柴油机的结构和主要部件20100425课件

第三章

柴油机的结构和主要部件3/24/20231本章内容第一节柴油机的总体结构第二节燃烧室部件第三节曲柄连杆机构第四节柴油机的主要固定件3/24/20232第一节柴油机的总体结构主要固定机件主要运动机件配气机构、进排气系统燃油供给系统润滑系统冷却系统起动、操纵控制系统1-13/24/20233主要运动机件3/24/20235配气机构、进排气系统3/24/20236燃油供给系统3/24/20237冷却系统3/24/20239起动、操纵和控制系统3/24/202310二、船舶柴油机的典型结构市场的主导产品：二冲程低速船舶主机是MANB&W公司的生产的MC系列柴油机和瑞士公司生产的SULZEBRTA系列。四冲程中速柴油机是MANB&W、Mak、Wärtsilä等公司的产品。3/24/202311MANB&W公司的S50MC-C柴油机为大型集装箱船设计制造的。1982年投入市场，20多年仍在不断发展和改进。应用了经验、新技术、新材料，已成为最多被选用的船舶主机。发展目标是紧凑型。在提高输出功率10%的前提下改善可靠性、减轻重量10%、缩短长度10%。行程/缸径比4；Pmax=15MPa；大轴径曲轴增强了刚度、加大了轴承的承载面积并在相同的轴承负荷下缩短了曲轴长度；短连杆降低了整机高度，整机重量下降。3/24/202313Wärtsilä公司L32型大功率中速柴油机32系列柴油机是以燃烧技术上的最新成就研发的四冲程中速船用柴油机。有6L、7L、8L、9L、12V、14V、16V、18V共8个机型，额定单缸功率为500kw，其中额定转速为750r/min和720//r/min，主要用于船舶推进主机和辅机，可在无限航区运用，并满足IMO和NOx排放的要求。该机为整铸机体，全纤维锻造曲轴独立气缸冷却水套，组合活塞，带有火焰环的汽缸套，电子调速器，高效增压器，两级中间空气冷却器。极佳的经济性、长维修周期和高寿命使该机广泛用于全球船舶领域中。3/24/202314新型智能型柴油机YMD-RT-flex58T-B

RT-flex58T-B智能型柴油机取消凸轮轴系统及其传动机构。增设了供油单元、共轨平台和WECS9500控制系统。应用共轨技术，实现下述功能的电子控制：

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燃油喷射

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排气阀启闭

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柴油机起动

RT-flex58T-B智能型柴油机优越性：

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节能：特别是在部分负荷时；

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环保：无烟运行；减少废气排放；

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平衡：可以精确控制各个气缸燃烧压力，燃烧温

度，及排气温度，平衡热负荷和机械负荷

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低速运转稳定；

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灵活选择运行模式。3/24/202315一、燃烧室部件承受的负荷及结构特点柴油机中承受负荷最大、工作条件最恶劣的部件。受燃气高温、高压、腐蚀作用，活塞的惯性力、摩擦、敲击、侧推力振动冷却水腐蚀、穴蚀P373/24/202317机械负荷机械负荷是指：承受燃烧压力、惯性力、振动冲击的强烈程度。来源：气缸盖和气缸套：气体压力、安装预紧力活塞：气体压力、往复惯性力、侧推力敲击等振动冲击。特点：周期交变、冲击性3/24/202318机械负荷rσ触火面压应力max水冷面拉应力min水冷面压应力0安装预紧力引起的负荷气体力引起的机械应力——高频应力与最高爆发压力成正比与部件壁厚成反比气缸套应力如右图示：气缸盖底部和活

塞顶部产生弯矩触火面拉应力max3/24/202319活塞低频热应力的产生工作时燃气与冷却液的温差产生热应力上侧为压应力，产生高温蠕变；下侧为拉应力。停车后活塞顶变冷产生很大的残

余拉应力而导致裂纹的产生。这种应力发生于从停车到起动、

运转，再到停车的过程中，每变

化一次周期较长，频率低。3/24/202321燃烧室部件的结构特点现代柴油机燃烧室部件承受的负荷已到了材料的极限。要降低机械负荷应采用厚壁要降低热负荷应采用薄壁解决方法“薄壁强背”热区很薄——薄壁——减少热应力冷区很厚——强背——减少机械应力常用钻孔冷却的结构3/24/202322二、活塞活塞是柴油机的关键性部件之一，对柴油机的动力性、经济性、和可靠性影响很大。活塞的主要功用是与气缸、气缸盖形成封闭的燃烧室空间，承受气缸内气体的压力，并将其传递给连杆；在箱式柴油机中（筒型活塞），还要承受连杆倾斜时所产生的侧压力，起往复运动的导向作用；在二冲程柴油机（十字头活塞），还要起开启、关闭气口的滑阀作用。3/24/202323十字头式柴油机结构3/24/202325十字头式活塞组特点:整体尺寸大，组合式结构，强制式冷却，侧推力已由十字关滑块来承受一般活塞裙较短，某些弯流扫气柴油机为控制进排气口用长裙结构。3/24/202326十字头活塞杆填料函作用是防止扫气和气缸中的污物漏入曲轴箱，造成污染。同时也造成防止曲轴箱中的滑油被活塞杆带入扫气箱。两半式壳体，O型圈防漏，壳内有多道环密封和刮油。3/24/202329活塞组的工作条件活塞在高温、高压、高速运动、润滑不良以及冷却困难的严酷环境下工作。活塞在上止点附近时，由于燃油强烈燃烧，使气缸内的压力和温度急剧升高，压力约达5MPa~8MPa，甚至高达15MPa以上。温度约为1400℃~1800℃，或更高些。3/24/202330活塞受力活塞组受气缸内气体作用力F，高速往复运动产生的惯性力Fj，连杆倾斜时所产生的侧压力FH的周期性作用；现代柴油机以上各力已达到相当高的程度，并带有冲击，使交变机械应力增大。3/24/2023313/24/202332活塞受热与冷却活塞组受高温燃烧气体的周期性加热，燃料发热总量的2%~4%被活塞吸收。长时间在高温状态下工作，材料强度降低、靠近燃烧室的部分热变形和热应力大。3/24/202333活塞摩擦及磨损活塞组在侧压力作用和润滑不良条件下高速往复运动产生较大的摩擦损失及磨损；周期性改变方向的侧压力也使活塞不断撞击气缸套，引起活塞变形和气缸套振动。严重时将导致气缸套外表面

产生穴蚀。3/24/202334活塞必须满足的要求3-2强度高、刚度大、密封可靠、散热性好、冷却效果好、磨擦损失小、耐磨损。对中、高速柴油机还要求活塞重量轻。保证强度和刚度足够的前提下，尽可能减轻重量；尽量减少活塞顶部从燃烧气体吸收热量，又能及时地将热量散走，防止活塞过热；既要保证燃烧室良好的气密性，又尽可能减少活塞组的摩擦损失；摩擦副具有良好的润滑、较小的磨损以及比较少的润滑油消耗量。3/24/202335活塞本体的常用材料如果活塞的材料本身的性能不能承受热和热冲击而使活塞疲劳、磨损和破坏，会影响到柴油机的密封性、效率和机器的安全。因此，活塞材料的发展与应用与柴油机的效率与安全有莫大的关系。组成活塞的材料是决定活塞性能的关键因素。活塞新材料的发现和表面工程的新工艺的发展使活塞和柴油机更加可靠，更加经济。3/24/2023363/24/202337三、气缸2-23/24/202338气缸套测量仪器和工具内径百分表外径千分尺3/24/202339四、气缸盖2-3气缸盖的作用气缸盖工作条件对气缸盖的要求气缸盖与气缸套的结合3/24/202340燃烧室部件的常见损伤活塞环的损坏异常磨损、粘着、折断、弹力丧失活塞环异常磨损和设计、材质、热处理等因素状况有很大关系。若柴油机磨合不良、冷却不佳、摩擦表面有硬质颗粒等，都会使活塞环产生异常磨损。活塞环在环槽中不能自由运动称为活塞环粘着。活塞环的粘着大多是由于活塞或气缸过热、滑油过多、滑油不净、燃烧不良等原因造成的。将导致气缸漏气、活塞环断裂，严重时形成拉缸。3/24/202341活塞环外观状态正常磨损。活塞环外表面光滑无毛刺，较清洁，无硬化层，上表面的外形呈鼓形。被硬质颗粒划伤。在活塞环外表面有效均匀的划痕，无光泽，表面无硬化层。由于缺油的异常磨损。环的外表面平直（不呈鼓形），棱边锐利且有毛刺，表面有不规则的斑点，表面有硬化层。状态正在变好的旧过度磨损。弧形的棱边已经出现，沿棱边已经出现了平滑且较较的带状区，但中心环带尚有磨痕和硬化层。若继续加强润滑，运转一个阶段就会变为正常磨损状态。3/24/202342活塞裂纹活塞，特别是活塞头部，在工作时要承受热应力和机械应力的共同作用，产生裂纹是常见的故障。在两种应力中以热应力的值要比机械应力大得多，因此降低热应力是提高工作可靠性的重要手段。高频热应力：由于在每一次工作循环中壁面温度产生波动引起高频热应力。高频热应力影响活塞顶部很薄的一层表皮，它有时会产生皱折，加速壁面损坏。对导致裂纹的作用不大。3/24/202343低频热应力的产生工作时燃气与冷却液的温差产生热应力上侧为压应力，产生高温蠕变；下侧为拉应力。停车后活塞顶变冷产生很大的残余拉

应力而导致活塞裂纹裂纹的产生。这种应力发生于从停车到起动、运转，

再到停车的过程中，每变化一次周期

较长，频率低。3/24/202344活塞顶的烧损活塞顶部的材料有时会逐渐烧蚀，使顶部越来越薄，强度变差。若喷油器喷出的油束直接到达活塞顶面，而活塞冷却不良、导热不好、局部过热等会使烧损速度加快。活塞烧损较多出现在下面二种机型上：直流扫气式柴油机：两喷油器分置两边，油束分布不均，且易喷在活塞顶上；油冷式活塞：冷却效果差，易形成积炭，使活塞顶面温度升高。3/24/202345气缸盖损坏气缸盖在极为苛刻的条件下工作，其底板受热面“鼻梁区”或内侧表面可能产生裂纹及腐蚀形式的损坏.引起这种损坏的原因如下：热疲劳机械疲劳腐蚀疲劳3/24/202346气缸盖热疲劳在底板受热面“鼻梁区”产生热疲劳裂纹是四冲程柴油机气缸盖较为常见的损坏形式，产生热疲劳裂纹是由于受热面的温度超过材料的使用极限而发生蠕变，引起塑性变形热疲劳是取决于“冷热”循环次数的低循环疲劳。当气缸盖在冷热交替情况下工作时，受热面的收缩因塑性变形而受阻，从而产生残余拉伸应力。受热面温度超过极限温度越多，运行时间越长，残余拉伸应力就越大，最终因应力的反复交变而出现疲劳裂纹。严重时可能经过一次冷热循环便出现裂纹3/24/202347金属材料的蠕变蠕变：金属材料在长时间的恒温、恒应力作用下，发生缓慢的塑性变形。碳素钢超过300～350℃，合金钢超过400～450℃发生

蠕变曲线：三个阶段

开始部分，加载引起的瞬时变形

第1阶段，速度大，不稳定阶段，减速阶段，

第2阶段，稳定阶段，等速阶段

第3阶段，最后阶段，加速阶段3/24/202348气缸盖机械疲劳机械疲劳损坏是与发动机的累计

转数有关，称高循环疲劳。气缸盖底板在缸内气体压力作用

下发生周期性弯曲变形，其最大拉伸应力发生于底板的内侧表面，阀孔尖角处应力集中严重，再叠加上热应力（底板内则表面所受热应力也为拉伸应力）的作用，于是机械疲劳裂纹以此尖角为起点，沿阀孔周围逐渐向受热面扩展而裂穿。3/24/202349气缸盖腐蚀疲劳二冲程柴油机铸钢气缸盖在密封凸缘处冷却水侧发生腐蚀疲劳裂纹。冷却水中含有各种酸根离子和溶解氧将对金属发生电化学腐蚀和氧化，金属晶界是首先被腐蚀和氧化的部位。这将导致被腐蚀的表面变得粗糙并产生应力集中，使材料的疲劳强度显著下降。又由于该气缸盖与气缸套的圆锥部分配合不良，以及气缸盖螺栓的过分紧固，在柴油机运转时，使密封凸缘冷却水侧产生较大的脉动机械应力。从冷却水侧开始发生腐蚀疲劳裂纹。3/24/202350气缸套的磨损气缸套的磨损是一个非常复杂的过程，气缸套磨损的原因物理因素化学因素根据磨损机理不同，可将磨损分为以下三种。熔着磨损磨料磨损腐蚀磨损3/24/202351熔着磨损精加工的表面用显微镜检查，就可以观察到它的表面是由锯齿形的峰和谷所组成。在薄膜润滑（边界润滑）的条件下，摩擦面间只有一层极薄的油膜，摩擦表面的部分尖峰会刺破油膜发生接触，由于润滑条件差，局部高温等，使滑动表面缺乏充足的润滑油膜，也使摩擦表面间发生金属的直接接触。便形成局部高温，使两者熔融粘着、脱落、逐步扩大形成熔着磨损。以活塞在上止点第一道活塞环附近最严重。熔着磨损发展严重时会引起柴油机拉缸事故。3/24/202352影响熔着磨损的主要因素气缸套、活塞、活塞环等的材料，机械加工质量、外形尺寸及形状精度、气缸润滑油孔的布置，气缸油的供给数量和品质，气缸套表面的温度，装置对中情况等。3/24/202353磨料磨损硬质颗粒进入气缸套和活塞的摩擦面之间形成磨料，与两摩擦面产生挤压、滚撞、使金属脱落。磨料磨损可以从气缸套镜面沿活塞运动方向上有平行直线状的拉伤痕迹来识别。磨料主要来源于燃油在催化裂化过程中留下的催化剂粉末；燃油贮存和运输中进入的锈、砂和其它硬颗粒磨屑；燃烧生成的灰分和炭粒；随空气进入气缸的灰尘以及被污染的气缸等。减少磨料磨损的有效措施：提高燃油和筒形柴油机曲轴箱滑油的净化质量，确保燃油良好燃烧，保持气缸油和进入气缸的空气不被污染等，3/24/202354腐蚀磨损含硫酸的燃油在燃烧时，燃油中所含的硫分将生成二氧化硫，废气中约1%～15%的二氧化硫进一步氧化变成三氧化硫。五氧化二钒和氧化铁是催化剂。而燃油中的氢燃烧生成水蒸气。在温度降到各自的露点以下，就会分别凝结成亚硫酸和硫酸。硫酸比亚硫酸对铁和铁合金腐蚀性强，危害性大。会使气缸套严重腐蚀，从而造成腐蚀磨损。缸套上的腐蚀层与基体金属结合弱，在磨损中剥落，使缸壁上布满疏松的细小孔穴，这是腐蚀磨损的显著特征。3/24/202355在工作行程开始时，虽然压力高，但温度也高，使酸性氧化物和水蒸气无法凝结。当活塞下行暴露出缸套较冷的部分时，水和三氧化硫蒸气与金属接触而开始凝结。凝结量取决于缺套的表面温度、局部地区的蒸气浓度和气缸壁是否有完整的油膜等因素。缸壁的腐蚀磨损在缸套上部最严重，这是因为缸套上部的油膜较薄，隔离和中和硫酸的能力低，虽然直接在此处凝结的酸少，但活塞上行时把下部生成的酸刮到了上部。由硫酸引起的腐蚀称低温硫酸腐蚀或“冷”腐蚀。当进入气缸的燃油、空气和气缸润滑油中含有海水或盐时，会使气缸套遭到盐酸腐蚀。腐蚀磨损和所用燃油的硫分含量有很大关系。3/24/202356减轻腐蚀磨损的措施适当提高冷却水温度，采用适当碱度和数量的气缸润滑油，将气缸润滑油孔设在气缸套的较高位置，使气缸润滑油注入气缸时能沿气缸内表面圆周均匀分布。上面三种磨损，在一般情况下是同时存在且相互关联影响的，但一定的条件下有可能以一种磨损形式为主。为了正确判断和采取有效措施，必须根据实际现情况仔细分析。3/24/202357气缸套的穴蚀在气缸套外面冷却壁上出现的蜂窝状小孔群现象称为穴蚀。它是由空泡腐蚀和电化学腐蚀两种因素共同作用下形成的。穴蚀在筒状活塞式柴油机中存在比较普遍。在闭式循环淡水冷却的柴油机中缸套穴蚀主要由空泡引起，在开式海水冷却的柴油机中缸套穴蚀则以电化学腐蚀为主。有的柴油机尽管缸套内面还未磨损多少，但是缸套已被穴蚀击穿，导致缸套漏水。因此穴蚀直接影响着柴油机的寿命和可靠性。3/24/202358空泡腐蚀筒状活塞柴油机气缸套受到活塞侧推力的作用，当活塞侧推力方向改变时，活塞对缸套产生撞击，引起缸套局部的高真空和高压。当水中压力降低到该温度下饱和蒸汽压力以下时冷却水蒸发和溶于水中的空气析出而形成空泡。冷却水在流动中，由于方向和流速的突然变化，会引起压力的变化。当空泡受到高压冲击而爆破时，就在破裂区附近产生高压波，它以极短的时间作用在很小的范围内，以缸壁有强烈的破坏能力。在这种高压波的反复作用下，气缸外壁金属表面将不断剥落，形成孔穴。3/24/202359在气缸套冷却水侧具备形成电化学腐蚀的条件。淡水是弱电解质溶液，海水是强电解质溶液。缸套材料各处组织并不完全相同，这样在水中就构成了许许多多微电池，产生了电化学腐蚀。在缸套外表面上各处作用着不同的机械和热应力。应力较大处金属的能量高，变得活泼，易被腐蚀。如在缸套外圆的棱角和沟槽应力集中处成为阳极区，应力较小的邻近区域成为阴极区，这样产生了电化学腐蚀。冷却水中溶解有氧气，因在缸套外表面的穴窝处或配合处水流不通，在温度较高时含氧量少，因冷却水中含氧浓度不同而形成氧浓差电池。死水区周围氧浓度高、电位高，形成阳极而遭受腐蚀。电化学腐蚀3/24/202360防止穴蚀的措施为了以免穴蚀，就要防止电化学腐蚀和空泡形成防止电化学腐蚀的方法常采用在缸体上安装防腐蚀锌板，在冷却水中加入缓蚀剂和防锈油。有的柴油机在壁面上镀防腐金属、涂树脂薄膜、进行离子轰击。3/24/202361增加缸臂厚度提高缸套支承刚度和增加支承数量减小缸套的轴向支承距离；减小活塞与缸套的装配间隙；采用宽敞合理的冷却水腔与结构，使水流平顺；向水中加添加剂，提高冷却水的消震性能使冷却水系统具有合理的冷却水温度和必要的压力。防止空泡形成的方法3/24/202362第三节曲柄连杆机构一、筒状活塞式柴油机连杆三、V形柴连杆四、连杆螺栓3/24/202363连杆的作用连杆是活塞或十字头与曲轴之间的连接件,它把作用在活塞上的气体压力传递给曲轴,并把活塞的往复运动转变为曲轴的回转运动。连杆的工作状态连杆本身进行着复杂的运动速度变化的平面运动。连杆受力情况比较复杂：从活塞传来的气体压力和往复惯性力的合力的大小和方向都在周期变化。在连杆摆动平面内还受到自身运动产生的惯性力引起的交变弯曲力矩的作用。在保证强度的前提下，质量尽可能轻。3/24/202364连杆受力3/24/202365一、筒状活塞连杆3-3一般都是采用中碳钢或合金钢，用锻造或铸造制成毛坯。连杆体连杆杆身连杆小端连杆大端轴瓦连杆盖连杆螺栓3/24/202366二、十字头组作用连接活塞和连杆组成十字头体十字头滑块十字头轴承（连杆上端轴承）工作条件恶劣承受周期变化的气体爆发压力和侧推力结构限制，尺寸小，受力大轴承负荷大，易发生故障，影响整机可靠性3/24/202367十字头轴承（连杆上端轴承）3/24/202368十字头连杆组3/24/202369十字头组活塞杆连杆十字头3/24/202370十字头体3/24/202371十字头滑块滑块双滑块单滑块圆筒形滑块3/24/202372小头轴承：筒状活塞柴油机连杆小端轴承和十字头柴油机的十字头轴承，由于负荷大、润滑条件等原因运行中易出故障，要特别注意确保滑油的正常供应（包括油压、油量等）。为提高十字头轴承的工作可靠性，除提高滑油压力外，在滑油的流向上还将滑油首先引入十字头轴承，以减少管路损失所导致的油压降低。连杆故障3/24/202373连杆杆身十字头式柴油机的连杆杆身一般很少出现故障。筒状活塞式柴油机的连杆杆身有时会发生裂纹和杆身弯曲等故障。3/24/202374连杆螺栓连杆螺栓如在柴油机运行中断裂损坏，不仅将会造成柴油机严重破坏，而且会危及轮机人员的生命安全。引起连杆螺栓断裂的原因除螺栓本身的疲劳损坏外，往往是由于其螺帽没有锁紧，在运转过程中逐渐松脱所造成的。每次检修时，要特别注意检查连杆螺栓，有条件时应进行探伤检查，安装时，一定要按说明书规定的预紧度紧固，不要过大或不足；安装后对连杆螺帽是否拧紧和锁紧情况要逐一检查确认。3/24/202375三、曲轴3-4曲轴是柴油机中最重要的部件，应给予高度的重视。曲轴的作用曲轴的工作条件对曲轴的要求及材料3/24/2023763/24/202377曲轴故障轴颈的磨损柴油机长期运转使曲轴主轴颈和曲柄销颈产生不均匀磨损：尺寸减小、几何形状精度降低，产生圆度和圆柱度误差等。圆度和圆柱度是衡量曲轴轴颈磨损程度的主要参数。曲轴轴颈表面的划痕、拉毛和擦伤等主要是润滑油中的机械杂质或磨损产物引起的。轴颈表面的腐蚀凹坑、锈斑、烧伤等是润滑油中含水、酸过多产生的电化学腐蚀和静电腐蚀。NEXT3/24/202378曲轴工作一段时间后，有时会疲劳损坏。疲劳损坏是曲轴在交变负荷作用下产生裂纹并逐渐扩展，随着裂纹的逐渐发展，承载截面逐渐减小，最后因截面尺寸不足而发生突然断裂。疲劳损坏的形式可分为两种：弯曲疲劳损坏扭转疲劳损坏。曲轴的疲劳损坏究竟是由弯曲应力，还是由扭转应力或两者合成引起的，主要应根据断面纹理判断。曲轴疲劳损坏3/24/202379弯曲疲劳损坏由于曲柄臂比主轴颈和曲柄销弱。弯曲疲劳裂纹首先产生在曲柄销圆角或主轴颈圆角处，然后向曲柄臂发展。曲轴弯曲疲劳破坏，通常是由于轴颈不均匀磨损所造成的主轴承不同轴度而引起的。特别是如某个主轴承过低，则当柴油机不工作时，轴颈与下瓦脱开；而当柴油机工作时，轴颈又要压到轴承上，因此这段曲轴就会产生过大的变形和过大的交弯弯曲应力。由于轴承的不均匀磨损要经