PPT《天然气发动机基本结构及工作原理》

天然气发动机基本结构及工作原理 主讲人:宋浩勇 天然气基本知识 天然气在室内空气中的含量达到5%--15%时,一遇明火或高温物体,甚至开关电灯时所产生的电火花,都可引起门窗紧闭的房间发生爆炸.

天然气中含有少量的硫化氢气体,国家有关规范要求,一立方米天然气中硫化氢含量小于或等于20毫克,它具有臭皮蛋气味,并且硫化氢气体还是一种强烈的神经性毒物. 对天然气发动机组要做到哪四懂三会 四懂:懂结构;

懂原理;

懂性能;

懂用途.三会:会使用;

会维护保养;

会排除故障. 压缩机组维护保养十字作业法 清洁、润滑、紧固、密封、防腐 发动机基本知识 发动机分类发动机工作原理发动机结构 一 发动机的分类 发动机是将某一种形式的能量转变成机械能的机器. 按燃料的使用不同分 汽油机 柴油机

一、发动机的定义:

二、发动机的分类 : 目前我们接触的大多是往复活塞式内燃机.它将燃料在发动机气缸内部进行燃烧,把产生的热能转变成机械能. 气体燃料发动机 二 发动机工作原理 把热能转换为机械能的发动机称为热力发动机,简称热机.供热机使用的能源,主要来源于燃料燃烧释放的能量.根据燃料燃烧过程所处的位置不同,热机可分为外燃机和内燃机两大类.燃料在发动机内部进行燃烧的热机,叫做内燃机.典型的往复式内燃机一般将燃料(汽油、柴油或天然气)引入气缸内直接燃烧产生高温、高压的燃气,再通过燃气在气缸内的膨胀,推动活塞作功,活塞的往复运动由连杆传给曲轴,使曲轴旋转而输出机械功.四冲程发动机的四个工作过程是:吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程 发动机几个基本术语

1、上止点(下止点)定义:活塞顶离曲轴旋转中心最远(近)处.即活塞的最高(低)位置.

2、活塞行程S定义:活塞上、下止点之间的距离.若曲柄半径为R,则:S=2R

3、气缸工作容积(气缸排量)Vh定义:活塞从上止点到下止点所扫过的容积.常作为表征内燃机尺寸大小及动力性能的主要结构参数之一.

4、发动机排量(发动机工作容积)VL定义:发动机各气缸工作容积的总和.定义式:i-汽缸数 D-汽缸直径,cm S-活塞行程,cm

5、燃烧室容积Vc定义:活塞在上止点时,活塞顶以上的空间容积.

6、气缸总容积Vc定义:活塞在下止点时,活塞顶以上的空间容积.定义式:Va=Vh+Vc

7、压缩比ε定义:气缸总容积与燃烧室容积的比值.定义式:ε=Va/ Vc=1+Vh/Vc压缩比是发动机的重要性能参数.

8、工况定义:内燃机在某一时刻的运行状况.表示方法:有效功率和曲轴转速.

9、负荷率定义:内燃机在某一转速下发出有效功率与相同转速下所能发出最大有效功率的比值. 四冲程内燃机工作原理

1、吸气冲程:目的是吸入新鲜空气,为燃料燃烧做好准备.活塞从上止点向下运动,进气门被配气机构强行打开,气缸内形成真空,空气通过进气门被吸入气缸. 四冲程内燃机工作原理

2、压缩冲程:目的是提高气缸内空气的压力和温度,为燃烧创造有利的条件.活塞从下止点向上运动,由于进气门被关闭,所以,气缸里的空气被压缩,压力和温度升高.升高的程度与压缩程度相关联. 四冲程内燃机工作原理

3、做功冲程:在活塞运行到上止点之前和以后的一段时间里,燃料在气缸里进行了燃烧,使气缸里的温度和压力更加急剧升高.气缸里高温高压气体的膨胀推动活塞向下运动,直到下止点. 四冲程内燃机工作原理

4、排气冲程:目的是清除气缸里的废气.活塞由下止点向上止点运行,配气机构强行打开排气门,气缸内的废气压力大于外界空气压力,废气通过排气门排出. 三 发动机结构 曲柄连杆机构 配气机构 燃料系统 启动系统 点火系统 润滑系统 冷却系统

1、曲柄连杆机构 曲柄连杆机构是发动机进行热功转换和运动形式转换的主要机构,其工作原理是:进入发动机气缸内的燃料混合气,被火花塞点燃后膨胀作功,推动活塞向下运动,活塞通过连杆使曲轴旋转,曲轴旋转再通过连杆使其它气缸的活塞完成辅助行程.这样周而复始,气体燃烧做功带动曲轴旋转,向外输出动力.

1、曲柄连杆机构 图1 曲柄连杆机构示意图

1、曲柄连杆机构 曲柄连杆机构主要包括气缸、活塞、连杆、曲轴、飞轮和轴承及密封件等. 气缸 1)缸数:天然气发动机常用缸数有

6、

8、

12、16缸.一般来说,在同等缸径下,缸数越多,排量越大,功率越高;

在同等排量下,缸数越多,缸径越小,转速可以提高,从而获得较大的提升功率.2)缸体 气缸体的主要功用是用来安装气缸套.为保证气缸套在高温燃气的作用下能够正常地工作,必须具有可靠的冷却条件,有风冷式气缸体和水冷式气缸体. 气缸 3)气缸套气缸套是指在缸体内为活塞往复运动作导向而单独制成的零件. 气缸套的主要作用是:与气缸头、活塞形成气体压缩、燃烧和膨胀的空间,以实现发动机工作循环过程;

对活塞往复运动起导向作用;

向周围冷却介质(空气或冷却液)传递一部分热量,以保证活塞组和缸套本身在高温、高压环境下正常工作.发动机工作时气缸套内表面直接与高温、高压燃气接触,燃气最高温度可达2000℃左右,还要受到进气过程冷空气及外表面冷却液的低温作用,使气缸套受到相当大的机械应力和热应力;

同时,在润滑条件不良的情况下,活塞沿其表面高速运动,使其受到强烈的磨损;

燃气对气缸套内表面的化学作用,冷却液对气缸套外表面穴蚀作用,使其产生严重的穴蚀和腐蚀.由此可见,气缸套工作条件十分恶劣,是发动机上最容易损坏的零件之一.气缸套使用的可靠性与耐久性,在很大程度上决定着发动机的使用寿命. 活塞组 活塞组的作用是与缸头和缸套共同组成所需形状的燃烧室;

保证气缸内部空间的密闭性,承受气缸内气体的压力,并将此压力通过活塞销和连杆传给曲轴,变活塞往复运动为曲轴旋转运动.活塞直接与高温、高压燃气接触,而且又作高速往复运动,因此要求活塞的材料应具有良好的导热性和较小的膨胀系数,且在具有足够强度的同时尽可能减轻质量,同时要求活塞还应具有良好的耐磨性.活塞组是发动机中工作条件最严酷的组件,发动机的活塞通常是由特殊的合金材料铸造而成. 活塞组 图2 活塞示意图 活塞组 活塞顶部是盘状的,形成一个凹型,即开放式的燃烧室.在活塞顶部下面有一空腔,以给润滑油一合适的循环空间,冷却活塞顶,以免过高的热量传输到活塞环.该腔室用一专用的铝塞密封.在活塞销和腔室的间钻有两个孔,以便让冷却油从活塞销流到本腔室,也可将过量的润滑油送回曲轴箱.这两个孔均有插塞塞住.活塞上配有多道活塞环,承压环、密封环安装在活塞销的上部,刮油环安装在活塞裙部.最顶部的环是承压环,接下来是密封环.刮油环沿油环槽钻有泄油孔,用来将过剩的油送回发动机的曲轴箱.活塞销是由优质材料制成,并经磨削达到高精度公差范围内.活塞销采用全浮式.活塞销两端采用冲压的钢塞密封,中间钻有油孔,冷却润滑油从连杆中的油孔流过活塞销中心再到达活塞内腔顶部;

活塞销用内部膨胀型锁环固定. 连杆组 连杆由小头、杆身和大头三部分组成.连杆小头与活塞销相连. 连杆通常是由优质钢锻造制成.连杆的大头端是分体的,并借助于四个合金螺栓、垫圈和自锁螺母来固定精密型连杆轴承、轴承盖.轴承盖和连杆体作为一个组件,整个组件必须一起进行更换;

上下瓦是不可互换的.当拆卸轴承盖时,要确保上下轴瓦正确安装,即下瓦上有一个径向油槽. 连杆组 图3 两种不同连杆示意图 连杆组 连杆轴承是通过从一个临近的主轴承的曲轴油孔获得润滑油而进行润滑的;

在轴瓦中的油槽从曲柄销处获得润滑油,并将润滑油通过连杆油孔送到活塞销销套,再送到活塞冷却室内.连杆小头端有两个钢支架的青铜轴衬套.这些衬套在中心处是分开的,以给活塞销、销套及活塞冷却室提供润滑油. 曲轴 曲轴由优质合金钢制成.曲轴的前端用于驱动辅助设备,并安装有一个扭转减振器;

曲轴的后部有一个整体锻造的法兰,法兰上连接有飞轮.曲轴上装有甩油环和迷宫密封用来防止润滑油沿轴向泄漏.曲轴上还装有齿轮,用于驱动正时齿轮等. 曲轴 图4 曲轴飞轮组示意图 曲轴 曲轴内设有油道,润滑油可通过油道到达主轴瓦轴颈,再通过曲轴油道润滑主轴瓦,并进一步通过连杆油道润滑活塞销,冷却活塞.曲轴主轴瓦是中分式精密型轴瓦,装配时不需要垫片调整或手工刮研.上下轴瓦不能互换.当安装轴瓦时,应彻底清洁,决不能对轴瓦或轴承盖进行任何的切削、锉磨或修配.曲轴的止推由两个半圆型止推轴承来实现,它们分别在主轴承轴鞍的两侧.它们与底座上精密加工的凹槽配合并用轴承盖来防止转动.当取下轴承盖时,它们可以绕轴颈旋转以便取下.轴承安装时带槽的一面应朝向曲轴的推力面.主轴瓦表面由巴氏合金薄层附带一个铜锡合金垫圈组成,如果20%以上的巴氏合金已经磨损,暴露出铜锡合金,轴瓦应该进行更换. 飞轮 飞轮是由一块铸铁大圆盘和钢制齿圈组成,作用是将在作功行程中由曲轴输入的能量的一部分贮存起来,用以在其他行程中克服阻力,带动曲柄连杆机构越过上、下止点,使曲轴的旋转角速度和输出扭矩尽可能均匀,提高发动机运转的稳定性,并使发动机有可能克服短时间的超载荷.在飞轮上通常刻有第一缸点火正时标记,以便校准点火时间.

2、配气机构 配气机构是按照发动机各气缸的工作顺序和配气相位完成换气过程的控制机构.配气机构应尽量保证发动机各气缸的换气充分,使发动机具有良好的动力性能;

特别在高速运转时应尽量减少振动和噪音.配气机构可从不同角度来分类.按气门的布置分为气门顶置和气门侧置式;

按凸轮轴的布置位置分为下置式、中置式和上置式;

按曲轴和凸轮轴的传动方式分为齿轮传动式、链条传动式和齿带传动式;

按每气缸气门数目分,有二气门式和四气门式等

2、配气机构 图5 顶置式气门的配气机构示意图 1凸轮;

2挺柱;

3推杆;

4调整螺丝;

5摇臂;

6摇臂轴;

7气门弹簧座;

8气门弹簧;

9气门;

10气门导管

2、配气机构 配气机构主要包括:进排气系统、气门传动组、气门组等. 进排气系统 发动机的进排气系统主要包括:空气过滤器、进气道、涡轮增压器、中冷器、空气汇管、排气汇管、排烟道、消音器等.空气过滤器 空气过滤器通常为纸质的桶状或块状过滤器.当空气进气压差超过规定值时,应对空气过滤器进行清吹或更换新空气过滤器. 涡轮增压器 涡轮增压器是利用发动机排出的部分废气能量,通过涡轮驱动压气机使空气增压的一个装置.主要由压气机(包括压气机叶轮、压气机涡壳等)、涡轮机(包括涡轮叶轮、涡轮涡壳等)和中间体三部分组成.中间体内有轴承,以支撑转子总成(压气机叶轮、涡轮叶轮和轴等),还有密封、润滑油路和冷却腔等.涡轮增压器的工作原理是:利用发动机排气汇管排出的废气的能量,推动涡轮机的涡轮高速旋转,并带动压气机同步高速旋转,将新鲜空气压缩后送入发动机气缸,从而增加了发动机的进气量,以使更多的符合配比的混合燃气在气缸内燃烧,进而达到提高发动机的功率和改善经济性的目的. 气门组 气门组一般由气缸头、气门、气门座、气门导管、气门弹簧及锁紧装置等组成.气缸头 气缸头是用来密封气缸的重要部件.缸头和缸套的接合面由密封垫片进行密封.每个缸头上都安装有进气门、排气门、燃料气注气门和一个火花塞,有的还安装有预燃室、点火传感器等.缸头上的空气进气道与空气进气汇管相连接,燃料气进气道与燃料气进气汇管相连接,排气道与排气汇管相连接.缸头上还设有水道,用于冷却气缸顶部. 气门组 气门 发动机气门是由特殊的耐热合金钢制成,其作用是开启和关闭进、排气通道,可分为进气门、排气门和燃料气注气门.气门间隙(进气门:0.50mm±0.08 mm排气门:1.27mm±0.08 mm注气门:0.64mm±0.08 mm)气门座、气门导管 支承气门锥面的部件称为气门座,它与气门共同完成密封气缸的作用.发动机采用的镶嵌式气门座是用耐热合金钢加工而成的. 气门导管的作用是保证气门作直线运动,使气门与气门座正确配合. 气门组 气门弹簧 气门弹簧的作用是使气门迅速回位和保持密封,并减缓和克服气门及其它传动部件所产生的惯性力.发动机通常采用双气门弹簧结构,即采用两根直径及螺距不同,螺旋方向相反的内、外弹簧.两个弹簧的固有频率不同,若一个弹簧进入了共振工况,另一个弹簧可以起减振作用.采用双气门弹簧不仅可以防止共振,而且还可以起安全作用,因为如果其中一个弹簧折断,另一个弹簧尚能继续工作,不致立即发生气门掉入气缸的事故.双气门弹簧内、外弹簧螺旋方向相反,是为了避免相互干扰,当一个弹簧断裂时,不致嵌入另一个弹簧圈内,使另一个弹簧卡住而造成配气机构零件的损坏.对气门弹簧应定期仔细检查有无凹坑或裂纹,如发现缺陷应立即更换新弹簧. 气门传动组 气门传动组是由凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂、正时齿轮等组成.凸轮轴 凸轮轴是气门传动组的主要零件.凸轮轴上的凸轮直接控制气门的启、闭时间和运动规律,因此要求有合理、精确的凸轮外形.凸轮轴要承受气门及其挺柱、推杆的周期性冲击载荷,故凸轮轴应当有足够的刚度.凸轮与挺柱之间有很高的接触应力和滑动速度,所以要求凸轮表面光滑耐磨.凸轮轴位于发动机机体内,安装在分体精密型的轴承内.每个凸轮轴由曲轴正时齿轮驱动. 气门传动组 挺柱及推杆 挺柱是由滑块组成,滑块上装配有可滚动的滚轮.每个挺柱都有一个独立的铸铁合金支架,安装在凸轮轴的上方.每个挺柱都具有精密的机械镗孔.推杆是由无缝钢管制成,底部有球形衬套,顶部有插槽形衬套.摇臂 摇臂由一个附在气缸头上的支架支撑.青铜衬套被压入摇臂内以获得在摇臂轴上的最小轴承摩擦力.为了对所有的摩擦表面进行润滑,摇臂轴及摇臂上钻有油孔. 摇臂的推杆端装有调节螺钉和锁定螺母.这些部件都需定期检查或更换,以获得所需的气门间隙.与气门接触的摇臂末端具有一定的硬度,以减小磨损.

3、燃料系统 天然气发动机燃料系统的作用是:按照发动机各缸的工作顺序,将与负荷相适应的一定数量和一定质量的清洁的燃气混合气输入气缸.当发动机控制盘发出启机信号后,发动机经过启动马达拖转、清吹后,仪表气信号到达气动控制阀,气动控制阀打开,燃料气经过气动控制阀,再经过调速器控制的燃气度量阀,最后到达燃气汇管;

发动机每个气缸均有一个燃料气注气门,只有当注气门打开时,燃料气才能通过注气........