第2章 柴油机的总体结构及主要零部件

第二章 柴油机的总体结构及主要零部件

因柴油机是一种往复式压缩发火的内燃机，所以其总体结构及主要零部件都是围绕完成此功能而设置的。柴油机是推动船舶前进的根本动力设备，了解其结构组成及功能，做好维护管理工作是极其重要的。统计表明，船用柴油机主要零部件发生的故障占柴油机故障总数的90％左右，而其中近一半的故障又集中发生在燃烧室部件上。这些故障直接影响柴油机的技术性能指标，与航行安全密切相关。

第一节 柴油机的总体结构概述

一、

总体结构示意图，如图2-1所示。

二、柴油机的基本组成

船用柴油机结构比较复杂，它由许多零件、机构和系统组成。尽管各柴油机厂商制造的柴油机结构、型号各不相同，但他们在工作原理和总体结构上有很多共同之处。柴油机主要由以下部件和系统组成：

1．主要固定件

柴油机的主要固定件由机座、机架、气缸体和气缸盖等组成。中小型柴油机常将气缸空冷器机座

曲轴 机架 十字头 缸套 活塞 活塞杆

连杆大端轴承 图2-1 船用柴油机总体结构示意图

体和机架做成一体称为机体，并用轻便的油底壳代替机座。它们构成了柴油机的骨架，支撑着运动件和辅助系统。

2．主要运动件

柴油机的主要运动件由活塞、连杆组件及曲轴组成，对于大型低速柴油机还有十字头组件。活塞的顶部、气缸套的内壁以及气缸盖的底部共同组成了燃烧室空间，既保证了柴油机工作过程的顺利进行，又将活塞的往复运动通过连杆转变为曲轴的回转运动，从而将燃气推动活塞的动力通过曲轴以回转的方式向外传递。

3．动力和辅助系统

（1）起动系统

起动系统是借助于外力带动曲轴回转，并使其达到一定的转速，由活塞压缩气缸内气体使其具有足够的温度和压力，以实现柴油机的第一次发火燃烧，由静止转入工作状态。柴油机起动的方式大致有两种：一种是借助于外力矩使曲轴转动起来，如人力手摇起动、电机起动和气马达起动等；另一种是借助于加在活塞上的外力推动活塞使曲轴旋转起来，如压缩空气起动。目前远洋船舶上的柴油机起动系统普遍采用压缩空气起动系统，它由空气压缩机、主空气瓶、主起动阀、空气分配器、起动控制阀和气缸起动阀组成。

（2）换气系统

柴油机的换气系统包括消音器、进排气管、消音器、增压器和空冷器（对于增压柴油机）以及为完成换气所需的换气机构，包括进排气阀、气阀传动机构、凸轮轴及凸轮轴传动机构等。它们的作用是按照工作循环的需要，定时地向气缸内供应充足、清洁的新鲜空气，并将燃烧后的废气排出气缸。

（3）燃油系统

燃油系统主要由燃油供给系统和燃油喷射系统组成。燃油供给系统是把符合使用要求的燃油畅通无阻地输送到喷油泵入口端。该系统通常由燃油的加装和测量、贮存、驳运、净化处理、供给五个环节组成。燃油喷射系统一般由喷油泵、喷油器和高压油管组成，其作用是定时、定量地向燃烧室内喷入雾化良好的燃油，保证燃烧过程的进行。

（4）润滑系统

润滑系统的作用是将清洁的润滑油送至柴油机的各运动件摩擦表面，起到减磨、冷却、清洁、密封和防锈的作用，保证柴油机正常持续地工作。大型低速柴油机通常由气缸注油系统和曲轴箱油系统两部分组成，而中小型柴油机只有曲轴箱油系统（也称之为机油系统）。

（5）冷却系统

冷却系统由泵、冷却器和温度控制器等组成。船舶柴油机通常以淡水和滑油作为冷却剂进行流动，将受热零部件所吸收的热传导出去，保证零部件有正常的工作温度和工作间隙。冷却部件后的淡水和滑油又常被海水再冷却，以备循环使用。

（6）操纵和控制系统

操纵系统是控制柴油机起动、换向、调速、停车功能的一系列装置的统称，它是一个复杂的系统。按操纵方式的不同可分为：机旁手动操纵系统、机舱集中控制室控制系统和驾驶台控制系统。

三、几种常见船用柴油机的典型结构

在国际上，船用柴油机生产厂家主要有：丹麦-德国的MAN B&W公司；德国MTU公司、道依茨(DEUTZ) 公司、马克(MAK)公司、曼海姆(MWM)公司、SKL公司；法国的皮尔斯蒂克(S.E.M.T) 公司；芬兰的瓦锡兰(Wärtsilä NSD)公司（收购瑞士的苏尔寿(SULZER)公司后称为瓦锡兰新苏尔寿公司）；荷兰的斯托克(STORK) 公司；美国的卡特比勒(CAT)公司、康明斯(CUMMINS) 公司；挪威的CKD公司、贝尔根(BERGEN)公司；日本的阪神(HANSHIN)公司、赤阪(AKASAKA)公司、大发(DAIHATSU)公司、久保田(KUBOTA)公司、三菱(MITSURISH)公司、新

泻(NIIGATA)公司、洋马(YANMAR)公司；英国的罗斯顿(RUSTON)公司，等等。

随着船舶柴油机技术的发展，MAN B&W公司生产的MC/ME系列柴油机和Wärtsilä瑞士公司生产的SULZER RTA/RT-flex系列柴油机已成为二冲程十字头式柴油机市场的主导产品，而Wärtsilä，MAN B&W，Mak等公司的产品则在四冲程中速柴油机市场占主导地位。下面以MAN B&W公司生产的S50MC-C型柴油机和Wärtsilä 32型柴油机为例介绍低速二冲程柴油机和四冲程柴油机的总体结构。

1．MAN B&W公司的S50MC-C型柴油机

自1982年MC系列柴油机投入使用以来，这一系列柴油机已成为最经常被选用的船用主机，占据了市场的最大份额。在20来年的发展过程中，这一系列的柴油机仍在不断地改进和发展，新经验、新技术、新材料都在柴油机的发展过程中得到体现，MC-C型柴油机就是近年内发展起来的广泛用于货船主机的一个机型。

MC-C型柴油机首先是在大缸径机上实现的，这些柴油机是为了大型集装箱船而设计制造的，相对原机型转速有所提高。根据市场需求，MAN B&W公司又推出了中缸径的MC-C型柴油机（S50，S60及S70MC-C）。S-MC-C系列柴油机的发展目标是，在提高功率输出的前提下改善可靠性，减轻重量，缩短柴油机的长度，这就是“C”紧凑型的概念。一般来说，对相同尺寸的柴油机其长度缩短约10％，功率则上升10％，如：S50MC-C的气缸中心距从S50MC 的890mm下降到850mm，6S50MC-C型机的长度比6S50MC的长度短240mm。

S50MC-C型机在结构上的最明显特征是以双贯穿螺栓代替了传统的单贯穿螺栓；机座在不增加宽度的情况下将地脚螺栓移至外侧，这样，简化了焊接工艺并有利于厂家的安装。在气缸体设计上，S50MC-C的显著特点是气缸体的高度减小，使其重量变轻，加工制造和维护管理更加方便。特别是将凸轮轴箱和气缸体做成一体，并取消了气缸体内的冷却水腔。

新型的S-MC-C柴油机所有的大型轴承普遍采用现代的薄壁轴瓦结构，轴承材料采用Sn40Al，这大大地提高了主轴承的可靠性。由于S50MC-C型柴油机的行程缸径比已经达到了4.0，最高燃烧压力达到15.0MPa，对曲轴刚度和轴承负荷影响很大。因此在曲轴设计上采用加大主轴颈和曲柄销直径的方法，并减少轴颈的长度。轴颈直径的增加和长度的缩短增强了曲轴的刚度，弥补了S/D值增大对刚度的影响，而轴颈直径的加大又可以增加轴承的承载面积，在相同的轴承负荷下缩短轴颈长度，当然这也和采用新型轴承材料有关。轴颈的缩短使气缸中心距和整机长度减小，减轻了机器的重量，也可以使机舱空间减小，从而增大用于营运的船舶容积。

S50MC-C型柴油机采用短连杆结构，降低了机器的高度，减轻了机器重量，并可以减少振动和降低成本。其十字头销设计成非常简单的直段轴形，省去了两个端销，直径也缩小了。这样既简化了加工过程，又减轻了重量。

在活塞结构上采用了低置活塞环组，提高活塞顶岸高度，这对气缸工作非常有利。活塞顶岸高度的提高也使气缸盖与气缸套接合面降低成为可能，这使得气缸盖与气缸套接合面以及气缸套的热负荷降低，改善工作条件。主要的热负荷由钢制的气缸盖承受（钢制的气缸盖的抗热负荷能力比铸铁缸套要大），使其可靠性提高。

2．Wärtsilä 32型中速柴油机

Wärtsilä 32型中速柴油机是以在燃烧技术上取得的最新成就为基础而设计制造的。它具有氮氧化物排放率低、可靠性高、维护管理方便、运转费用低等优点。在结构上有下列特点：

柴油机的机体用球墨铸铁铸造。将所有的油水管路设置在机体之内，外部非常简洁。柴油机采用弹性底座，减少了柴油机振动向外传递。

柴油机的曲轴是整体锻造的并进行了全面的机加工，对曲轴直径和过渡圆角仔细优化和对轴承负荷精心计算，并且在每个曲柄臂上都装有平衡重。曲轴在高的气缸压力下工作可