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1、第二章 柴油机的结构和主要零部件,船舶柴油机主要零部件指燃烧室部件（活塞、气缸和汽缸盖）、曲柄连杆机构（十字头、连杆、曲轴和轴承）、机座、机架和贯穿螺栓。,第一节 柴油机的结构特点,一、现代柴油机的结构特点1气缸尺寸采用长行程或超长行程.现代大型低速长行程活超长行程二冲程柴油机都采用直流扫气。2燃烧室部件普遍采用钻孔冷却结构3采用旋转式排气阀及液压式气阀传动机构 4喷油泵采用可变喷油定时（VIT）机构5采用薄壁轴瓦6独立的气缸润滑系统7曲轴上增设轴向减振器8焊接曲轴,二、筒形活塞柴油机的结构特点 筒形活塞式柴油机的特点：1、活塞的高度一般较大2、活塞上下运动时的导向作用由活塞本身下部的筒形裙部
2、来承担3、活塞通过活塞销直接与连杆的小端相连，在运动时活塞与气缸壁之间产生侧推力4、活塞底部与曲轴箱连通，气缸多采用飞溅润滑，气缸壁上流下的润滑油直接流入曲轴箱内。,优点：结构简单、紧凑、轻便，发动机高度较小。缺点：由于运动时有侧推力，活塞与气缸壁之间的磨损较大。适用：目前高速及中速柴油机都采用这种构造形式。,三、十字头式的柴油机的结构特点,十字头式柴油机的特点1、活塞的高度一般较小，活塞与活塞杆相连，活塞杆下端通过十字头上的十字头销与连杆的小端相连接。2、活塞上下运动时的导向作用主要由十字头承担，侧推力产生在滑块与导板之间。3、活塞不起导向作用，与气缸壁之间的间隙较大，磨损小，不易卡死。4、
3、汽缸下部有横隔板，把气缸和曲轴箱隔开防止气缸的赃物污染曲轴箱底的润滑油。5、活塞下方空间形成活塞底泵，作为辅助的扫气泵。,缺点：是柴油机高度和重量增大，结构复杂。适用：目前大型低速二冲程柴油机都采用十字头式柴油机形式。,第二节 活塞,一、活塞的作用和工作条件 1活塞的作用（1）与气缸、气缸盖等组成封闭的燃烧室空间。（2）传递燃气动力。（3）在筒形活塞式柴油机中，还要承受连杆倾斜时所产生的侧推力，起往复运动的导向作用。（4）在二冲程柴油机中，还要起启闭气口作用。,2活塞的工作条件（1）承受燃气压力和往复惯性力所引起的带有冲击性的机械负荷。（2）活塞顶部直接接触高温燃气，不仅热负荷很高，各部分间有
4、温差热应力，而且还受到燃气的化学侵蚀（低温腐蚀）。（3）活塞作往复运动，活塞与气缸润滑状态差，因此摩擦功大，磨损严重。（4）在中、高速柴油机中，活塞的往复惯性力还会使柴油机振动加剧。,二 活塞的要求和材料,1对活塞的要求 针对以上的工作条件，活塞必须满足以下要求：要求活塞具有强度高、刚性大、密封可靠、散热性好、冷却效果好、摩擦损失小、耐磨损的特点；对中、高速柴油机还要求重量轻（密度小）。,2活塞材料 活塞所用的材料主要有三种：铸铁（合金铸铁、球墨铸铁）、钢（碳钢、耐热合金钢）和铝合金。（1）铸铁易于浇铸，耐磨性好，机械强度较高，线膨胀系数小，故活塞与气缸间允许有较小间隙，铸铁的价格也便宜，是制
5、造发动机活塞最基本的材料。（2）钢的机械强度高，但耐磨性差，成本较高。主要用于大功率中低速柴油机，因为它们的活塞机械负荷和热负荷都很高，单靠铸铁已承担不了这一负荷，因此往往用耐热合金钢作为受热最严重的活塞头部材料。（3）铝合金的比重小，为铸铁的1/3左右。导热系数比铸铁高2倍左右，利于散热。但高温强度差，铝合金的线膨胀系数大，所以活塞与气缸之间的冷态间隙要求较大，造成冷车启动困难。其耐磨性也较差，成本也较高。因此仅用于制造中小型柴油机的活塞，以减小往复惯性力。,一、筒形活塞（trunk piston):活塞头(piston head)活塞裙(piston shirt)活塞环(piston ri
6、ng)活塞销(piston pin）刮油环,活塞环,作用：密封环主要起密封气缸和散热的作用。其密封作用主要是靠气环本身的弹力形成第一次密封。在气缸内气体压力的作用下又使环紧贴于气缸壁和环槽平面形成第二次密封，第二次密封的作用比第一次密封更重要。活塞环通常有4-5道，搭扣成180交错，增加密封可靠性。刮油环既能刮油也能布油。,工作条件；第一道密封环直接受到高温高压燃气的作用，条件最恶劣。活塞环的润滑条件也受到限制，特别是第一、二道气环的润滑条件最差，处于边界摩擦状态，使得它与缸套、活塞环槽之间产生严重的摩擦和磨损。,要求：对活塞环的要求是耐热、耐磨、耐腐，有足够的强度，并具有一定的弹力，以保证装
7、入气缸后有一定的径向压力。环的表面硬度稍高于缸套为宜。刮油环处在下面气体力小，环的弹力应该加大。,材料：要求活塞环要弹性好、摩擦系数小，耐磨、耐高温，一般采用合金铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁。环塞环表面镀铬目的:提高耐磨性;环塞环松孔镀铬目的:提高表面贮油性加快磨合;内表面刻纹目的:提高弹性;外表面开设沟槽目的:蓄油;外表面镀铜目的:以利磨合;外表面喷镀钼以防止粘着磨损.,结构根据断面形状分类矩形：制造简单、应用广，200C时易结焦卡死。梯形：可促进磨合、防止烧结，允许温度高，但锥面配合精度高。（宽面贴近缸套）倒角：工作初期承压面小，易磨合，适应缸壁硬度较高柴油机，倒角利于形成油锲，不宜作第一、二
8、道环。内切槽扭曲：放在第一道，切槽朝上安装，防止滑油刮入燃烧室。外切槽扭曲：放在第二、三道，切槽朝下安装。此两种常在中速机上用。,图2-6 气环的断面形状,a:矩形环b:梯形环c:倒角环d:内切槽扭曲环e:外切槽扭曲环,内切槽环切槽朝上，外切槽环切槽朝下,搭口形状直搭口：结构简单、加工方便斜搭口：结构简单、加工方便，气密性较好。搭口一般为30-45，45较多。重叠搭口：气密性好，但容易折断。安装活塞环时搭口应错开并且相邻环搭口方向要彼此相反，这样可减少漏气、防止划痕。,密封环间隙,密封环的间隙分为搭口间隙（开口间隙）、天地间隙（平面间隙或端面间隙）及环背间隙。搭口间隙为工作状态下切口的垂直距离
9、；天地间隙为环端面与环槽上或下面的垂直间隙。活塞环的天地间隙和搭口间隙一般为第一、二道环最大依次减小。,刮油环的结构,刮油环：单刃刮油环和双刃刮油环。刮油环的特点：与密封环相比其环与缸壁的接触面积小，以增加接触压力，提高刮油效果；环与槽的天地间隙小，以减小泵油作用；搭口间隙小于密封环；环槽和刮油环本身都开有足够大的集油空间和泄油通道。注意：当刮油环刮刃为锥状表面时，要把刮刃的刀口的尖端朝下。,环跳现象：通常随着活塞的往复运动，活塞环也随之产生上下运动是正常的。但当柴油机转速增高，或环的张力（弹力）不足时，就容易因惯性作用而引起气环不应有的、在环槽中的上下运动，密封环不再紧压在环槽底面而是上行并
10、悬浮在环槽中，这就是所谓“环跳”（飘环）现象。,泵油现象：装密封环后也带来了坏处，就是密封环在不断的往复运动中会把气缸壁上的润滑油不断地泵进燃烧室烧掉，使润滑油耗量增加，活塞顶积炭。密封环的这种泵油作用是由气环在缸壁上的刮油作用及气环在环槽中的挤油作用而引起的，四冲程柴油机在进、排气冲程中要产生泵油作用。,1、工作条件：受气体力和惯性力，受摩擦和磨损，润滑条件差。要求有足够的耐疲劳强度、抗冲击韧性、耐磨性和重量轻。2、选材：多用优质碳钢或低碳合金钢制造，采用中空结构。表面渗碳淬火，表面硬度高，内部韧性好。3、结构形式：浮动式、固定式、半浮动式1.浮动式：活塞销在连杆小端和销座内部都可以自由转动
11、。（销磨损小且均匀，应用最广）2.固定式：活塞销固定在销座内部。3.半浮动式：活塞销固定在连杆小端。,活塞销(piston pin)-只在筒形活塞中有,4、特点：浮动式销两侧用卡簧轴向定位，防止窜动。为减轻重量，活塞销作成中空的。销上径向孔：用来输送润滑油冷却活塞头、润滑活塞销座和连杆小端。主要受力面为活塞销座上面及连杆小端轴承的下面。一般将销座和连杆小端做出阶梯形，以增加承压面积。在装配时活塞销与活塞销座孔应有一定过盈，故应将铝合金活塞加热到90100，然后再将销轻轻推入销座中。切忌硬敲击，以免擦伤销和销座。,活塞销(piston pin)-只在筒形活塞中有,筒形活塞,（1）非冷却式筒形活塞
12、：非冷却式筒形活塞用于缸径较小、强载度较低的中小型柴油机中，因为活塞的尺寸小，其相对散热面积较大，散热条件较好，不采用强制性的冷却措施，活塞头所吸收的热量主要是通过活塞环向气缸套及其外侧的冷却水散出，称之为径向散热。为了便于散热，顶部较厚并沿半径方向逐渐增厚，顶部内腔环带的过渡圆角半径较大。活塞工作时，上下温度差很大，上部热膨胀量比下部大，活塞在制造时外形呈上小下大的圆柱体。为了防止活塞在汽缸呢咬死，常将活塞销座附近的沿径向制成椭圆形或凹陷型。,2）冷却式筒形活塞：使用冷却介质(如淡水、滑油)对活塞顶内腔进行强制冷却常用的冷却方式有四种。（冷却介质滑油）自由喷射冷却循环冷却振荡冷却喷射-振荡式
13、冷却,自由喷射冷却滑油在压力作用下经连杆杆身内的输油通道，自下而上经连杆小端上部的喷嘴喷出冷却活塞顶，然后落入曲轴箱。此冷却方式多用在强化度不高的小型柴油机中循环冷却借助于专设的冷却机构把压力滑油送入活塞顶内腔中循环冷却(先周围后中部)。此时需在活塞顶内设循环腔或埋入蛇形管。这种冷却方式可对活塞顶部进行均匀而有效地冷却，但对强化程度很高的现代柴油机仍不能满足要求,振荡冷却振荡速度(与活塞平均速度同量级)与冷却液循环流速叠加可产生较大的冷却液速度，加强了冷却液的扰动作用，从而提高了对活塞顶的冷却效果，因而在大、中型强载柴油机上普通采用喷射-振荡式冷却冷却油通过喷嘴直接喷射到活塞顶下部，并且在排出
14、冷却腔之前，在冷却腔内振荡，由于喷射和振荡的双重效果，确保了低的活塞表面温度并避免了表面的烧蚀,筒形活塞：在筒形活塞中广泛采用的是在曲轴、连杆中钻孔，滑油由主轴承经此孔道送至连杆小端，再经过活塞销和活塞销座中的孔道送至活塞头冷却空间，冷却后的滑油泄回曲轴箱,自由喷射式,蛇形管冷却,振荡式,三 活塞的组成和结构特点,十字头式活塞（cross-head piston):活塞头(piston head)活塞裙(piston shirt)活塞环(piston ring)活塞杆(piston rod)活塞冷却机构(piston cooling gear),图2-4 S50MC-C十字头式柴油机活塞 1-
15、活塞杆；2冷却油管；3活塞裙；4活塞环；5活塞头,二、十字头活塞,十字头式活塞（cross-head piston):活塞头(piston head)-耐热合金钢活塞裙(piston shirt)-耐磨合金铸铁活塞环(piston ring)活塞杆(piston rod)-优质碳素钢活塞冷却机构(piston cooling gear),组成方式,活塞头、活塞裙和活塞杆用柔性螺栓连接。1、活塞头：由耐热合金钢组成；活塞头顶部成下凹形，利于扫气和受热后自由膨胀，也利于燃油(fuel)和空气混合；活塞头内部支撑（薄壁强背）；周向凹槽供拆卸活塞起吊工具使用；低置活塞环，提高活塞顶岸高度。,2、活塞裙
16、：由耐磨合金铸铁制造；由于不受侧推力和属于直流扫气，活塞裙比较短可以降低发动机的吊缸高度。3、活塞杆：优质碳素钢锻制而成；上与活塞头下与十字头连接；工作中不受拉力只受压力，有足够的抗压度，压杆稳定性好;活塞杆与十字头间装配调节垫片（调节压缩比）；中间是空心的用于冷却通道（也有实心的）,4、活塞环十字头式柴油机采用气缸注油润滑的方式，一般只装气环，没有刮油环。新型十字头式柴油机通常只装4道环，第一道环采用重叠搭口，并开压力释放槽，第二、三、四道环采用斜搭口。环表面金属陶瓷、铝磨合层。,十字头机上，专为活塞与气缸的磨合而设.1.短裙装1-2道，长裙装2-4道,超短裙不装.2.先磨合金属与气缸，然后
17、气缸与活塞裙进行磨合。承磨环虽磨平，但不必更换，除非有不正常的磨损、擦伤、碎裂、缸套/活塞换新。3.中、小筒形机上不设承磨环，长裙活塞不设环会拉缸。4.缸套活塞换新时承磨环应予换新.5.从承磨环的磨损情况可分析活塞的对中情况.,承磨环,.活塞杆填料函：（装在十字头机活塞杆穿过横隔板处）.作用：防止扫气空气和气缸漏污物/油漏入曲柄箱，以免加热和污染曲柄箱滑油，腐蚀曲轴与连杆等。同时也防止曲轴箱中的滑油溅落到活塞杆上带入扫气箱污染扫气空气。,五、活塞杆填料函,结构：上组为密封刮油环；下组为刮油环。函壳体外表面有“O”形圈，阻止横隔板上的污物沿填料函装配孔落入曲轴箱。壳体内表面有八道环槽，上三道槽中
18、装用以防止扫气空气向下沿活塞环漏泄的组合环，（最上一道带斜刃，起密封和刮油作用）。下五道装刮油环，刮活塞杆上滑油（上一道刮的油通往机外，下四道刮的油流回曲轴箱）每段刮油环及密封环都由三段青铜环组成，外面用弹簧箍紧。,活塞杆填料函(Stuffing Box),六、活塞冷却机构,2.十字头式活塞中：铰链式冷却机构：结构简单，仅用于油冷却，密封性不好。套管式冷却机构：密封性好，大多以水作为冷却介质，存在“水击”现象。动管装在活塞上，不动管装在水箱中；不动管的上的导套起导向和密封作用；,一、气缸的作用及工作条件二、气缸的组成和结构特点1.气缸体 cylinder body2.缸套 cylinder l
19、iner,三、气缸,作用,组成燃烧室,其导承作用（筒型机,承受侧推力,在其上开气口布气道（二冲程,下部用作扫气泵空间（十字头机）,外部安装扫气箱、排气管、凸轮轴箱和增压器等,工作条件,承受气缸盖安装预紧力,受燃气高温高压和腐蚀,在活塞的摩擦、敲击和侧推力作用,冷却水的腐蚀和穴蚀,要求,足够的强度或刚度,良好的耐磨性和抗腐蚀性,良好的润滑和冷却；可靠的气封环和水封,球墨铸铁、灰铸铁、耐磨合金铸铁高速机也有采用氮化钢,材料,多孔性镀铬、氮化、磷化、表面淬火、喷镀耐磨合金等工艺提高气缸套的耐磨性和抗腐蚀性,气缸,气缸体（支撑缸套和容纳冷却水）,缸套,形式,应用,材料,单体式;分组式;整体式,大尺寸柴
20、油机，单体或分组式（为方便拆装）中小柴油机，整体式（为增加刚性）,灰铸铁和球墨铸铁,.,1、缸套种类湿式气缸套 湿式气缸套的外表面直接与冷却水接触。冷却效果良好；缸套受热以后能自由膨胀，不易产生变形，但容易产生穴蚀，而且必须有可靠的冷却水密封措施.是应用最广泛的一种形式。,二、缸套,干式缸套干式缸套的外边面不与冷却水接触；气缸体自身生成一个密封冷却腔，缸套内的热量只能间接地通过气缸体向冷却水散热，效果差。只适用于大批量生产的小型柴油机,2、缸套的定位和密封,气缸套一般用上凸缘作轴向定位，与气缸体上部的支撑相配，由气缸盖压紧在气缸体中，气缸套下端是不固定的，让它受热后可以自由伸长。为保证缸套上部
21、凸肩区工作可靠，在结构上通常可采取燃烧室上移、燃烧室下移或钻孔冷却等措施。汽缸套顶部与汽缸盖之间有紫铜垫圈，防止漏气，也可调节压缩比。,气缸套凸缘下端面与缸体支撑面之间也有紫铜垫片，密封冷却水缸套下部有几道环形槽用于装密封胶圈，防止漏水。,3、缸套润滑,飞溅润滑：筒形活塞柴油机。有的也辅助气缸注油，注油孔位于第一、二道环之间。注油润滑：十字头因为有横隔板，只能通过气缸注油器。,4、缸套的冷却,采用淡水循环冷却。冷却水由最低处进入，由最高处排出。为加强上部的冷却采用螺旋形水道或者钻孔冷却。,一、气缸盖的作用、工作条件二、气缸盖的要求和材料三、气缸盖的组成和结构特点,气缸盖Cylinder cov
22、er,一、气缸盖的作用、工作条件1、气缸盖的作用（1）密封气缸、与活塞和缸套一起组成燃烧室；（2）安装阀件，有喷油器、气缸启动阀、安全阀（开启压力不超过14倍最高爆发压力）、示功阀，对于四冲程机，还有排气阀、进气阀，以及气阀的传动机构等；（3）布置冷却水通道；（4）四冲程柴油机缸盖中要布置进、排气通道。,2工作条件（1）柴油机工作时，气缸盖底面要受到高温、高压燃气的作用；（2）冷却水腔受到水的腐蚀作用；（3）受到缸盖螺栓预紧力作用；（4）缸盖结构复杂使机械应力和热应力分布不均匀。,二、汽缸盖的要求和材料,1要求 为了保证柴油机正常工作，要求气缸盖具有足够的强度和刚度、冷却良好、温度低而均匀、构
23、造简单，并便于拆装、检修和管理。2材料 气缸盖通常采用灰铸铁、合金铸铁、球墨铸铁以及铸钢、锻钢等材料制造。现代二冲程长冲程柴油机的缸盖大多采用锻钢制造，而中、小型高速柴油机的缸盖则常用灰铸铁。,三、汽缸盖的组成和结构特点,现代高增压超长行程新型低速柴油机气缸盖的结构为单体锻钢钻孔冷却式。,气缸盖有整体式和单体式。整体式气缸盖:将整个柴油机所有气缸的气缸盖或相邻几个气缸的气缸盖合铸成一体.特点：它能最大限度地减小相邻两缸中心距离，有效地缩短柴油机的长度，提高柴油机刚度，多用于中小型高速柴油机中。,单体式分整体单体式和组合单体式整体单体式：即每缸一盖，用同一材料整体制造。组合单体式：每缸一盖，用不
24、同材料分开制造形成组合结构。合理使用材料。船用大型低速二冲程柴油机的缸盖可采用上下组合（上为碳素钢，下为耐热合金刚）或内外组合（内为铸铁外为碳素钢）。特点：单体式缸盖刚性好，制造容易，安装方便，可单独修理，且缸盖密封性好，容易解决热变形，制造成品率高，适用于大中型柴油机。,实例大型低速柴油机气缸盖的构造（MAN B&W S-MC-C型柴油机气缸盖直流阀式二冲程机）1.圆形，由锻钢制造2.缸盖中央有排气阀。3.气缸盖上有气缸起动阀、安全阀、示功阀及喷油器孔。4.缸盖钻孔冷却,体现了“薄壁强背”原则。8.缸盖螺栓的紧固由液压拉伸器完成。,图2-18 Wrtsil 32型柴油机气缸盖1-冷却腔;2-气缸盖;3-喷油器;4-排气阀孔;5-进气阀孔;6-气阀;7-阀座,
