节压器线圈吸力减小,触点靠弹簧拉力重新闭合,发电机电压又上升。
如此往复,触点臂不断上下振动,其振动频率可达40次/s以上,因而使发电机的电压保持在一定的平均值。
③节流器:
节流器是用来控制发电机电枢电流不超过其额定值。
它由铁心、节流线圈、触点、触点臂、弹簧及电阻等组成。
节流线圈是与发电机的电枢绕组串联的,其电路原理图,如图4—140所示。
当发电机输出电流增大时,电枢电流和节流线圈的电流也增大,铁心的电磁吸力增强,将触点吸开,
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