康明斯BC系列柴油发动机培训教程.docx

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康明斯BC系列柴油发动机培训教程

前言

康明斯B、C系列柴油机是该公司于上世纪八十年代中期（B系列是1983年，C系列是1986年）先后投产的中等功率柴油机。

东风汽车公司先是于1987年以产品生产许可证的形式引进了B系列产品技术，后于1996年以合资的形式引进了C系列产品技术，并严格按康明斯货源鉴定的程序对两个系列的产品进行了本地化生产。

十多年来，本地化生产的B机已近百万台，C机也已超过10万台，广泛用于载重车（商用车），客车（乘用车）、船舶、工程机械、发电机组等。

随着康明斯B&C机社会保有量的增加及其知名度的不断提高，越来越多的研究者、使用者想了解和熟悉它。

关于两个系列的资料，康明斯已有非常浩繁和完整的资料。

东风汽车公司、东风康明斯发动机公司及原东风柴油发动机厂也翻译整理了大量资料。

但这些资料比较分散和专业化，对于初学者难于在较短的时间内对其有个较全面的了解。

成立不久的康晨机电工程有限公司，在业务上是东风康明斯发动机公司的延伸，是东风康明斯B&C发电动力机的专业生产、销售机构。

康晨公司本着“出产品、出人才”的宗旨，急待对员工进行康明斯B&C柴油机知识的普及和深化培训，但苦于找不到合适的教材。

在此情况下参照已有的资料，匆忙汇编了本培训教材。

由于时间紧、资料繁、难免挂一漏万，力求在使用中不断完善。

名词、术语解释

内燃机—燃料在缸内燃烧产生热能，由热能转变为机械能（或动能）的动力机（燃气轮机也属内燃机，它属热能转变为动能连续工作内燃机，本书所指内燃机为间歇式内燃机）通常也称之为发动机，是目前世界上最重要的动力机械之一。

柴油机—内燃机的一种，它是以柴油为燃料的动力机。

系列—是指在发动机缸径和基本结构参数不变的情况下，通过改变缸数、转速、增压、中冷等措施获得不同功率的一系列产品规格。

康明斯B系列机在缸径和基本结构不变的情况下功率从50KW至170KW，C系列功率则由150KW—257KW。

故称B系列、C系列。

冲程—活塞由上止点到下止点或由下止点到上止点的距离。

内燃机（非燃气轮机）分二冲程和四冲程，前者为两个冲程，完成一个工作循环。

后者为四个冲程，完成一个工作循环。

缸筒—燃料燃烧，热能转变成机械能的空间。

排量—活塞往复运动中一个冲程所扫过的空间，它取决气缸直径及活塞冲程。

如B系列柴油机缸径D=102，冲程S=102，其单缸排量Vi=πR2×S=π×0.512×1.2=0.98升。

4缸机总排量为0.98×4=3.9升。

6缸机为0.98×6=5.9升。

C系列柴油机缸径D=114，冲程S=135，单缸排量Vi=лR2×S=л×O.572×1.35=8.3升

缸数Z—气缸个数，如4缸、6缸等。

目前柴油机最多缸数为V型12缸。

如康明斯KV12。

压缩比ε—活塞位于下止点时的缸筒容积与活塞位于上止点时的燃烧室容积之比，是内燃机的重要结构参数之一。

柴油机一般以15—20之间。

汽油机一般在12以下。

功率Ne—内燃机的做功能力，单位为KW（千瓦），通常也用马力计量。

1KW=1.36马力。

是发动机动力性指标之一。

额定功率Nen—发动机技术规格说明书中规定条件下的最大功率。

常载功率（Primerpower）—作为主电源或应急电源的发电机组的常用功率，该功率允许机组间断运行在110%额定功率：

每12小时的使用过程中，可有一个小时的10%的超载运行。

备用功率（Standbypower）—用于供电设备出现问题时的应急供电发电机组的功率。

该功率无超载能力，而且若每年运行200小时以上（其中不少于平均25小时在该功率下运转）。

持续功率（Confinuouspower）—用于持续全负荷不间断使用下的机组功率，每年使用时间不限，该功率无超载能力。

是ISO03046规定的标准功率。

转速n—发动机的旋转速度，以r/min（转/分）表示。

是发动机动力性能指标之二。

扭矩Me—发动机的转动能力，单位为N.m（牛顿·米），是发动机动力性指标之三。

扭矩储备系数цm——发动机最大扭矩Memax与额定工况时的扭矩Men之比。

是车用发动机，工程机械用发动机的性能参数之一。

速度适应性系数цn——额定工况时的转速Лn与最大扭矩时转速ЛMemax之比。

内燃机的总适应性系数（总弹性系数）ц——扭矩储备系数цm与转速适应性系数цn乘积。

稳态调速率——发电动力机空载稳定转速fi.r和额定负载稳定转速fr之差δmax与额定负载时转速fr的百分比δfs是发电动力机的重要性能之一。

δfs＝fi.r－fr/fr*100%

瞬态调速率——发电动力机突加、突卸载荷时的频率突变峰值与额定频率之差相对额定频率的百分数

δfd－=fd.min-farb/fr×100%

油耗——内燃机运行中的燃油的消耗。

常以g/kw.h（克/千瓦.小时）的比油耗来标征。

变工况使用的内燃机（如车用）一般指外特性曲线上的最低油耗（率）。

对于固定工况使用的内燃机（如发电动力机）是指标定功率时燃油消耗（率），常经升/小时来表示。

是内燃机主要的经济性指标。

可靠性——发动机在规定的运转条件下，具有持续工作，不改因故障而影响正常运转的能力。

可靠性主要以保修期内不停机故障数、停机故障数、更换主要零件数和非主要零件数来考核。

耐久性——发动机寿命指标。

它是指内燃机从开始使用到第一次大修前累计运转的里程数（车用）或小时数（发电用）。

大修——内燃机的正常大修主要决定于缸筒（套）和曲轴磨损是否达极限尺寸。

因缸筒或曲轴磨损到一定程度，一般极限磨损量为1/800.D（D为缸径、主轴颈、连杆颈直径）（如B机缸筒磨损0.12mm，C机缸套磨损0.14mm）后发动机即不能正常工作，必须进行修复。

非正常大修包括故障大修和强制大修（军品），目的是为了更换主要故障件和提高可靠性，不以正常大修的标准为准。

维护保养——内燃机运行过程中的是常保养。

它对提高其可靠性和延长寿命至关重要，必须按维护保养法明书规定，认真进行。

污染物——内燃机排出的有害气体。

柴油机主要污染气体成分为氮氧化物（NOX），碳氧化物（CO），碳氢化物（HC），另外沿有颗粒物（PM），碳烟等。

不同排放标准对污染物有不同的限值。

第一章概论

为系统起见，在正式介绍康明斯柴油机前，先将柴油机及增压紧油机的一般工作原理及其它相关概念做一简要介绍。

第一节柴油机工作原理

一、柴油机工作过程

图1-1是柴油机的示意图，当活塞由上止点向下运动时，外界新鲜空气由进气门被吸入气缸。

活塞由下止点向上运运时，对进入气缸内的新鲜空气的温度、压力都有较大的升高。

在接近上止点时，将雾化了的柴油从喷油器喷入气缸内与空气混合，使柴油自行着火燃烧，放出热量。

混合气的温度和压力急剧升高，燃烧气体膨胀，推动活塞向下运动作功。

由于往复运动所做的功，难以直接利用，故通过曲轴连杆把往复运动转变为回转运动后，对外输送，这就是柴油机把燃料的热能转变为机械功的简单过程。

为了使这种能量的转变过程连续不断地进行下去，在燃浇膨胀后，活塞到下止点又向上运动，将燃烧后的空气从排气门排出气缸，为再次吸入新鲜空气，进行下一个能量转换过程作准备。

由此可见，柴油机要完成一次能量转换必须经过进气、压缩、燃烧和排气等4个工作过程，称为一个循环。

柴油机要完成进气、压缩、燃烧和排气等4个工作过程的方法有两种：

曲轴旋转一周（即活塞两个行程）完成一个循环的称为四冲程柴油机。

现代中、小功率柴油机四冲程占极大多数，二冲程用得很少；四冲程柴油机工作过程如图1-2所示，图中表示出各个行程中活塞、连杆、曲轴及气门的相对位置。

第一行程——进气行程

在活塞接近上止点时，排气门关闭，进气门打开，当活塞由上止点向下止点移动时，气缸内容积增大，压力降低，新鲜空气吸入气缸。

为了使气缸内能充入更多的新鲜空气，提供足够的氧气，以保证柴油充分燃烧，活塞除了在上止点前进气门早开外，关闭也在下止点稍后，这就使进气门有一个早开、晚关的规律。

第二行程——压缩行程

由于曲轴的旋转，活塞由下止点向上止点运动，进、排气门都关闭，气缸容积逐渐减少，空气疲压缩，结果使气体的温度与压力都有明显上升，为燃油喷入气缸后能迅速燃烧创造有利条件。

通常，空气压力为3Mpa时，柴油的自然温度约为300℃，为了确保燃油喷入气缸后能迅速燃烧，选择适当的压缩比，使实际过程在接近压缩终了时，温度要比柴油的自然温度（在Iat①的空气中轻柴油自然温度为330∽350℃，自然温度随压力增高而降低）高得多，一般柴油机压缩后的气缸压力约为（30∽55）×105Pa，温度能升到500∽750℃，这就远远超过了柴油的自然温度，使柴油喷入气缸内能迅速燃烧。

第三行程——燃烧膨胀行程

1、燃浇柴油机活塞在上止点前喷油器开始喷油，喷入缸内的燃油借压缩终了高温空气的热量自燃。

燃烧开始进行得很快，产生大量热量，使气缸内温度，压力急剧升高，当压力到达最在值PZ后，燃烧继续进行，但是活塞已由上止点向下移动，由于气缸内容积逐渐增大，所以气体压力的增长就不明显了。

在燃烧过程中，气缸内瞬时是最高温度可达1700∽2000℃左右，最大燃烧压力达6∽9Mpa（有些增压柴油机可高达13MPa）。

柴油机最大燃烧压力PZ通常发生于上止点稍后，也就是指活塞已离开上止点，向下移动了一定距离，燃气已有少量膨胀，一部分热能开始转变为机械功。

2、膨胀活塞到达上止点后，在燃烧压力的推动下向下移动，过了最大燃烧压力点，柴油机进入膨胀阶段。

气缸容积增加，压力和温度随之下降。

在膨胀的初期，燃烧仍在继续进行，这种燃烧称为补燃。

第四行程——排气行程

燃烧膨胀过程，活塞向下止点移动，为了使气缸内的废气尽可能排得干净，排气门在活塞到达下止点前提早开启，部分废气就开始排出气缸。

当活塞由下止点向上移动时，则废气在活塞的驱赶下迅速排出。

活塞到达上止点，排气尚未关闭。

仍在利用下一循环进入气缸的新鲜空气，继续扫除一部分废气。

为了使废气能更多地排出气缸，排气门也同样有早开晚关的规律，所以在排气尚未结束，下一循环的进气过程已经开始。

二、柴油机和汽油机的主要区别

1、燃料

（1）汽油机燃料为汽油，表征汽油质量的单位是辛烷值，辛烷值高的汽油自然温度高，抗爆性好。

（2）柴油机主要燃料为柴油，评定柴油质量的单位是十六烷值，十六烷值最高的柴油，容易着火，不易敲缸。

2、进气形式及混合气的形成

（1）、汽油机空气和燃油通过化油器形成均匀的混合气后进入气缸。

混合气中空气与燃油之比，大致可按理论上所需的空燃比供给。

能使气和油的混合比基本上保持不变，并按需要对混合气的供给量进行节流调节。

用改变混合气量的方法调节输出功率，这就是量调节或节流调节，现代汽油机常采用的电控汽油喷射装置，能比化油器更精确地控制油、气混合比。

由于混合气是在气缸外部完成，所以有足够的时间使油和气混合得很均匀，空气利用率很高，接近100%，因此，能获得较高的平均有效压力。

（2）、柴油机首先吸入的是空气，由于进气阻力的影响，通常只能吸入相当于气缸工作容积80%∽90%的空气量。

在压缩行程中，这些空气的体积被压缩到大约1/15-1/20。

空气压缩后温度升得很高，这时才把柴油通过油泵加压和油嘴雾化后，喷入高温气体中进行混合燃烧。

柴油在喷入气缸内与空气混合，一部分是着火预混合，大部分是在火后边喷、边混合、边燃浇。

两部分的混合时间都很短促，因此不能保证均匀混合，空气不能充分利用，一般利有率只有80%左右，因此，平均有效压力较低。

此外由于进气量基本上不变（在转速一定时），而喷油量却随负荷大小有很大的变化，因此，混合气的浓度是变化的，也就是改变了混合气的质量，这种改变混合比的调节，被称为质调节。

3、燃烧

（1）、汽油机汽油机在吸气行程中，吸入的是油、气混合气，到压缩上止点前用电火花点火，点燃气缸的混合气，因此，称点燃式。

由于混合气是预混合后进入气缸，同时压缩点火，因此，着火后整个燃烧十分迅速，几乎是在体积不变的条件下进行，近似于等容燃烧，即奥托循环。

尽管如此，由于汽油机的燃烧是靠电火花点火，然后向周围迅速扩展，因此燃烧虽快，但较为平稳。

（2）、柴油机柴油机吸气行程中吸入的是纯空气，在接近压缩上止点时，把雾化了的燃油喷入气缸，在高温中自然，因此，称为自燃式或压燃式。

自燃时通常已积累了一定热量燃油，和空气预先混合成混合气，一旦着火，燃烧速度十分迅速，近似为等容燃烧。

由于自燃时已有相当数量的燃油同时着火，所以燃烧猛烈，压力升高得很快。

还有部分燃油是在着火后边喷、边混合、边燃烧，接近于等压燃烧，高速直喷式柴油机通常是等容、等压混合循环。

4、爆燃与敲缸

（1）、汽油机当火花塞的火花，点燃了燃烧室内空气和燃油的混合气后；火焰的前锋从火花处向各个方向迅速推进。

这时由于已燃气体的膨胀，而对未燃混合气进行压缩，以及火焰在推进过程中火焰峰面的幅射等原因，使未燃混合气的温度，有时比绝热压缩还要高。

当温度一旦超过自燃温度时，所有未燃混合气，几乎同时着火。

使气缸压力急剧上升，并发出像锤子敲打活塞顶部的噪声，这就是所谓的爆燃。

爆燃的强度与产生自燃时未燃的混合气量有关，即使只有5%的少量混合气，也会产生相当强的爆燃。

（2）、柴油机柴油机从喷油始点到着火始点有一个滞燃期，在这个滞燃期内如果喷入的油量太多，一旦着火，将会产生很高的压力升高率和强烈的燃烧噪声。

当压力升高率超过一定限度，柴油机会出现敲缸现象。

（3）、汽油机爆燃和柴油机敲缸的比较在汽油机内正常燃烧和爆燃，是两种完全不同的现象，正常燃烧是由火花或火焰点燃，而爆燃是自燃引起。

柴油机内正常燃烧和敲缸之间没有本质的区别，都是由自燃产生，只是着火时喷入燃油量的不同，而引起压力升高的猛烈程度上的差别，压力升高率较低，属正常燃烧；过高会引起敲缸。

3、废气涡轮增压柴油机的工作原理

（1）柴油机增压的目的

柴油机通过增压可提高每循环的进气量，因此，可相应增加供油量，以达到加大每循环作功能力的目的，从而提高柴油机的功率；同时，废气涡轮增压，能回收部分废气能量，使柴油机经济性得到明显改善，并能降低排污和噪声；增压又是高原恢复功率的主要措施。

故废气涡轮增压技术是现代柴油机普遍应用的技术。

（2）废气涡轮增压柴油机的工作原理

废气涡轮增压是利用排气能量，通过一个增压器，把进气加压，其工作原理如下：

废气涡轮增压器见图1-3，主要由涡轮机和压气机两大部件组成，与内燃机无机械传动关系，只有气体管路联接。

其中涡轮机进口接通柴油机排气管5，涡轮机出口3通大气，压气机进口8与大气相通，出口接通柴油机进气管7（或通过中冷器后进入进气管）。

工作时具有一定压力的高温废气，从排气管排出。

通过涡轮壳的引入，喷嘴环的导向后，冲向涡轮机叶轮2，使叶轮高速旋转，把废气中的部分动能和热能转变成机械功输出，带动与其同轴的压气机叶轮1同步旋动。

经过叶轮对空气作功，使空气具有很高的动能，流经有叶或无叶的扩压器，部分动能转变成势能，提高了气体静压，最后集中到涡壳，进一步提高压力后输入柴油机进气管。

这样，压气机进口处的空气压力p0，通过压气机后，对空气进行了预压缩，使输入柴油机进气管的空气压力提高了，因此，实际进气压力PK=PO+△P。

（3）、柴油机与涡轮增压器的匹配

为了评定柴油机与涡轮增压器的匹配是否合理，通常将柴油机的运行曲线与压气机的特性曲线叠合起来进行分析。

1．柴油机高速负荷特性柴油机负荷特性是指固定转速下，只改变负荷的曲线。

随着负荷增加，供油量不断加大，排气温度和压力上升，排气能量加大，涡轮增压器转速升高。

同时，使压气机增压比、空气流量及柴油机最高燃浇压力都相应升高。

因此，高速负荷特性的最大负荷，主要受增压器最高转速和柴油机最高燃烧压力的限制。

2．低速负荷特性图1-19轴线2是柴油机低速时的负荷特性曲线。

由于柴油机转速低，废气能量小，所以增压比和空气流量下降很快，这时增加负荷常受最大烟度限制线5的限制，同时在低速时，随着负荷的增加，柴油机运行曲线逐渐接近压气机的喘振边界线。

3．柴油机外特性柴油机在外特性（见图1-19曲线3）上工作时，因齿杆一直保持在最大油门位置不变，所以负荷增加，转速下降供油量沿全负荷速度特性变化。

整个外特性曲线上转速下降时，相应的供油量变化并不十分显著。

因此，排气温度、压力都比较高，涡轮增压器的转速和压气机的压比随柴油机转速下降而下降的速度，也并不像负荷特性上变化那么快。

然而，进气量却因柴油机转速下降而很快减少，并不断靠近喘振边界线。

综上分析，涡轮增压柴油机匹配时应注意：

1）柴油机运行曲线应在压气机的高效区或靠近高效区，尤其是常用工况，更应保持在压气机最高效率区附近。

2）柴油机各种工况都应与压气机喘振线有一定距离，如果与喘振线太近或相交，工作时就可能出现喘振现象。

车用柴油机的工作特点是转速、负荷变化范围宽阔，这给匹配增添了难度。

中速时要求获得最大扭矩，高速时要求最大功率。

如要保证在最大扭矩工况有足够的增压压力，就必须使增压器在中速时就有很高的转速，这样柴油机到标定工况时，涡轮增压器就会出现超速现象，常用的解决办法如下：

1）将部分废气放入大气在涡轮前加一放气阀（旁通阀）（见较长1-3），当柴油机在高速、大负荷进气压力过高时，通过旁通管6，顶开放气阀4（图1-3）使部分废气不经涡轮而直接排入大气。

2）将部分增压空气放入大气同样将压气机出口旁通管接通放气阀，当进气压力过高时，使一部分增压后的空气直接放入大气，经降低进入柴油机的进气压力和进气量，这样可减少进入涡轮的看在眼里气能量，可限制增压器转速上各。

上述两种方法都对经济性有一定的影响，前者浪费了部分废气能量；后者多消耗了涡轮的功率。

4．柴油机增压中冷的目的

空气经增压后，密度增大，进气量增加，但空气压力升高的同时，温度也升高，这在一定程度上又限制了空气密度的提高，增压后的进气温度TK为

Tk=TO+Lk

Cpηk

式中：

TO——大气温度，（K）；

LK——压气机绝热压缩功（KJ）；

CP——等压比热容，[KJ/（Kg·K）]；

ηk————压气机绝热效率。

经过压缩扣的空气温度比大气温度要高得多，如压比为1.6~1.7的压气机出口温度TK有时可高达100℃左右，为此，只有把压缩后的空气，在进入进气管之前进行冷却，才能进一步提高空气密度，加强增压效果，这种措施通常称为增压中冷。

试验表明，在一定的增压压力下，增压空气每降低10℃，密度约增大3%。

同时，随着空气温度的下降，柴油机效率上升，增压空后的空气温度，每降低10℃，功率实际上可提高约3.5%，中冷的作用不但能提高空气密度，加大输出功率，改善经济性，更有意义的是由于降低气缸温度能减少Nox排放量。

此外，还可以降低柴油机热负荷和排气温度，冷却压缩空气，通常用空气冷却或水冷却。

4、涡轮增压柴油机的高原特性及恢复功率

（1）、涡轮增压柴油机高原特性

自然吸气的柴油机到高原工作，由于海拔高、气压低、空气稀薄、进气量少，使动力指标下降，经济性恶化。

而涡轮增压柴油机对海拔高度的变化有较高的适应能力，功率下降不如自然吸气柴油机明显，这是由于涡轮增压柴油机对海拔高度有一定的补偿能力，原因如下：

随着海拔升高，进气量减少，但齿杆行程不变，供油量一定，此油机排温上升，排气能量增加。

加上涡轮背压减少，膨胀比加大，由于表征涡轮作功能力的涡轮膨胀比和涡轮前的废气温度都增加，因此，涡轮转速随海拔高度升高而升高，能提供较大的功率驱动压气机，而使整个增压器转速上升，进气压力也因此提高，起着进气量的补偿作用。

增压柴油机到高原工作，虽然压比加大，但增压后的进气压务PK遵循着随海拔高度上升而减小的规律，所以进气量和过量空气系数a同样会下降。

当a小到一定程度后，燃烧也会受影响，功率、扭矩也因此会下降，但其下降值却比自然吸气机小。

涡轮增压柴油机，虽然在高原运行有一定的补偿能力，但随着海拔高度的上升，压气机增压比不断增加，与压气机喘振线的距离也愈来愈近。

因此，增压柴油机到高原使用，不但要使增压器有足够的超速储备，还应有足够的喘振裕度。

增压柴油机经过中冷后，与不经中冷的增压柴油机相比，随着海拔高度的上升，空气流量虽有同样的增加，但离压气机喘振线却有较大的距离，这就大大地改善了柴油机与压气机的匹配条件。

（2）、柴油机高原增压恢复功率

柴油机高原增压常用作恢复功率，也就是使柴油机在高原稀薄的空气条件下增压，使其恢复到相当于平原自然吸气时的功率水平。

这样的柴油机单纯为了恢复功率，所以，虽然增压，但所供油量与非增压柴油机机在平原时标定功率所需的差不多。

因此，高原增压的柴油机在平原工作时，供油量比相同增压比的柴油机要小，动力指标得不到充分发挥。

但这样的供油量，到高原工作，却能获得较合适的空燃比，经济性、烟度指标不会恶化。

这样的柴油机如回到平原工作时，虽然空气密度增加，但由于齿杆行程控制在相当于平原自然吸气时的标定功率所需的供油水平，因此，功率不会有明显变化，只是由于过量空气系数加大，有时经济性会稍有改善。

使在相同的供油量时，功率、扭矩略有提高。

不过，如果过量空气系数a过大（a>2.5），会因泵气损失和冷却损失加大而使热效率下降，动力指标也就不会提高，甚至会下降。