第二章第2节燃烧室部件

第二节、燃烧室部件一、工作条件和承受的负荷及结构特点工作条件内部承受到燃气高温、高压和腐蚀,活塞的摩擦、敲击和侧推力;外部受到冷却水的腐蚀和穴蚀;是柴油机中工作条件最恶劣的部分.承受负荷机械负荷热负荷机械负荷分析具有冲击性和周期性安装预紧力引起的负荷气体力引起的负荷缸盖的组装应力气缸套的安装应力预紧力由液压拉伸器完成，此力不可过大与过小缸盖：水冷面为拉应力，触火面为压应力。缸套：触火面切向拉应力最大，径向压应力最大；水冷面切向拉应力最小，径向应力为零。活塞：顶板上表面为压应力，下表面为拉应力。热负荷分析表示方法危害热应力热疲劳薄壁强背热流密度、温度场、热应力、排气温度机械性能降低、受热件膨胀变形滑油迅速变质、受热面烧蚀活塞、缸套、缸盖均受热应力造成燃烧室裂纹的根本原因兼顾了机械应力和热应力活塞的热应力工作条件受力分析冷却式活塞顶板上表面受高温燃气加热，下表面受低温冷却液冷却；顶板处既有轴向传热（主要），也有径向传热；活塞顶板上表面为压应力，下表面为拉应力；影响因素与热流密度、顶板厚度、材料的膨胀系数、材料的弹性系数成正比，与材料的传导系数成反比。降低措施应尽量减少顶板的厚度而采用薄壁结构，且应选用传热系数大、热膨胀系数和弹性系数小的材料。缸套的热应力工作条件受力分析工作时缸套内部受燃气加热，外部被水冷却；缸套内表面为压应力，外表面为拉应力，且都是切向应力，径向应力均为零。缸盖的热应力工作条件受力分析工作时缸盖底部受燃气加热，上部被水冷却；缸盖底板上表面受拉应力，下表面受压应力。热疲劳定义影响因素发生部位管理措施燃烧室部件在交变的热应力作用下出现的破坏现象。与柴油机的累积转数并无多大关系，主要取决于柴油机的启动－运行－停车的循环次数，亦称低频应力。多数在触火面上形成和发展；注意机器的冷却状态，不超负荷运行，尽量减少启停柴油机的次数薄壁强背目的含义钻孔冷却实现方法兼顾机械应力和热应力“薄壁”就是燃烧室部件的受热壁要薄，减少热应力；“强背”在薄壁的背面设置强有力的支撑，以减少机械应力；是最理想的一种“薄壁强背”形式；冷却水离触火面很近，共同形成了一层热屏障，挡住热流向外传递，热流被阻在燃烧室壁表面与冷却水孔到的狭窄区域。活塞piston1)活塞的构造2）活塞销pistonpin3）活塞的冷却pistoncooling4）活塞环和承磨环pistonring5）活塞杆填料函pistonrodpacking活塞的构造一、活塞的组成活塞是柴油机中的关键部件，可分为十字头式活塞和筒形活塞两大类。它既是燃烧室部件的组成部分，又与连杆、曲轴等部件组成运动机构。1.十字头式活塞（cross-headpiston):活塞头(pistonhead)活塞裙(pistonshirt)活塞环(pistonring)活塞杆(pistonrod)活塞冷却机构(pistoncoolinggear)一、活塞的组成2.筒形活塞（trunkpiston):活塞头(pistonhead)活塞裙(pistonshirt)活塞环(pistonring)活塞销(pistonpin)活塞的构造二、活塞的作用及工作条件1.活塞的主要作用:在保证密封的情况下完成压缩和膨胀过程，并将气体力经连杵传递给曲轴。在筒形活塞式柴油机中，活塞承受侧推力，起着滑块的作用。在二冲程柴油机中活塞还启闭气口，控制换气。活塞的构造2.工作条件：活塞受到燃气高温、高压、烧蚀和腐蚀作用。它的热负荷和机械负荷很高，而活塞材料在高温下机械性能又有所降低，所以发生裂纹和变形。活塞与气缸之间产生摩擦和撞击,磨损严重。在中、高速柴油机中，活塞具有较大的往复惯性力，使得柴油机的振动加剧。三、结构分析（以MAN-B&WS50MC-C机为例）1.活塞头：用耐热合金钢制造，固定在活塞杆上（十字头式）活塞裙：用耐磨铸铁制造。二者用螺栓连接。2.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。活塞的构造活塞的构造3.活塞环槽：4道，镀铬，第1，2道较高。第一道环为压力释放环，重叠搭口；其余为斜搭口。4.活塞头顶部环槽：用于吊缸时安装起吊工具。5.活塞裙：圆筒状，且较短（因不受侧推力，重量轻）。6.活塞杆：锻钢制造，表面硬化处理。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）。7.活塞冷却：采用滑油冷却减少热损失。活塞杆是两层空心结构，滑油从十字头来，经杆内部空间进入活塞头的冷却腔后从杆外环形空间流入十字头再流出。活塞的构造图2-4S50MC-C十字头式柴油机活塞

1-活塞杆；2－冷却油管；3－活塞裙；4－活塞环；5－活塞头

四、筒形活塞式柴油机活塞的构造活塞裙受气体力的作用和较大的侧推力的作用，所以要造得十分坚韧。活塞销处金属较多，当受热时会使活塞销轴线方向的膨胀较大；活塞裙在侧推力作用下也会使活塞销轴线方向伸长，这样，在工作时活塞裙变成椭圆形，使活塞和气缸发生卡阻。为了避免这种现象，Wartsila32型柴油机的活塞裙在设计阶段就除去了这部分金属。Wansila32型柴油机活塞的裙部设有四个润滑油孔，这确保了活塞环和活塞裙的可靠润滑并使摩擦损失降低到最小。在活塞上仅装有两道压缩环和一道刮油环，第一道环设有特殊的耐磨层。这使得摩擦损失达到最小。活塞的构造B6A54C321图2-3筒型活塞(Wärtsilä32)1-活塞裙;2-卡簧;3-活塞销;4-刮油环槽;5-压缩环槽;6-活塞头;A-冷却腔;B-避让坑;C-注油孔活塞环分：压缩环（气环）和刮油环筒型活塞中：气环+刮油环（因是飞溅润滑）十字头式活塞中：气环+承磨环（若活塞裙长的话）一、活塞环的工作条件1.受燃气压力、活塞环往复运动惯性力、与缸套间的摩擦力、活塞横向震动、气口挂壁等作用。活塞环2.有轴向运动和轴向振动、径向运动和径向振动、回转振动、扭曲振动等张合的交变振动。3.可能产生裂纹或折断；滑油粘在槽里使环失去密封，造成燃烧室窜气、活塞环损坏。4.要求具有良好的密封性，耐磨（抗熔着磨损）、有适当的弹性、足够的强度和热稳定性。5.材料要弹性好\摩擦系数小\耐磨\耐高温,要有良好的初期磨合性\储油性和耐酸腐蚀.一般采用合金铸铁\可锻铸铁\球墨铸铁.活塞环活塞环6.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.二、气环（压缩环）1.作用：防止气体漏泄、传递热量。2.密封作用：依靠本身弹性及其上面和内圆柱面的气体压力使环紧贴在缸内壁及槽下壁上。为提高密封效果,也为了减小摩擦损失,通常高速机2-4道环，低速机4-6道环。（第一道环最重要）活塞环图2-5压缩环的密封作用

3.断面结构矩形：制造简单、应用广，>200°C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、二道环。活塞环内切槽扭曲：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。活塞环图2-6气环的断面形状

4.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。活塞环三.刮油环：（筒形机飞溅润滑时需设）1.气环泵油作用：刮油+挤油（下行环在槽上，上行环在槽下）2.油环特点：环与缸壁接触面小（压力大）；环与槽天地间隙小（以减小泵油作用）；双刃环开有泄油孔；油环槽内均有泄油孔。3.环结构：单刃环、双刃环。4.安装：当刮刃为锥状时，要将刮刃的尖端放在下方。活塞环活塞环

活塞环

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.承磨环一、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。二、选材：多用优质碳钢或低碳合金钢制造，表面渗碳淬火，表面硬度高，内部韧性好。三、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。（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.半固定式：活塞销固定在连杆小端。5活塞销(pistonpin)

---只在筒形活塞中有四、结构：1.浮动式销两侧用卡簧/端板轴向定位，防止窜动。2.为减轻重量，活塞销作成中空的。3.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。5活塞销(pistonpin)

---只在筒形活塞中有一、非冷却式活塞（径向散热型）：热量通过活塞环缸套冷却水。只用于小型机上。二、冷却式活塞（轴向散热型）：使用冷却介质（淡水、滑油）对活塞顶内腔强制冷却。顶壁为薄壁。有时第一道环上方活塞头外圆表面车制一道隔热环槽。用于大中型机。三、冷却方式：1.自由喷射冷却：滑油在压力下经杆身内的通道自下而上经连杆小端上的喷嘴喷至冷却活塞顶，再落入曲轴箱。（多用于小型机中）6活塞的冷却2.循环冷却：借助专设的冷却机构把滑油送入冷却腔循环冷却（先周围后中部）。须在顶内设循环腔或埋入蛇型管，冷却均匀而有效。（应用广泛）3.振荡冷却：利用进出口位置不同，保证冷却液只充满冷却腔的40%-60%并循环流动，这样冷却液冲刷振荡，加强冷却。（大\中型强载柴油机上采用）6活塞的冷却4.喷射-振荡冷却：冷却油通过喷嘴直接喷射到活塞顶下部的冷却钻孔中，并且在排出冷却腔之前在冷却腔内振荡，由于双重效果，确保地活塞表面温度并避免表面的烧蚀（新型SulzerRTA系列柴油机上采用）6活塞的冷却四、冷却液的输送方式：1.筒型柴油机中：在曲轴箱中设固定的滑油喷管，对活塞腔进口喷射滑油；冷却后泄回曲轴箱。在曲轴连杆中钻孔，滑油由主轴承经孔送至连杆小端，再经活塞销及销座中的孔送至活塞头冷却空间，冷却后泄回曲轴箱。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。6活塞的冷却套管式冷却机构：密封性好，存在液击，。动管装在活塞上，不动管装在水箱中；动管滑套在不动管外面；不动管上装导套和喷管式抽吸器；导套起导向和密封作用；抽吸器可把动管和不动管间隙间的漏水和空气吸入管道中，减少水击；疏水管作用是引出前面的漏水，若出水量增加表明导套磨损严重；检漏管在机外，是将不动管与水箱连接处密封圈的漏水流出；气缸体底板的上密封装置作用是把增压空气及污物封住，下密封装置作用是把动箱在水中溅起的水及上面污物封住。6活塞的冷却7.活塞杆填料函：（装在十字头机活塞杆穿过横隔板处）1.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。活塞杆填料函2.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。壳体内表面有七道环槽，上三道槽中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）。下四道装刮油环，刮活塞杆上滑油（上一道刮的油通往机外，下三道刮的油流回曲轴箱）每段刮油环及密封环都由三段铜环组成，外面用弹簧箍紧。活塞杆填料函图2-11MANB&WS-MC-C机活塞杆填料函整体结构图

图2-12MANB&WS-MC-C机填料环的结构及弹簧

一、气缸的作用及工作条件二、气缸的构造1.气缸体cylinderbody2.缸套cylinderliner三、气缸套的磨损和穴蚀1.磨损wear&tear2.气缸套的穴蚀三、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、敲击和推力作用冷却水的腐蚀和穴蚀机架等的压力；气体力形成的拉力要求足够的轻度或刚度良好的耐磨性和抗腐蚀性良好的润滑和冷却；可靠的汽封环和水封球墨铸铁、灰铸铁、耐磨合金铸铁材料气缸气缸体缸套形式应用材料单体式;分组式;整体式大尺寸柴油机，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………….二、缸套结构形式：圆筒状、上部凸肩;缸盖、缸套凸肩和缸体用缸盖螺栓紧固一起;缸套呈悬挂状，受热膨胀;缸套外圆与缸体间由间隙，允许径向膨胀。二冲程机特别之处:缸套上部圆周分布八个气缸注油孔，并有向下倾斜的布油槽；缸套下部圆周上均布扫气口。四冲程机特别之处:缸套与缸体间冷却腔，冷却水由缸套下部到上部到缸盖;缸套外部有“O”形密封圈，缸套造得较厚（承受侧推力）。MANB&WS-MC和S-MC-C型柴油机的气缸气缸体下部有横隔板将气缸和曲轴箱隔开,横隔板上的孔中装活塞杆填料函;气缸体在左右方向上设有扫气通道B和检修C;气缸套外部设有冷却水套，MC-C型柴油机冷却水由w处进入气缸体,然后进入冷却水套;而S-MC型柴油机，在气缸体内不设冷却水腔,冷却水直接进入冷却水套，在冷却水套上下两端设有橡胶圈用于密封冷却水;在气缸套下部外表面的槽内也有橡胶圈,用于给缸套导向和密封;在缸套上部通过冷却水接头，冷却水送至气缸盖;由于气缸套的下部不用冷却，气缸套中、下部有较高的温度，这对气缸套工况及消除腐蚀磨损有利;SMC-C型柴油机气缸套的显著特点是缸套与气缸盖的密封面下移，这对于改善密封的工作条件和气缸套的工作状况非常有利;有些柴油机还在缸套与气缸盖的密封面处设置一道活塞清洁环，它的直径比气缸套的内径略小,可以除去活塞头部的积炭，减少缸套的磨损。Wartsila32型大功率中速四冲程柴油机气缸的结构气缸套由特种灰铸铁离心铸造而成;其上部凸肩部分较高,内部钻孔，保证了缸套足够的刚度;缸套内部上端设有一个防磨环,其尺寸略小于缸套直径,可以除去活塞头部的结炭，使缸套的磨损率和滑油的消耗率都有所下降,该环磨损后可单独更换;气缸套在机体内部上下都有支撑，;缸套壁造得比较厚,更好地承受侧推力;气缸套可以向下自由膨胀;冷却水由气缸上部配水环进入，只对凸肩进行冷却，降低了低温腐蚀的影响。12345图2-16Wärtsilä32型柴油机气缸套1-防磨环;2-配水环;3-镀铬陶瓷活塞环;4-裙部压力润滑;5-低摩擦设计的球墨铸铁裙部缸套常见的损坏磨损穴蚀熔着磨损磨料磨损腐蚀磨损熔着磨损定义原因部位影响因素危害高温使滑动表面缺乏足够的润滑油膜上止点第一道环附近最严重材质、加工质量、尺寸形状、滑油孔布置、滑油品质及数量、缸套表面温度、对中情况等严重时拉缸磨料磨损定义原因磨料来源预防措施特征识别硬质颗粒的存在催化剂粉末；锈、沙和其他硬质颗粒；磨屑、燃烧灰分、碳粒空气中灰尘；污染的气缸油等。提高燃油滑油净化质量，确保燃油良好燃烧、气缸油和空气不受污染等。缸套有上下平行直线状的拉伤划痕腐蚀磨损定义原因部位预防措施特征H2SO3和H2SO4，对铁和铁合金有腐蚀性，造成腐蚀磨损燃油中含有S，燃烧生成的SO2当温度低于露点温度（缸内约160-1800C)时凝结成H2SO3和H2SO4缸套上部最严重提高冷却水温度、适当缄度及数量的润滑油、提高滑油孔位置等缸壁上布满疏松细小的孔穴穴蚀定义类型机理预防措施缸套外表面冷壁上出现光亮无沉淀物的蜂窝状小孔群损伤现象空泡腐蚀（闭式循环淡水冷却式机中）电化学腐蚀：（开式海水冷却机中）侧推力、横向振动、交替膨胀与压缩、局部真空和高压、空气析出成水泡、爆破产生高压波、反复作用、金属剥落降低缸套振动，提高缸套抗穴蚀能力，管理措施一、气缸盖的作用、工作条件二、气缸盖的类型三、气缸盖的构造（1）大型低速柴油机构造（2）中速柴油机气缸盖的构造

气缸盖Cylindercover一、气缸盖的作用、工作条件A.作用：除和气缸套、活塞共同组成燃烧室外，上面需要安装的阀件：喷油器、气缸气动阀、示功阀、安全阀、排气阀、进气阀、进排气道、气阀摇臂、冷却水进出口管。B.工作条件：－螺栓预紧力和缸套支反作用力、燃气高温高压作用、冷却水的腐蚀作用。因此，承受着不均匀的机械应力和热应力，尤其是鼻梁区。C.要求：－足够的刚度和强度；高温处需良好的冷却且要求均匀；阀件拆装维护方便，水垢易清除；盖与缸套通过精加工和紫铜垫床满足。二、气缸盖的类型1.单体式气缸盖每个气缸单独做一个气缸盖称为单体式气缸盖。用于大型机2.整体式气缸盖每一排气缸的气缸盖一般4—6个气缸做成一体的称为整体式气缸盖。用于小型机3.分组式气缸盖2—3个缸共同组成一个气缸盖，称为分组式气缸盖。一般用在缸径较大的中小型高速柴油机上。它的特点介于上述两者之间。材料:又可分成铸铁、铸钢和锻钢气缸盖。为了提高铸铁气缸的强度和热稳定性，往往在其中加入铬、镍、钼等合金元素。形状简单的气缸盖可用耐热钢(如钼钢。增压度较高的大型二冲程柴油机的气缸盖现在多用锻钢制造(1)大型低速柴油机气缸盖的构造（直流阀式二冲程机）1.MANB&WS-MC-C型柴油机气缸盖，它为圆形，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。5.缸套来的冷却水先从四周均匀进缸盖底部，在冷却排气阀与阀座，最后冷却排气通道后排至冷却水出口管。6.缸盖底面承倒锥形，利于换气和燃烧。7.冷却水由结合面外进入缸盖，消除了漏泄的可能性。8.缸盖螺栓的紧固由液压拉伸器完成。(2)中速柴油机气缸盖的构造（Wartsila32型）1.缸盖上有进排气阀(表面镀司太立合金，阀杆镀铬,镍钼合金)气阀座圈由良好耐磨性的合金铸铁制造。两个进气阀孔、两个排气阀孔。2.进排气道左右分布。不串气3.在各阀中间的鼻梁处钻有冷却通道提供最好的传热。4.机械负荷由中间隔板及上面板和侧壁板承受。1234567图2-18Wärtsilä32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-阀座五、燃烧室部件的管理

1.燃烧室部件常见损伤形式

1)裂纹

2)活塞顶烧蚀

3)活塞环的异常磨损、粘着和折断

4)缸套过度磨损

2.管理要点

1)磨合

2)运转中监视

3)观察孔(扫气口)检查

4)吊缸检查

一、裂纹1.裂纹1)触火面:部位:缸盖底面各阀孔处,鼻梁处(四冲程机缸盖底面阀间区域),缸套缸口圆角处,气口边缘,注油孔边缘等.裂纹原因:主要由低频热应力引起.高频热应力加速其损坏.2)冷却侧:部位:缸盖底板及活塞顶板和其支撑交接处,缸套外圆柱面和缸套凸肩交界处.裂纹原因:高频机械应力引起.2.缸套裂纹部位:缸套上部凸肩处,过渡圆角处,水套加强筋处,气口附近.总结:缸盖裂纹多见;触火面由热疲劳和应力集中引起;水冷面由高频机械应力引起,特征是一条主裂纹;水冷面还有腐蚀疲劳(由交变气体力与电化学腐蚀同时引起的，特征是裂纹大于两条,但无分支)和应力腐蚀(由氢脆化过程使金属材料变脆特征是由许多分支).缸盖裂纹可用渗透探伤或水压（0.7Mpa）试验法检验，对于贯穿性的裂纹可通过以下办法进行判断：①在运转中进行冲车，观察有无水、汽从示功阀喷出；②观察冷却水压力有无波动；③观察冷却水出口温度有无异常升高；④测量曲轴箱滑油油位有无不降反升的现象；⑤吊缸检查活塞顶有无积水、锈蚀痕迹等。

二、活塞顶烧蚀在直流扫气式及油冷活塞上较多出现(因两喷油器对置,油冷时效果差)三、活塞环的异常磨损、粘着和折断1.异常磨损正常磨损率0.3—0.5mm/kh;产生原因:设计\材质\热处理\磨合不良\超负荷\润滑不好\滑油品质\燃烧不良\冷却不佳\磨擦面硬质颗粒;磨损种类:见图a.b.c.d2.粘着现象：沉积物压入环槽固化，阻止活塞运动。原因：过热、滑油过多、滑油不净、燃烧不良。后果：气缸漏气、环断裂，拉缸。3.折断现象：上面几道环。影响：密封性、碎块进入增压器使之损坏。原因：搭口间隙小，在搭口对侧折断。环槽内积