柴油机的结构特点 燃烧室部件 活塞 气缸 气缸盖

组成方式
• 活塞头、活塞裙和活塞杆用柔性螺栓连接。
• 1、活塞头：由耐热合金钢组成；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；活塞头内部 支撑（薄壁强背）；周向凹槽供拆卸活塞 起吊工具使用；
• 低置活塞环，提高活塞顶岸高度。
• 2、活塞裙：由耐磨合金铸铁制造；由于不 受侧推力和属于直流扫气，活塞裙比较短可 以降低发动机的吊缸高度。
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。
密封环间隙
• 密封环的间隙分为搭口间隙（开口间隙）、 天地间隙（平面间隙或端面间隙）及环背 间隙。
• 搭口间隙为工作状态下切口的垂直距离； • 天地间隙为环端面与环槽上或下面的垂直
间隙。 • 活塞环的天地间隙和搭口间隙一般为第一、
裙部来承担
• 3、活塞通过活塞销直接与连杆的小端相连，在运动时 活塞与气缸壁之间产生侧推力
• 4、活塞底部与曲轴箱连通，气缸多采用飞溅润滑，气 缸壁上流下的润滑油直接流入曲轴箱内。
• 优点：结构简单、紧凑、轻便，发动机高 度较小。
• 缺点：由于运动时有侧推力，活塞与气缸 壁之间的磨损较大。
• 适用：目前高速及中速柴油机都采用这种 构造形式。
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。
a:矩形环 b:梯形环 c:倒角环 d:内切槽 扭曲环
e:外切槽 扭曲环
内切槽环切槽朝上，外切槽环切槽朝下
图2-6 气环的断面形状
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，气密性较好。
搭口一般为30-45°，45°较多。 重叠搭口：气密性好，但容易折断。
外表面喷镀钼以防止粘着磨损.
• ⑤结构
• 根据断面形状分类
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。
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。
• 3、活塞杆：优质碳素钢锻制而成；上与活
塞头下与十字头连接；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
• （3）铝合金的比重小，为铸铁的1/3左右。导热系数比铸 铁高2倍左右，利于散热。但高温强度差，铝合金的线膨胀系 数大，所以活塞与气缸之间的冷态间隙要求较大，造成冷车 启动困难。其耐磨性也较差，成本也较高。因此仅用于制造 中小型柴油机的活塞，以减小往复惯性力。
一、筒形活塞（trunk piston):
第二章 柴油机的结构和主要零部件
• 船舶柴油机主要零部件指燃烧室部件（活 塞、气缸和汽缸盖）、曲柄连杆机构（十 字头、连杆、曲轴和轴承）、机座、机架 和贯穿螺栓。
第一节 柴油机的结构特点
• 一、 现代柴油机的结构特点
• 1．气缸尺寸采用长行程或超长行程.现代大型低速长 行程活超长行程二冲程柴油机都采用直流扫气。
• （2）传递燃气动力。
• （3）在筒形活塞式柴油机中，还要承受连杆倾斜时 所产生的侧推力，起往复运动的导向作用。
• （4）在二冲程柴油机中，还要起启闭气口作用。
• 2．活塞的工作条件
• （1）承受燃气压力和往复惯性力所引 起的带有冲击性的机械负荷。
• （2）活塞顶部直接接触高温燃气，不 仅热负荷很高，各部分间有温差热应力， 而且还受到燃气的化学侵蚀（低温腐 蚀）。
• 活塞工作时，上下温度差很大，上部热膨胀量比 下部大，活塞在制造时外形呈上小下大的圆柱体。 为了防止活塞在汽缸呢咬死，常将活塞销座附近 的沿径向制成椭圆形或凹陷型。
• 2）冷却式筒形活塞：使用冷却介质(如淡水、滑油) 对活塞顶内腔进行强制冷却
• 常用的冷却方式有四种。（冷却介质滑油） • 自由喷射冷却 • 循环冷却 • 振荡冷却 • 喷射-振荡式冷却
• 2．活塞材料
• 活塞所用的材料主要有三种：铸铁（合金铸铁、球墨铸 铁）、钢（碳钢、耐热合金钢）和铝合金。
• （1）铸铁易于浇铸，耐磨性好，机械强度较高，线膨胀系 数小，故活塞与气缸间允许有较小间隙，铸铁的价格也便宜， 是制造发动机活塞最基本的材料。
• （2）钢的机械强度高，但耐磨性差，成本较高。主要用于 大功率中低速柴油机，因为它们的活塞机械负荷和热负荷都 很高，单靠铸铁已承担不了这一负荷，因此往往用耐热合金 钢作为受热最严重的活塞头部材料。
• 4、汽缸下部有横隔板，把气缸和曲轴箱隔开防止气 缸的赃物污染曲轴箱底的润滑油。
• 5、活塞下方空间形成活塞底泵，作为辅助的扫气泵。
• 缺点：是柴油机高度和重量增大，结构复 杂。
• 适用：目前大型低速二冲程柴油机都采用 十字头式柴油机形式。
第二节 活塞
• 一、活塞的作用和工作条件 • 1．活塞的作用 • （1）与气缸、气缸盖等组成封闭的燃烧室空间。
• 刮油环既能刮油也能布油。
• ②工作条件；
• 第一道密封环直接受到高温高压燃气的作 用，条件最恶劣。
• 活塞环的润滑条件也受到限制，特别是第 一、二道气环的润滑条件最差，处于边界 摩擦状态，使得它与缸套、活塞环槽之间 产生严重的摩擦和磨损。
• ③要求：对活塞环的要求是耐热、耐磨、 耐腐，有足够的强度，并具有一定的弹力， 以保证装入气缸后有一定的径向压力。环 的表面硬度稍高于缸套为宜。
三、十字头式的柴油机的结构特点
• 十字头式柴油机的特点
• 1、活塞的高度一般较小，活塞与活塞杆相连，活塞 杆下端通过十字头上的十字头销与连杆的小端相连 接。
• 2、活塞上下运动时的导向作用主要由十字头承担， 侧推力产生在滑块与导板之间。
• 3、活塞不起导向作用，与气缸壁之间的间隙较大， 磨损小，不易卡死。
活塞销(piston pin)
---只在筒形活塞中有
1、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。
2、选材：多用优质碳钢或低碳合金钢制造，采 用中空结构。表面渗碳淬火，表面硬度高，内 部韧性好。
3、结构形式：浮动式、固定式、半浮动式
• 自由喷射冷却
滑油在压力作用下经连杆杆身内的输油通道， 自下而上经连杆小端上部的喷嘴喷出冷却活塞 顶，然后落入曲轴箱。
此冷却方式多用在强化度不高的小型柴油机中
• 循环冷却
借助于专设的冷却机构把压力滑油送入活塞顶 内腔中循环冷却(先周围后中部)。此时需在活 塞顶内设循环腔或埋入蛇形管。这种冷却方式 可对活塞顶部进行均匀而有效地冷却，但对强 化程度很高的现代柴油机仍不能满足要求
• 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。
• 主要受力面为活塞销座上面及连杆小端轴承的下面。 一般将销座和连杆小端做出阶梯形，以增加承压面 积。
• 在装配时活塞销与活塞销座孔应有一定过盈，故应 将铝合金活塞加热到90～100℃，然后再将销轻轻 推入销座中。切忌硬敲击，以免擦伤销和销座。
• 刮油环处在下面气体力小，环的弹力应该 加大。
• ④材料：要求活塞环要弹性好、摩擦系数 小，耐磨、耐高温，一般采用合金铸铁、可 锻铸铁、球墨铸铁。
• 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;
二道环最大依次减小。
刮油环的结构
• 刮油环：单刃刮油环和双刃刮油环。 • 刮油环的特点：与密封环相比其环与缸壁
的接触面积小，以增加接触压力，提高刮 油效果；环与槽的天地间隙小，以减小泵 油作用；搭口间隙小于密封环；环槽和刮 油环本身都开有足够大的集油空间和泄油 通道。
• 注意：当刮油环刮刃为锥状表面时，要把 刮刃的刀口的尖端朝下。
• （3）活塞作往复运动，活塞与气缸润 滑状态差，因此摩擦功大，磨损严重。
• （4）在中、高速柴油机中，活塞的往 复惯性力还会使柴油机振动加剧。
二 活塞的要求和材料
• 1．对活塞的要求 • 针对以上的工作条件，活塞必须满足以
下要求：要求活塞具有强度高、刚性大、 密封可靠、散热性好、冷却效果好、摩擦 损失小、耐磨损的特点；对中、高速柴油 机还要求重量轻（密度小）。
• 筒形活塞： 在筒形活塞中广泛采用的是在曲轴、连中钻
孔，滑油由主轴承经此孔道送至连杆小端，再
经过活塞销和活塞销座中的孔道送至活塞头冷 却空间，冷却后的滑油泄回曲轴箱
自由喷射式
蛇形管冷却
振荡式
三 活塞的组成和结构特点
十字头式活塞（cross-head piston): • 活塞头(piston head) • 活塞裙(piston shirt) • 活塞环(piston ring) • 活塞杆(piston rod) • 活塞冷却机构(piston cooling gear)
• 振荡冷却
振荡速度(与活塞平均速度同量级)与冷却液循 环流速叠加可产生较大的冷却液速度，加强了 冷却液的扰动作用，从而提高了对活塞顶的冷 却效果，因而在大、中型强载柴油机上普通采 用 • 喷射-振荡式冷却 冷却油通过喷嘴直接喷射到活塞顶下部，并且 在排出冷却腔之前，在冷却腔内振荡，由于喷 射和振荡的双重效果，确保了低的活塞表面温 度并避免了表面的烧蚀
• 2．燃烧室部件普遍采用钻孔冷却结构 • 3．采用旋转式排气阀及液压式气阀传动机构
4．喷油泵采用可变喷油定时（VIT）机构 • 5．采用薄壁轴瓦 • 6．独立的气缸润滑系统 • 7．曲轴上增设轴向减振器 • 8．焊接曲轴
二、筒形活塞柴油机的结构特点
• 筒形活塞式柴油机的特点：
• 1、活塞的高度一般较大 • 2、活塞上下运动时的导向作用由活塞本身下部的筒形
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.半浮动式：活塞销固定在连杆小端。
活塞销(piston pin) ---只在筒形活塞中有
• 4、特点：
• 浮动式销两侧用卡簧轴向定位，防止窜动。
• 为减轻重量，活塞销作成中空的。
• ⑥环跳现象：通常随着活塞的往复运动， 活塞环也随之产生上下运动是正常的。但当 柴油机转速增高，或环的张力（弹力）不足 时，就容易因惯性作用而引起气环不应有的、 在环槽中的上下运动，密封环不再紧压在环 槽底面而是上行并悬浮在环槽中，这就是所 谓“环跳”（飘环）现象。
• ⑦泵油现象：装密封环后也带来了坏处，就 是密封环在不断的往复运动中会把气缸壁上 的润滑油不断地泵进燃烧室烧掉，使润滑油 耗量增加，活塞顶积炭。密封环的这种泵油 作用是由气环在缸壁上的刮油作用及气环在 环槽中的挤油作用而引起的，四冲程柴油机 在进、排气冲程中要产生泵油作用。
筒形活塞
• （1）非冷却式筒形活塞：非冷却式筒形活塞用于 缸径较小、强载度较低的中小型柴油机中，因为 活塞的尺寸小，其相对散热面积较大，散热条件 较好，不采用强制性的冷却措施，活塞头所吸收 的热量主要是通过活塞环向气缸套及其外侧的冷 却水散出，称之为径向散热。为了便于散热，顶 部较厚并沿半径方向逐渐增厚，顶部内腔环带的 过渡圆角半径较大。
• 活塞头(piston head) • 活塞裙(piston shirt) • 活塞环(piston ring) • 活塞销(piston pin） • 刮油环
活塞环
• ①作用：密封环主要起密封气缸和散热的 作用。其密封作用主要是靠气环本身的弹 力 形 成 第 一 次 密 封 。在气缸内气体压力的 作用下又使环紧贴于气缸壁和环槽平面形 成第二次密封，第二次密封的作用比第一 次密封更重要。活塞环通常有4-5道，搭扣 成180°交错，增加密封可靠性。
图2-4 S50MC-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
二、十字头活塞
十字头式活塞（cross-head piston): • 活塞头(piston head)----耐热合金钢 • 活塞裙(piston shirt)----耐磨合金铸铁 • 活塞环(piston ring) • 活塞杆(piston rod)----优质碳素钢 • 活塞冷却机构(piston cooling gear)