船舶柴油机结构和主要零部件

船舶柴油机（轮机）

模块二柴油机的结构和主要零部件

重点：柴油机各主要部件的作用、工作条件、工作原理及结构特点，各部件的常见故障及原因，管理注意事项。

难点：燃烧室部件承受的机械负荷、热负荷及分析，缸套、活塞、连杆、十字头、曲轴、活塞杆填料涵及活塞冷却机构的结构，曲柄排列与发火顺序。

缸盖

燃烧室部件缸套

活塞组件

主要零部件连杆

曲柄连杆机构曲轴

主轴承

主要固定件：机架、机座、贯穿螺栓

单元一燃烧室部件

一、燃烧室部件承受的负荷

1．机械负荷

机械负荷指受力部件承受气体力、安装预紧力、惯性力等的强烈程度。主要以气体力和惯性力为主。柴油机的机械负荷有两个特点：一是周期交变；二是具有冲击性。

1）安装应力：

安装应力与预紧力成正比。因此，安装气缸盖时不应过分紧固，否则会使气缸套、气缸盖发生损伤。另外，将缸套凸肩加高，可使缸套安装应力大大减小。

2）气体力：

气体力是周期变化的，其最大值为最高爆炸压力，变化频率与转速有关，因而由气体力产生的机械应力也称高频应力。由气体力产生的机械应力具有以下特点：

气缸盖、活塞：触火面为压应力，冷却面为拉应力。

缸套：径向：触火面为压应力最大，冷却面为零。

切向：触火面为拉应力最大，冷却面为拉应力最小。

机械应力与部件壁厚成反比，即壁厚δ愈大，机械应力愈小。

3）惯性力：

活塞组件在缸内作往复变速运动，产生往复惯性力；曲轴作回转运动产生离心惯性力。其大小与部件质量和曲轴转速的平方成正比。由惯性力产生机械应力也是一种高频应力。

2．热负荷

1）热负荷是指柴油机的燃烧室部件承受温度、热流量及热应力的强烈程度。

2）热负荷的表示方法

（1）热流密度（2）温度场（3）热应力

3）热负荷过高对柴油机的危害：

（1）使材料的机械性能降低，承载能力下降；

（2）使受热部件膨胀、变形，改变了原来正常工作间隙；

（3）使润滑表面的滑油迅速变质、结焦、蒸发乃至被烧掉；

（4）使受热部件（如活塞顶）受热面被烧蚀；

（5）使受热部件承受的热应力过大，产生疲劳破坏等。

船舶上，轮机管理人员通常用排气温度来判断热负荷的高低。

4）热应力：

是指受热部件在内外表面温度不同并且有一定约束的条件下在金属内产生的一种内力。

气缸盖、活塞：触火面为热压应力，冷却面为热拉应力。

缸套：径向：为零。

切向：触火面为压热应力，冷却面为拉热应力。

热应力与部件壁厚成正比，即壁厚δ愈大，热应力愈大。

由机械应力和热应力可知：机械应力与部件壁厚成反比，即壁厚δ愈大，机械应力愈小。因而从降低机械应力的角度看，应使δ增大，但热应力与部件壁厚成正比，因此δ增大，热应力增加。所以对燃烧室部件不能采取厚壁结构。合理解决这一技术难题的措施是采用薄壁强背结构。所谓薄壁就是燃烧室部件的壁要薄，以减少热应力。而强背就是在薄壁的背面设置强有力的支承，以降低机械应力。现代新型柴油机燃烧室部件采用钻孔冷却机构就是典型的薄壁强背结构。

3．热疲劳

燃烧室部件在交变的热应力作用下出现的破坏现象称热疲劳。热疲劳对燃烧室部件的破坏是从出现裂纹开始的，逐渐发展使部件疲劳破裂。

当柴油机工作时，高温面的热应力为压应力。如果燃烧室壁面局部在高温作用产生蠕变而引起塑性变形，则当停车或负荷降低、壁面温度降低时，因塑性变形无法恢复原状而产生残余拉应力，由此形成压拉应力交替。由于该交变应力的变化周期与转速无关，而只取决于起动-运行-停车或负荷变化的周期，因此称为低频应力。显然由热疲劳引起的裂纹，通常从高温触火面开始，逐渐发展形成疲劳损坏。

高频应力：应力变化周期与柴油机工作循环周期相同，频率较高。与转速有关。

低频应力：应力变化周期与柴油机起动-运行- 停车或负荷变化的周期相同，频率较低。

二、气缸盖

详见《气缸盖知识》

1．作用：

（1）组成燃烧室

（2）安装喷油器、进、排气阀、启动阀、示功阀、安全阀等附件。

（3）构成冷却水通道和进、排气通道

2．工作条件

（1）承受螺栓的预紧力作用。

（2）承受气体力作用：触火面压应力，冷却面拉应力。

（3）承受热负荷的作用：触火面压热应力，冷却面拉热应力。

（4）承受腐蚀疲劳作用：缸盖承受冷却水的腐蚀和机械循环应力作用，产生腐蚀疲劳。

3．要求：

（1）足够的强度和刚度。

（2）底部各种阀孔之间的金属堆积处和高温部位，要冷却良好，使各部位的温度均匀。

（3）各种阀件的拆装、维护方便。

（4）冷却水腔的水垢易于清除。

4．类型：

（1）按材料分：①铸铁②铸钢③锻钢增压度较高的低速机多采用锻钢制成

（2）按气缸盖与气缸之间的数量关系可分为：

①单体式：每个气缸设一个气缸盖，用在中、大型高增压柴油机。特点是气缸盖和气缸套接合面处的密封性好，拆装方便，但气缸的中心距加大，柴油机长度增加。

②整体式：整个柴油机所有气缸的气缸盖铸成一体，多用于小型柴油机。特点是气缸的中心距小，结构紧凑，但易变形，密封性差，结构复杂，加工不便。

③分组式：2~3个气缸的气缸盖合铸成一体，用在缸径较大的中小型高速机上。

5．构造

1）大型低速柴油机气缸盖的构造

图 MAN-B&W S-MC-C型柴油机气缸盖

1-排气阀孔；2-冷却钻孔；3-垂直孔；4-喷油器孔；5-起动阀孔；

6-安全阀于示功阀孔；7-气缸盖螺栓孔；8-冷却水腔；9-冷却水套

（1）冷却水孔离燃烧室却很近，构成“薄壁强背”，可降低热负荷和机械负荷。

（2）气缸盖底面为倒锥形，利于换气和燃烧。

（3）两只喷油器对称布置，有利于油雾形状和燃烧室形状的配合，确保油、气良好混合。

（4）缸盖底最下部的内圆柱形壁面，使缸盖和缸套的接合面下移，以便接合处不受火焰的直接冲击，对接合面起到保护作用。

（5）冷却水由接合面的外部进入气缸盖，消除了冷却水通过接合面漏入气缸内部的可能。

（6）缸盖螺栓在圆周上均匀分布，保证缸盖、缸套受力均布。

2）中速柴油机气缸盖的构造