柴油机原理及结构介绍

9.2气缸套装配
柴油机的气缸套与气缸盖、活塞共同组成柴油 机的燃烧室；气缸套对活塞工作时起支承和导 向作用，并导出活塞在工作时所承受的部分热 量。 柴油机采用湿式气缸套组，它由气缸套和水套 组成，其间空腔为冷却水腔。气缸套内壁直接 受高温、高压燃气作用，同时承受活塞运动的 侧向压力，其工作条件是很复杂的。 气缸套由合金铸铁制成。水套用20号优质碳素 钢的水套体和水套上座焊接而成。水套上方有 12个φ 12mm的出水孔与气缸盖进水孔用套管 接通，并用橡胶圈密封。
1.1 进气冲程：在配气机构的作用下，进气门在活塞处于上止点 前42º 20’曲轴转角时开启，新鲜空气通过增压并冷却后，经稳压箱 、进气支管、气缸盖进气道进入气缸内，当活塞运动到下止点后 42º 20’曲轴转角时，进气门关闭。 1.2 压缩冲程：当气门完全关闭时，活塞继续上行，压缩过程 开始，随着活塞上行，气缸内的空气不断被压缩，其压力和温度 不断升高，为柴油自燃创造了必要的条件。当活塞到达上止点前 21º 时，柴油以雾状喷入燃烧室，与气缸内的高压高温的空气混合 。 1.3 燃烧膨胀冲程：当喷入气缸内的柴油与高温高压空气混合后 迅速燃烧，开始了燃烧过程，燃烧压力急骤上升，燃气最高温度 可达1500℃。燃烧分四个阶段。 1.4 排气冲程：当活塞到达下止点前42º 20’曲轴转角，排气门开启 ，开始了排气过程，这时气缸内经过膨胀做功的燃气开始排出， 活塞经过下止点继续上行，直到活塞再次达到上止点后42º 20’曲轴 转角，排气门完全关闭为止。
9 柴油机主要零部件 9.1机体
柴油机机体采用铸焊组合结构或整体铸造结构。曲轴孔中心 距底面450mm。每位主轴承盖用两条M48×2贯穿式螺栓紧固， 两侧采用侧肩定位，并用两条M30×2横拉螺钉使轴承盖与机 体牢牢紧固，与机体形成封闭式结构，以增强机体的总刚度， 主轴承孔装有20高锡铝合金钢背轴瓦，输出端装有两半式止 推挡圈。 机体横截面呈六边形。气缸孔Ｖ型夹角为50°，A、 B两列气缸中心前后错开74mm，同侧气缸孔距为400mm，每 个气缸孔周围有六个M36×2紧固气缸盖的螺栓孔，气缸孔外 侧对应设有二个进排气推杆孔和一个喷油泵孔，其下方布置 隧道式凸轮轴孔。Ｖ型夹角内设有进气稳压腔和润滑主油道。 机体输出端有连接箱安装座板，自由端有齿轮和泵支承箱安 装端板。机体两侧各有六个曲轴箱检查孔和凸轮轴检查孔。 在曲轴箱侧盖中有五个装有防爆安全阀，左右侧还各有一个 机油加油口
柴油机原理及结构介绍
1 柴油机工作原理 上止点、下止点、冲程（行程）、燃烧室容积、工作容 积（排量）、压缩比 当活塞由上向下运动时，外界的新鲜空气经过进气门被 吸入气缸，而后活塞向上运动，对这部分新鲜空气进行 压缩，使空气的温度和压力都有较大的升高。这样的空 气与从喷油器喷入气缸的柴油混合，能使柴油自行着火 燃烧放出热能，此时燃气温度和压力急剧升高，而后急 剧膨胀，推动活塞向下运动做功，经过连杆、曲轴输出 扭矩。柴油机一个完整的工作过程由进气、压缩、燃烧 膨胀、排气四个冲程组成，曲轴旋转两圈、活塞经过四 个冲程。
大连厂：12V280ZJ 戚 墅 堰 16V280ZJB 二 七 厂 12V240ZJ6F ： ：
7国内外机车柴油机可靠性对比 通常认为柴油机Pe值和强化系数越高，柴油机 性能指标越好，但同时要求工艺制造水平也高，否 则，柴油机可靠性下降，这是一对矛盾。我国批量 生产的16V240ZJD型柴油机，新研制的16V280ZJB和 12V280ZJ型柴油机同国外机车柴油机性能比较接近 ，但可靠性相差很大。我国机车柴油机大修周期90 万公里，国外机车柴油机大修周期120-160万公里 。零部件方面，国外柴油机规定曲轴、活塞、连杆 等使用寿命16-24万公里，喷油器拆检周期24万公 里，我国的活塞使用寿命不足80万公里，喷油器拆 检周期仅2万公里。
制定 单位 国际 铁路 联盟 UIC 美国 环保 局 EPA 中国
名称
生效 期 2008 年
NOx
HC
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
CO
颗粒
烟 度
UIC-3
6.0
0.5
2.0
0.2
EPA Tier 2
2005 年
7.4
0.4
2.0
0.27
TB/T2783
2003 年
16. 0
1.6
4.0
1.6
5 国内机车柴油机现状 目前，我国内燃机车主要装用240/275和280/285系列柴 油机，其缸径为240mm、280mm,行程为275mm、285mm,标定转 速为1000r/min，其中“275”B型机的标定功率为154kW/缸，C 型机的为168kW/缸，D型的为186kW/缸。“280”A型机的为 241kW/缸。随着铁路对重载、高速机车的需求，要求柴油机 有更大功率，我厂240/275系列柴油机的强化程度已达到D型 机的水平,Pe值达1.93MPa.但其主要零部件的可靠性、耐久性 问题也日益突出。同时，由于该系列柴油机采用传统的装用 联合调节器的机械式燃油系统，不能很好地解决控制排放与 较低燃油经济性之间的矛盾。另外，对整机的电控水平仍处 于较低的阶段。
3柴油机特性 柴油机的性能指标随它的工况变化的关系叫柴油机 特性。用曲线表示，就是柴油机的特性曲线。 3.1负荷特性：转速保持不变的条件下，柴油机的性 能指标随负荷变化的关系。 3.2速度特性：油泵齿条保持不变的条件下，柴油机 的性能参数随转速变化的关系。 3.3调速特性：柴油机安装调速器后，调速弹簧压缩 量保持不变的条件下，柴油机的性能参数随转速变化的 关系。 3.4联合特性：柴油机和从动机械联合工作的特性。
北京二七机车厂
2增压 增压目的：不增大结构尺寸，增大功率。 废气能量：脉冲和定压能量。 涡轮机：喷嘴环、涡轮等。 两种增压方式：定压增压、脉冲增压。 目前铁路机车柴油机采用的增压方式主要有三种，定压增压、 脉冲增压和脉冲转换器增压（MPC）。干线机车大都采用定压和 MPC方式，调车机车则以脉冲方式为主。我厂生产的12V240ZJ6F型 柴油机是专为DF7C机车配套设计的脉冲增压柴油机，为充分适应 调车作业（部分工况运转时间长、工况变换频繁），设计上选取 高性能增压器使柴油机运用线穿过压气机高效区。经增压配套试 验，在标定工况各项参数满足设计要求的条件下，柴油机部分工 况性能得到很大提高，与定压增压柴油机比较主要优点如下：
4 柴油机的排放问题 随着人们环保意识的增强，铁路内燃机车的排放越来 越被公众所关注。尽管国际铁路联盟现用的UIC623标准规 定了废气排放限值，但由于该标准是非强制性的，未被所 有成员路采用。为此，国际铁路联盟已起草新的强制性标 准，从发展趋势看，我国机车柴油机的排放迟早将纳入国 家法规。目前我国铁路执行的标准是TB/T2783-97《铁路牵 引用柴油机排放污染物限值及测试规则》，主要废气物的 限定值：NOx—16g/kW.h；HC—1.6 g/kW.h；CO—4 g/kW.h。 欧洲铁路执行的是UICⅡ号标准，主要废气物的限定值： NOx—9.5 g/kW.h；HC—0.8 g/kW.h；CO—2.5 g/kW.h。尽 管铁标规定比较宽松，但我厂柴油机仍达不到标准要求， 距国际水平差距更大。
组装方法及技术要求 a) 主油道须冲洗干净。焊修后须做1MPa的水压试验，保持20min不泄漏。 b) 机体上各种双头螺柱栽入前应清洗干净；喷油泵下体螺柱、靠机体外侧的气缸螺栓栽 入机体时，须涂耐油密封润滑脂；气缸螺栓和连接箱用螺栓栽入机体时，须涂二硫化钼； 其余双头螺柱栽入时均涂密封胶。 c) 主轴瓦在压紧状态下，瓦背与机体主轴承孔的接触面积不少于总面积的60%。 d) 主轴承螺栓的紧固螺栓伸长量为0.87±0.03mm（铸焊组合机体），0.97±0.03mm（整 体铸造机体）；横拉螺钉的紧固力矩为1000N· m。 e) 主轴瓦与主轴颈间的径向间隙为0.25~0.30mm，同一台柴油机径向间隙允差0.03 mm， 相邻位 允差0.02 mm。 f) 主轴瓦、主轴承盖和主轴承孔的端面突出量不大于0.5 mm。 g) 机体止推挡圈与曲轴止推面间的轴向总间隙为0.25~0.35 mm，主发电机安装后，此间 隙应不小于0.18 mm，组装前后的间隙减少量应不超过0.10 mm，在组装时允许修研止推 挡圈背面（贴机体止推轴承孔侧），修研量不得超过0.02 mm。 h) 机体止推挡圈在合口面处的间隙为0.4~0.75 mm。
2001年我厂12缸强化柴油机在大连所做过排 放检测。结果为NOx=11.4；HC=4.0；CO=1.2，其 中HC超出标准一倍多。NOx按UIC标准也不合格。 因此，对柴油机排放问题我们有大量深入的工作 可做，从污染物的生成机理到柴油机工作过程中 产生污染物的特定因素，全方位进行研究。深入 研究喷油定时的影响、喷油速率的影响、喷孔直 径的影响、喷油规律的影响、喷油压力的影响、 喷嘴压力室容积的影响、进气温度的影响、进气 压力的影响，以及诸多因素之间的相互影响等
气缸套与水套上端结合面用一个氟橡胶密封圈密封，下端用三个橡胶圈密 封。在水套下端设有二个橡胶密封圈与机体密封，以防止进水孔处冷却水 漏泄到曲轴箱去。 气缸套的使用寿命是决定柴油机修程的主要因素之一，其使用寿命主要取 决于缸套的耐磨性和抗蚀性，特别是在活塞上止点第一道活塞环处，由于 受到高温、高压的燃气冲刷，工作条件恶劣，磨损更加严重。气缸套的磨 损还与空气滤清器的状态、机油、燃油的品质和清洁度、油水温度等有关， 严重时会发生“拉缸”故障。
a 柴油机部分工况负载能力高。与同等强化程度的定压增压柴油机 比部分工况功率提高10-15%。 b 柴油机部分工况排温低。由于部分工况扫气压比高，平均在1.11.2，进、排气压差大，柴油机扫气彻底。而定压柴油机部分工况扫气 压比接近1，甚至低于1。柴油机部分工况排温高，往往在750-850r/min 时的排温要高于标定工况。 c 柴油机部分工况燃油消耗率低。因部分工况压气机效率高，压比 、爆发压力均比定压增压柴油机高。燃油消耗率平均低5-7g/k.wh。 d 部分工况增压器跟随性好。由于脉冲增压不但能利用等压能量， 还能有效利用脉冲能量。在设计合理的情况下，脉冲能量中有40-50%可 以得到利用。所以增压器工作能力大，这在部分工况尤为突出。因此， 在同等增压器转子惯量的条件下，柴油机变工况时，脉冲增压，增压器 转子获得的能量多，过渡时间相对较短。
8 柴油机主要技术参数 型号： 12V240ZJ6F 气缸直径： 240mm 活塞行程： 275mm 压缩比： 12.5 标定转速： 1000r/min 标定功率： 2000kW (在大气压力0.1MPa，环境温度25℃，相对湿度30％，中冷器进水温度55℃和柴油机转速为1000r/min条件下) 最大运用功率： 1840kW 最低空载稳定转速： 430r/min 标定功率时的平均有效压力： 1.6MPa 标定功率时的最高爆发压力： ≤13.5MPa 最低空载稳定转速时的压缩压力： 2.75±0.1MPa 供油提前角： 21°±1° 标定功率时，增压空气压力不小于： 0.22MPa 标定功率时，增压空气流量： 4 kg/s 标定功率时，排气温度： 气缸盖出口处 ≤500℃ 增压器涡轮进口处 ≤600℃ 标定功率时： 增压器进气压力损失 ≤2500 Pa 排气背压 ≤3000 Pa 增压器涡轮进口最高承受温度 650℃ 排气烟度： ≤1.2Bosch 标定功率时燃油消耗率： ≤211+3% g/(kW· h)
6 国外机车柴油机水平 当今国外大功率柴油机的发展方向除了增大功 率、降低燃油消耗率、提高可靠性和耐久性外，降 低和控制排放是其研究的重点。国外机车柴油机的 强化程度普遍超过240/275和280/285系列柴油机的 水平，Pe值在2.0-2.5MPa之间，甚至更高，而且其 排放指标和柴油机油消耗率比240/275系列柴油机 好。由于采用先进的电子控制技术，使柴油机的运 用状况能实时调节，并具有故障诊断功能，做到提 前发现故障，排除故障，大大提高了机车的安全可 靠性。
机型 美国:GE-7HDL
Pe （ MPa ） Pe.Cm 2.12 23.74
Ge(g/kw.h) 186
德国：MTU-8000
大 连 厂 16V240ZJD ：
2.46
1.95 2.24 1.91 1.61
29.74
16.26 23.90 19.10 14.76
195
207 204 204 211