柴油机的结构和主要部件

·
低速运转稳定；
·
灵活选择运行模式。
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第二节 燃烧室部件
燃烧室部件是柴油机中最重要的部件 。 燃烧室的概念： 它包括：
活塞组件 气缸组件 气缸盖组件
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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，
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：
·
燃油喷射
·
排气阀启闭
· 柴油机起动
RT-flex58T-B智能型柴油机优越性：
·
节能：特别是在部分负荷时；
·
环保：无烟运行；减少废气排放；
· 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
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。
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。
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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
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。
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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
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。
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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
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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，
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。
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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。
第三章 柴油机的结构和主要部件
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
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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 1-1
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MAN B&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。
活塞和柴油机更加可靠，更加经济。
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活塞材料
其它
铝合金
铁类
纤维增材料 重力铸造 压铸
铸铁
陶瓷
纤维增强材料 薄壁式
钢 铰链式
高强度
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提高耐磨性 铸铁或钢铝 钢顶
铝合金体
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三、气缸 2-2
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气缸套测量仪器和工具
内径百分表 外径千分尺
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机械负荷
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： σ
气缸盖底部和活 触火面拉应力max 塞顶部产生弯矩
水冷面拉应力min
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触火面压应力max
r
水冷面压应力0 19
热负荷
热负荷是指机械零件承受温度、热流量、热应力 的强烈程度。
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。
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。
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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。
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。
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活塞裂纹
两半式壳体， O型圈防漏， 壳内有多道环密封和刮油。
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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。
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Wärtsilä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。
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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。
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活塞顶的烧损
活塞的惯性力、摩 擦、敲击、侧推力
振动 冷却水腐蚀、穴蚀
P37
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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
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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
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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。
专为活塞与气缸磨合而设置的，防拉缸。 超短裙活塞可不装， 短裙活塞装1~2道， 长裙活塞装2~4道， 不正常磨损或
擦伤要更换。
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十字头活塞杆填料函
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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。
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主要固定机件
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主要运动机件
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配气机构、进排气系统
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燃油供给系统
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润滑系统
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冷却系统
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起动、操纵和控制系统
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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MAN B&W公司的生产的
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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。
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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。
严重时可能经过一次冷热循环便出现裂纹
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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。
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பைடு நூலகம்34
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；
热危害： 材料机械性能降低、承载能力降低 受热部件膨胀、变形；正常工作间隙改变 滑油变质、结焦、蒸发、烧掉 零件烧蚀、疲劳破坏
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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。
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筒型活塞的结构
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十字头式柴油机结构
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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。
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承磨环
MC系列柴油机和瑞士公司生产的SULZEB RTA 系列。
四冲程中速柴油机是MAN B&W、Mak、Wärtsilä
等公司的产品。
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MAN B&W公司的S50MC-C型柴油机
焊接机座、焊接机架，铸造缸体 。 双贯穿螺栓联结机座、机架和缸体——最明显特征； 链传动凸轮轴； 液压驱动排气阀； 瘦型缸套，水套冷却； 气缸单排润滑； 缸盖钻孔水冷； 活塞头油冷，供油采用套管结构； 进气恒压增压； 直流扫气； 十字头结构，双侧导滑板； 半组合式曲轴，薄壁轴瓦； 可选择遥控操纵或机旁操纵。
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。
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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
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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。