柴油机的结构及主要部件

S-MC-C活塞
筒形活塞式柴油机活塞
Wärtsilä32
-由活塞头、活塞裙、活塞环 和活塞销组成 （小机器头、裙一体制造） -头部用铸钢，裙部用球墨铸铁 -头部有冷却腔 -有两道压缩环和一道刮油环 -裙部造得坚韧以承受侧推力 -销孔两端切槽以适应变形
2、活塞销
• 作用：筒形活塞中连接活塞和连杆小端 传递气体力和惯性力
因为这里受到较大的残余拉应力和较大的热应力与机械应力合 成的压应力的交变作用。
塑变后尺寸 原尺寸
停车拉应力 压应力 火侧 t1
拉应力 水侧 t2 停车压应力
活塞顶板
3
3、燃烧室部件的结构特点
• 为了降低活塞顶板的机械应力，应增加活塞顶 的厚度
• 活塞顶板厚度的增加又会导致热应力的增加
•薄壁强背结构：薄壁就是燃烧室部件的受热壁 要薄，以减少热应力；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。
火侧 t1
热应力火侧为压应力，水侧为拉应力 拉应力 水侧 t2
与热流密度成正比，与壁厚成正比
活塞顶板
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。 •热疲劳与柴油机的累计转数并无多大关系，主要取决于机器
的起动—运行—停车的循环次数，故亦称低频应力。 • 热疲劳产生的裂纹多数在触火面上形成和发展，以致造成损坏，
q=Q/F
•温度场：受热部件中温度分布图，准确表示受热 部件的热负荷
• 热应力：由温差作用形成的应力称热应力
排气温度：简单、实用
由温差作用形成的应力称热应力
t1
t2
q
（℃）
1Βιβλιοθήκη Baidu
2
1 2
(t1
t2 )
q 2
1
2
E 1
q 2
δ-板厚 q-热流密度 μ-泊松比
α-膨胀系数 λ-导热系数
E-弹性模数
压应力
活塞环材料要求及制造工艺
• 材料要求：
–弹性较好，摩擦系数小，耐磨、耐高温；有良好的
初期磨合性、贮油性和耐酸腐蚀。
–一般采用合金铸铁(加硼、高硅)、可锻铸铁、球墨
铸铁
• 制造工艺：
–表面镀铬；
内表面刻纹以提高弹性；
–松孔镀铬；
外表面开设蓄油沟槽。
–环外表面镀铜以利磨合；
–喷镀钼以防止粘着磨损等。
油环 •飞溅润滑
工作条件：• 受燃气高温、高压、腐蚀、烧蚀作用 • 热负荷和机械负荷很高，容易发生裂纹和变形 • 磨擦与撞击，润滑困难，磨损严重 • 具有较大的惯性力，柴油机产生振动/
要求：强度高、刚度大;密封可靠;散热性好、冷却效 果好;摩擦损失小、耐磨损;中、高速柴油机还 要求活塞重量轻。
十字头式柴油机活塞
-活塞头：耐热合金钢 -活塞裙：耐磨铸铁 -头和裙组装于活塞杆上 -活塞杆由段钢制造 -有四道活塞环 -活塞内有冷却腔，振荡冷却 -活塞杆内有插管 -短裙
第二章 柴油机的结构及主要部件
第一节 柴油机的总体结构
固定件 运动件 换气系统 燃油系统 润滑系统 冷却系统 起动和控制系统
第二节 燃烧室部件
一、燃烧室部件承受的负荷及结构特点 燃烧室：
当活塞处在上止点时，由气缸 盖底面、气缸套内表面及活塞 顶共同组成的燃料与空气混合 和燃烧的空间
1、机械负荷 4
2
7
3、结构特点 10
1、机械负荷
机械负荷指柴油机部件承受最高燃烧压 力、惯性力、振动冲击等的强烈程度。
(1)安装预紧力引起的负荷 (2)气体力引起的机械应力
(1)安装预紧力引起的负荷
螺栓的预紧力 pｄ=(１.２５～２)πＲ２１ｐｚ
R1
气缸盖上表面安装应力为拉应力 下表面为压应力 大小与螺栓预紧力成正比 与气缸盖的高度成反比
使用冷却介质(如淡水、滑油)对活塞顶内腔进行强
制冷却
•冷却方式 ： 自由喷射冷却 振荡冷却
循环冷却 喷射—振荡冷却
• 冷却液的输送方式：筒形机在曲轴连杆机构中开通道 十字头机有套管式和铰链式机构
11
套管式机构
铰链式机构
4、活塞环和承磨环 压缩环(气环)、 刮油环
活塞环的工作条件和要求
• 活塞环的工作条件： –受到高温高压燃气的 作用 –十分复杂的运动 –严重的摩擦和磨损 –润滑条件较差 –可能产生裂纹或折断
• 工作条件：尺寸小、润滑条件也较差、受摩擦 和磨损
• 要求：足够的耐疲劳强度、抗冲击，耐磨损和 重量轻
• 材料：优质碳钢或低碳合金钢，表面渗碳淬火 • 结构形式：浮动式、固定式和半浮动式。
3、活塞的冷却
•非冷却式活塞(径向散热型) 热量主要通过活塞环传自气缸套并通过冷却水带走
•冷却式活塞(轴向散热型)
做回转运动的曲柄销轴承 把润滑油甩到气缸壁上。
•气环的泵油作用 • 油环的结构、原理
单刃油环、双刃刮油环
承磨环 作用：专为十字头式活塞与气缸的磨合而设置
触火面为压应力
气缸套
切向应力σｔ内表面最大，外表面最小
Pz o
径向应力σｒ内表面最大，外表面为0
燃烧室部件中由气体压力而产生的机械应力
都和最高爆发压力成正比，与部件壁厚成反比
3
σt
r σr
2 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。
热负荷的表示方法: •热流密度q：单位时间内单位面积的热流量
• 要求: –良好的密封性能， –耐磨，特别是抗熔着磨 损的性能要高； –要有适当的弹性， –足够的强度和热稳定性。
气环
• 作用： 密封、传热 •密封原理：
本身弹性和气体压力 –高速柴油机装3道～5道， –低速柴油机装4道～6道 • 断面形式： a为矩形环 b为梯形环 c为倒角环 d 扭曲环
• 搭口形式 直搭口 斜搭口 重叠搭口
钻孔冷却 • 冷却水孔实际上将壁分为冷热两部分， • 热区很薄——薄壁，减少了热应力； • 冷区很厚——强背，减少了机械应力。
3
第二节 燃烧室部件
二、活塞 1、活塞的构造 2、活塞销 3、活塞的冷却 4、活塞环和承磨环
5、活塞杆填料函
1活塞的构造
作用： • 在保证密封的情况下，完成压缩和膨胀过程 • 组成运动机构，将力经连杆传递给曲轴； • 筒型机中承受侧推力，起滑块作用 • 在二冲程机中，启闭气口,起滑块作用。
气缸套 安装应力主要存在于其上部的凸肩部位 应力的大小与螺栓预紧力ｐｄ成正比， 与其凸肩的高度成反比
(2)气体力引起的机械应力
气缸盖 水冷面为拉应力
触火面为压应力
u
R2
2
pz
弯曲应力与缸盖底板半径的平方成正比，
Pz
与底板厚度的平方成反比
σ
活塞 活塞顶板在最高燃烧压力作用下
产生很大的弯矩和弯曲应力
水冷面为拉应力