船舶柴油機

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1、第一章 船舶柴油機概述 第一節(jié) 柴油機的基本工作原理 ??? 柴油機是以柴油作燃料的壓燃式內(nèi)燃機。工作時，空氣在氣缸內(nèi)被壓縮而產(chǎn)生高溫，使噴入的柴油自行著火燃燒，產(chǎn)生高溫、高壓的燃氣，燃氣膨脹推動活塞作功，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功。柴油機的工作循環(huán)由進氣、壓縮、噴油著火燃燒、膨脹作功和排氣等過程組成。這些過程可以由四沖程柴油機來實現(xiàn)，也可由二沖程柴油機來實現(xiàn)。 一、四沖程柴油機（非增壓）的工作原理 ??? 圖1-1所示是四沖程柴油機的基本結(jié)構(gòu)圖。工作時活塞作往復直線運動，曲軸作旋轉(zhuǎn)運動。活塞改變運動方向瞬時的位置稱止點（死點），止點處的活塞瞬時運動速度為零。離曲軸中心最遠時的止點稱上止點（T

2、.D.C.），最近時的止點稱下止點（B.D.C.）。 ??? 曲柄銷中心與主軸頸中心之間的距離稱曲柄半徑R。連桿大、小端中心間的距離稱連桿長度L。 上、下止點間的距離稱活塞行程（沖程）S?；钊谐痰扔谇霃降膬杀?，即S=2R。 活塞在上、下止點間移動所掃過的容積稱氣缸工作容積VS。 ???????????????????????（1-1） 式中，D為氣缸直徑（缸徑）。 ??? 活塞位于上止點時活塞頂與氣缸蓋之間的氣缸容積，稱燃燒室容積（壓縮室容積、余隙容積）VC。 ??? 氣缸總?cè)莘eVa與燃燒室容積之比稱壓縮比e。 ??????????????（1-2） ??? 用四個

3、行程（曲軸回轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)）完成一個工作循環(huán)的柴油機稱四沖程柴油機。 圖1-2是四沖程柴油機的工作原理簡圖。圖的上部表示四個行程中活塞、連桿、曲軸及氣閥的相對位置。圖的下部表示相對應的氣缸內(nèi)氣體壓力隨氣缸容積的變化情況，稱p-V示功圖。 ???????????? ??????????????????????????圖1-2 四沖程柴油機工作原理圖 ?? ?1．進氣行程 ?? ?活塞從上止點下行，進氣閥打開。由于活塞下行的抽吸作用，新鮮空氣充入氣缸。為了能充入更多的空氣，進氣閥一般在上止點前提前開啟（曲柄位于點1），在下止點后延遲關(guān)閉（曲柄位于點2），氣閥開啟的延續(xù)角（圖中陰影線部分）約為2

4、20?～250?CA。 ?? ?2．壓縮行程 活塞從下止點上行，進、排氣閥均關(guān)閉。上行的活塞對缸內(nèi)的空氣進行壓縮，使其溫度和壓力均不斷升高（曲線2-3）。壓縮終點的壓力pc約為3～6MPa；溫度tc約為500～700℃。 【燃油自燃溫度遠低于此值，自燃溫度隨壓縮壓力而變，例如輕柴油： 壓縮壓力pc(MPa) 自燃溫度t(℃) 0.1 270~290 2.8 204 4.2 195 】 在上止點（壓縮終點）附近，燃油經(jīng)噴油器以霧化的狀態(tài)噴入燃燒室，并在高溫高壓空氣的作用下，開始自行發(fā)火燃燒。 ??? 3．膨脹行程 在此行程的初期，燃燒仍在猛烈地進行，使缸內(nèi)的壓力和溫

5、度都急劇升高，其最大值分別可達6MPa和1500～2000℃左右。在高溫高壓燃氣的作用下，活塞向下運動作功，在上止點后某一時刻（圖中點4），燃燒基本結(jié)束，但高溫高壓燃氣繼續(xù)膨脹作功推動活塞下行。當活塞到達下止點前某一時刻（圖中點5），排氣閥開啟，排氣過程開始。此時，氣缸內(nèi)的壓力pb約為0.3～0.6MPa，溫度tb約為600～700℃。活塞則繼續(xù)下行到下止點。 ?? ?4．排氣行程 ?? ?活塞由下止點向上運動，排氣閥繼續(xù)開啟著，上行的活塞將氣缸內(nèi)的廢氣強行推擠出去。為了實現(xiàn)充分排氣和減少排氣過程中所消耗的功，排氣閥不但在下止點前提前開啟，而且要在排氣行程結(jié)束的上止點后才關(guān)閉（圖中點6）。

6、排氣閥開啟的延續(xù)角度（5-6）約為230?～260?CA。 ??? 綜上所述，在四沖程柴油機中，要經(jīng)歷進氣、壓縮、膨脹、排氣等四個行程才完成一個工作循環(huán)；與此相應的是曲軸回轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)，即720?曲軸轉(zhuǎn)角。而且，在四個行程中，只有膨脹行程才作功，其余三個行程都要消耗功。因此，在單缸柴油機中，必須有一個足夠大的飛輪來供給這三個行程所需的能量；而在多缸柴油機中，則藉助于其他氣缸膨脹作功過程來供給。 此外，柴油機由停車狀態(tài)進入工作狀態(tài)，必須藉助外源能量的驅(qū)動使其起動運轉(zhuǎn)，直至噴入氣缸的燃油自發(fā)火燃燒，柴油機才能自行運轉(zhuǎn)。 【??? 四沖程柴油機的進、排氣閥的啟閉都不正好在上、下止點，而是在上、下止點

7、前后某一時刻。它們的開啟持續(xù)角均大于180?CA。進、排氣閥在上、下止點前后啟閉的時刻稱為氣閥正時（定時），通常氣閥正時用距相應止點的曲軸轉(zhuǎn)角（?CA）表示。用曲軸轉(zhuǎn)角表示氣閥正時的圓圖稱氣閥正時（定時）圓圖，如補圖1-1所示。 在補圖1-1中，進氣閥在上止點前點1開啟，在下止點后點2關(guān)閉。其與相應止點的夾角φ1、φ2分別稱進氣提前角、進氣滯后角。排氣閥在下止點前點5開啟，在上止點后點6關(guān)閉，其與相應止點的夾角φ3、φ4分別稱為排氣提前角、排氣滯后角。【??? (1)排氣閥提前開：排氣閥開啟初期其通道截面積很小，流動阻力很大。如果排氣閥太接近下止點時才開啟，提前開啟的角度太小，廢氣排出不

8、暢，會造成活塞上行推出廢氣消耗的功增大。殘余廢氣量增加。但排氣閥提前開啟角也不能太大，否則會使氣體膨脹功損失過大。 ??? (2)排氣閥滯后關(guān)：排氣閥的滯后關(guān)一方面使活塞到達上止點時，排氣閥仍有足夠通道截面，有利于廢氣的排出；另一方面，由于利用了排氣流的慣性，可使廢氣排得更干凈。 ??? (3)進氣閥提前開：進氣閥提前開除了使進氣沖程開始時有較大的通道截面，以減少進氣阻力，增加進氣量，還可形成進排氣閥疊開，對燃燒室進行掃氣，減少剩余廢氣量，增加進氣量。 ??? (4)進氣閥滯后關(guān)：進氣閥延遲在下止點后關(guān)閉，一方面使活塞在下止點附近時進氣閥仍有足夠開度。另一方面還可充分利用進氣流的慣性而吸

9、入更多空氣?？傊?，】氣閥提前開啟與延后關(guān)閉是為了將廢氣排除干凈并增加空氣的吸入量，以利于燃油的燃燒，另外排氣提前還可減少排氣耗功。因此，各機型（對應常用轉(zhuǎn)速）有一最佳正時。按此正時工作，柴油機充入新氣最多，性能最好。機型不同，正時也不同。正時圓圖在柴油機使用說明書中均有給出，不允許任意改變。經(jīng)常要以它為依據(jù)檢查調(diào)整氣閥正時。燃油噴射也有正時要求，也可畫在這個圖上。 由補圖1-1尚可看出，在上止點前后進氣閥與排氣閥同時開啟著，同一氣缸的進、排氣閥同時開啟的曲軸轉(zhuǎn)角稱為氣閥重疊角。在氣閥疊開期間，進氣管、氣缸、排氣管連通，這樣有助于廢氣的排出和新氣的流入。此時利用廢氣流動慣性的抽吸作用，除可避免

10、廢氣倒沖入進氣管外，尚可將新鮮空氣吸進氣缸，并利用此壓力差用新氣將燃燒室內(nèi)的廢氣掃出氣缸，實現(xiàn)所謂燃燒室掃氣。此時不但可提高換氣質(zhì)量，還可利用進氣冷卻燃燒室零件的高溫表面。因而，四沖程柴油機均有一定的氣閥重疊角，而且增壓柴油機的氣閥重疊角均大于非增壓機。如補表1-1所示。 ??? ???四沖程柴油機氣閥重疊角????? 補表1-1 名稱 非增壓 增壓 開啟 關(guān)閉 開啟 關(guān)閉 進氣閥 上止點前15?～30? 下止點后10?～30? 上止點前40?～80? 下止點后20?～40? 排氣閥 下止點前35?～45? 上止點后10?～20? 下止點前40?～55?

11、 上止點后40?～50? 重疊角 25?～50? 80?～130? 】 ?二、二沖程柴油機的基本工作原理 用兩個行程（曲軸回轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)）完成一個工作循環(huán)的柴油機稱二沖程柴油機。 二沖程柴油機與四沖程柴油機不同，其氣缸上設有氣口，圖1-3中氣缸右側(cè)為排氣口，左側(cè)為進氣口。排氣口比進氣口略高，進排氣口的開關(guān)均由活塞控制。此外，二沖程柴油機設有掃氣泵。掃氣泵預先將空氣壓縮并送入掃氣箱中，掃氣箱中的空氣壓力（掃氣壓力）要比大氣壓力稍高。 ? ??1．換氣—壓縮行程 ??? 活塞由下止點向上運動。在活塞遮住進氣口之前，新鮮空氣通過進氣口不斷充入氣缸并將氣缸內(nèi)的廢氣經(jīng)排氣口驅(qū)除出去。當活塞上

12、行到將進氣口全部遮閉時（點l），新鮮空氣停止進入氣缸。當排氣口被活塞遮閉后（點2），氣缸內(nèi)的空氣就被上行的活塞壓縮，壓力和溫度亦隨之升高。在活塞到達上止點前的某一時刻（點2’），柴油經(jīng)噴油器噴入氣缸，并與高溫高壓空氣混合后著火燃燒。 ??? 在這一行程中，進行了換氣（曲線0-1-2）、壓縮（曲線2-3）和噴油著火燃燒諸過程。 ? ??2．膨脹—換氣行程 ??? 活塞由上止點向下運動。在此行程的初期，燃燒仍在猛烈地進行，到點4才基本結(jié)束。高溫高壓的燃氣膨脹推動活塞下行作功。當活塞下行將排氣口打開時（點5），由于此時缸內(nèi)的燃氣的壓力和溫度仍較高，分別為0.25～0.6MPa和600～800℃

13、，因而氣缸內(nèi)燃氣藉助于氣缸內(nèi)外的壓差經(jīng)排氣口高速排出，缸內(nèi)的壓力也隨之下降。當缸內(nèi)壓力下降到接近掃氣壓力時，下行的活塞將進氣口打開（點6），新鮮空氣便通過進氣口充入氣缸，并對氣缸內(nèi)進行掃氣，將氣缸內(nèi)的廢氣經(jīng)排氣口驅(qū)除出去。這個過程一直要延續(xù)到下一個循環(huán)活塞再次上行將進氣口關(guān)閉時為止，稱為掃氣過程。 在這一行程中，進行了燃燒與膨脹（曲線3-4-5）、排氣（曲線5- 6）和部分掃氣（曲線6-0）過程。 由此可見，與四沖程柴油機相比，二沖程柴油機是將進氣和排氣過程合并到壓縮與膨脹行程中進行，從而省略兩個行程。因此，二沖程柴油機在曲軸回轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)中就可以完成一個工作循環(huán)。在氣缸直徑、活塞行程與轉(zhuǎn)速相同

14、的條件下，二沖程柴油機的功率似乎應為四沖程柴油機的2倍；但實際上，由于二沖程柴油機的氣口使其有效行程減少等原因，其功率約為四沖程柴油機的1.6～1.8倍。 ?三、增壓柴油機的基本工作原理 ?? ?提高柴油機的進氣壓力，可使進氣的密度增加，從而達到在同樣的氣缸容積中充進更多的空氣量，以便噴入燃燒更多的燃油，作出更多的功來。這種用提高進氣壓力來提高柴油機功率的方法稱為“增壓”。 ??? 預先對新鮮空氣進行壓縮的壓氣機，有直接由柴油機的曲軸通過齒輪等機械驅(qū)動的方式，這種增壓方式稱機械增壓；也有用柴油機氣缸排出的廢氣的能量在渦輪機中膨脹作功，由渦輪機來驅(qū)動壓氣機的方式，稱廢氣渦輪增壓。 圖1-

15、4是廢氣渦輪增壓四沖程柴油機的工作簡圖。廢氣渦輪增壓器由廢氣渦輪機8和與其同軸的離心式壓氣機2等組成。柴油機氣缸排出的廢氣經(jīng)排氣管6進入渦輪機8，在其中膨脹作功推動渦輪機轉(zhuǎn)動，并帶動壓氣機2工作。被壓縮后的新鮮空氣經(jīng)進氣管3送往柴油機的各個氣缸。 1、3-進氣管；2-壓氣機；4-進氣閥；5-排氣閥；6、9-排氣管；7、8-渦輪機 二沖程廢氣渦輪增壓柴油機的工作原理和四沖程基本相同，所不同的是在二沖程柴油機中，增壓空氣是供入掃氣箱中，然后經(jīng)掃氣口進入氣缸；由于廢氣渦輪和壓氣機需能量平衡的原因，【老式】二沖程柴油機的廢氣渦輪增壓系統(tǒng)中往往設有輔助壓氣機。 目前，船舶柴油機已全部采用了廢氣

16、渦輪增壓。 【? 四、二沖程柴油機的換氣形式 在二沖程柴油機中，不同的換氣形式對換氣質(zhì)量有重要影響。至今已出現(xiàn)多種換氣形式。根據(jù)氣流在氣缸中的流動路線，二沖程柴油機的換氣形式可分為彎流與直流兩大類。 1．彎流掃氣 掃、排氣口布置于氣缸下端，掃氣空氣由下而上，然后由上而下地清掃廢氣。橫流掃氣的船舶主機已淘汰多年，目前仍有半回流和回流兩種。 ??? 1)半回流（新橫流）掃氣 Sulzer公司大型柴油機的傳統(tǒng)形式。進氣口布置在排氣口同側(cè)的下方及兩側(cè)。如補圖1-2所示。其氣缸蓋結(jié)構(gòu)較簡單，不用設排氣閥。掃氣口在縱向（與氣缸軸向成角度）和橫向（與氣缸徑向成角度）兩個方向均有傾斜角，使掃氣空氣

17、進入氣缸后有向上和繞氣缸軸線旋轉(zhuǎn)的運動?；钊?shù)男螤钜灿幸龑邭饪諝庀蛏系淖饔谩＿@樣可控制氣流方向，防止進氣直接流向排氣口，減少新、廢氣摻混，提高換氣效率；避免死角，減少殘留廢氣，提高換氣質(zhì)量。某些早期的半回流掃氣機型（RD型柴油機），在排氣管中裝有回轉(zhuǎn)控制閥?？稍诨钊闲谢钊归_啟排氣口前關(guān)閉排氣管，防止新鮮空氣經(jīng)排氣口流失。（RND型柴油機不再用回轉(zhuǎn)控制閥，改用長裙活塞，當活塞上行至上止點時，活塞裙仍能擋住排氣口。）Sulzer公司大型柴油機發(fā)展至RTA型才放棄半回流掃氣形式，改用直流掃氣形式。 ??? 2)回流掃氣 MAN公司大型柴油機的傳統(tǒng)形式。進、排氣口在氣缸下部同一側(cè)且排氣

18、口在進氣口的上方。掃氣口向下傾斜，進氣流先向下沿活塞頂面向?qū)?cè)的缸壁流動并沿缸壁向上流動，到氣缸蓋再轉(zhuǎn)向下流動，把廢氣從排氣口中清掃出氣缸。氣流在缸內(nèi)作“回線”流動。如補圖1-3所示。這種掃氣形式有利于凹頂活塞的掃氣，其代價是掃氣流動路線更長，轉(zhuǎn)彎更多，流動阻力更大。由此在相同條件下，要求有更高的掃氣壓力。在船用大型柴油機中，MAN KZ型柴油機即為回流掃氣形式?，F(xiàn)存已不多了。 ?????????? ??補圖1-3 回流換氣示意圖 2．排氣閥－掃氣口直流掃氣 B&W、三菱公司大型柴油機的傳統(tǒng)形式。氣缸下部均布一圈進氣口，在氣缸蓋上有排氣閥（1個或多個）?？諝鈴臍飧紫虏繏邭饪谶M入氣缸，

19、沿氣缸中心線上行，驅(qū)趕廢氣從氣缸蓋上的排氣閥排出，氣流在缸內(nèi)的流動方向是自下而上的直線流動。如補圖1-4所示。進氣口在縱向和橫向兩個方向均有傾斜角，使掃氣空氣進入氣缸后向上和繞氣缸軸線旋轉(zhuǎn)。這一旋轉(zhuǎn)的氣流形成“界面”，使空氣與廢氣不易摻混，掃氣效率較高。同時排氣閥的啟閉由排氣凸輪控制，不受活塞運動的限制，所以直流掃氣排氣啟閉定時可不以下死點為對稱而各自設計在最佳點如補圖1-5所示。這樣可使柴油機性能更優(yōu)?，F(xiàn)代船用低速柴油機（MAN/B&W MC、Sulzer RTA以及三菱UEC-LS）均為排氣閥－掃氣口直流掃氣式柴油機。 ??????????????????? 可見【二沖程】柴油機的正

20、時圓圖有兩種類型。 3．直流與彎流掃氣的比較 ?? ?1)換氣質(zhì)量 ??? 彎流掃氣 ：氣流在缸內(nèi)流動路線長，約為直流的兩倍，且需要轉(zhuǎn)向，流動阻力大，要求掃氣壓力高。新氣與廢氣摻混較嚴重，存在死角與氣流短路現(xiàn)象，因而換氣效率較低，新氣消耗量較大，換氣需要消耗較多的能量，導致柴油機燃油消耗率較高；殘留廢氣較多，換氣質(zhì)量較直流差。 ??? 直流掃氣：新氣與廢氣摻混少，新氣損失少，掃氣徹底，新氣充入量多，換氣效率高，質(zhì)量好。 ? ??2)對“長沖程化”的適應性 所謂“低轉(zhuǎn)速－長沖程化”，就是73年至八十年代初，能源危機爆發(fā)，石油價格飛漲，海運成本中的燃油費用猛增，船主越來越重視降低燃油消

21、耗率。柴油機公司在激烈的競爭中，花費巨大的財力、人力，想盡辦法降低燃油消耗率。 低速機均直帶螺旋槳，輸出功率一定時，轉(zhuǎn)速越低，則采用直徑越大的螺旋槳，推進效率就越高。也就是說，在不降低發(fā)動機功率（單缸功率）的情況下，降低轉(zhuǎn)速就意味著提高推進效率。柴油機轉(zhuǎn)速n每降低1%，推進效率ηp可提高0.25~0.30%。B&W公司首先（77年）發(fā)展“低轉(zhuǎn)速－長沖程化”，即降低柴油機設計轉(zhuǎn)速，同時加長沖程，活塞平均速度保持不變。這樣不僅提高了ηp，而且柴油機自身的效率也提高了。節(jié)油的收效非常顯著。受到海運界熱烈歡迎。銷售量越來越大，超過了Sulzer，至今仍處于領(lǐng)先地位。僅三年，“低轉(zhuǎn)速－長沖程化”擴大到所

22、有低速機（后來中速機也采用了），各公司低速機轉(zhuǎn)速n越來越低，有的機型達55~60r.p.m.；沖程缸徑比S/D越來越大，直流掃氣：2.0→2.5→3.0→3.25→3.46→3.82→4.2；彎流掃氣則從1.8→2.1，就發(fā)展不下去了。 彎流掃氣：不適應長沖程化。氣缸加長，彎流掃氣流程增加很多，阻力大了很多，掃氣壓力得提高很多，新、廢氣摻混更厲害，換氣質(zhì)量、換氣效率更差。S/D只能達到2.1。 直流掃氣：適宜長沖程化。氣缸加長，掃氣流程增加不多，阻力增加不多，新、廢氣摻混進一步減少，換氣效率更高，換氣質(zhì)量更好。消耗新氣少，燃燒更完全更及時。而且，“低轉(zhuǎn)速－長沖程化”后，如燃燒時間基本不變，

23、則燃燒對應的曲柄轉(zhuǎn)角減小，燃氣能更充分膨脹，熱效率提高；長沖程化，如壓縮比不變，則燃燒室高度增大，有利于燃油的霧化混合燃燒；這些均使柴油機燃油消耗率降低。 ??? 3)氣缸套變形情況 彎流掃氣缸套下部布置了掃、排氣口，溫差很大，容易產(chǎn)生變形。直流掃氣缸套下部只有掃氣口，不易因受熱不均勻而變形。 ?? ?4)排氣啟閉定時 ??? 直流掃氣：排氣閥開啟定時與關(guān)閉定時由排氣凸輪控制，可以設計成不以下死點為對稱，而各自設計在最佳點，使性能進一步優(yōu)化。 彎流掃氣：掃、排氣口啟閉定時由活塞控制，必然以下死點為對稱。 由于以上原因，Sulzer公司的低速機81年底宣布放棄傳統(tǒng)的半回流掃氣形式，改

24、為采用直流掃氣形式，設計了RTA型柴油機（84年生產(chǎn)第一臺），震動了造船、航運界。MAN公司81年合并B&W公司后也放棄發(fā)展低速機，所以，彎流掃氣在與直流掃氣的競爭中已失敗，已被淘汰。但我們在工作中還會用到這類舊機型。 彎流掃氣由于沒有排氣閥，結(jié)構(gòu)簡單、可靠，維修簡便。因而曾深受航運界歡迎，七十年代Sulzer公司的低速機一直處于領(lǐng)先地位，多年銷售量均在50％以上。后來燃油價格不斷上漲，經(jīng)濟性越發(fā)重要，原來優(yōu)點突出逐漸變成缺點突出，主要矛盾轉(zhuǎn)化了?！? 第二節(jié) 船舶柴油機的分類和總體結(jié)構(gòu) ?? ?柴油機自1897年問世以來，經(jīng)過一個世紀的發(fā)展，其技術(shù)已經(jīng)取得了很大進步并更趨完善，在動力機械

25、中已占據(jù)極為重要的地位。在船舶動力中也占統(tǒng)治地位。目前，在所有的內(nèi)河及沿海中、小型船舶中，都采用柴油機作為主機和輔機；在遠洋民用船舶中，在2000t以上的船舶中，以柴油機作為主機的船舶占總艘數(shù)的98%以上，占總功率的96%以上。 一、柴油機的優(yōu)點 ??? 柴油機能在動力機械以及船舶動力裝置中占據(jù)極為重要的地位，是因為它具有許多優(yōu)越的條件。與其它熱機相比，它具有如下優(yōu)點： ??? （1）熱效率高。大型低速柴油機的有效效率已達到50％～53％，遠遠高于其他熱機；而且柴油機在全工況范圍內(nèi)的熱效率都較其它熱機高。熱效率高，也就是燃料消耗量?。徊裼蜋C又能燃用重油，甚至劣質(zhì)重油；而且柴油機在停車狀態(tài)

26、時不需要消耗燃料。故燃料費用低，船舶的續(xù)航力大。 ??? （2）功率范圍大。柴油機的單機功率自1至68,000kW，因此其適應的領(lǐng)域?qū)拸V。 ??? （3）機動性好。正常起動只需3～5s，并能很快達到全負荷。有寬廣的轉(zhuǎn)速和負荷范圍，能適應船舶航行的各種要求，而且操作簡便。 ??? （4）尺寸小，重量輕。柴油機不需要鍋爐等大型附屬設備，使柴油機動力裝置的尺寸小、重量輕，特別適合于在交通運輸?shù)葎恿ρb置中應用。 ??? （5）可直接反轉(zhuǎn)。柴油機可設計成直接反轉(zhuǎn)的換向柴油機，而且倒車性能好，使裝置結(jié)構(gòu)簡單。 二、柴油機的類型 ??? 由于柴油機的應用廣泛，因此，為滿足各種不同的使用要求，柴油

27、機的類型也就多種多樣。根據(jù)柴油機的各種不同特點以及不同的分類方法，船舶柴油機大體上有以下類型： ??? （1）按工作循環(huán)分類。有四沖程柴油機和二沖程柴油機。 ??? （2）按進氣方式分類。有增壓柴油機和非增壓柴油機。 ??? （3）按曲軸轉(zhuǎn)速分類。有高速、中速和低速柴油機。 ??? 高速柴油機：n>1000r/min；中速柴油機：n=300～1000r/min；低速柴油機：n<300r/min。 ??? （4）按柴油機結(jié)構(gòu)特點分類。有筒狀活塞式和十字頭式柴油機；有單列氣缸和多列氣缸式柴油機。 圖1-5是筒狀活塞和十字頭式柴油機的構(gòu)造示意圖。筒狀活塞式柴油機的活塞直接與連桿連接，活塞

28、往復運動的導向作用和工作過程中所產(chǎn)生的側(cè)壓【推】力都是由活塞本身承擔。十字頭式柴油機的活塞是通過活塞桿和十字頭與連桿連接，活塞的導向作用和側(cè)壓力由十字頭滑塊與導板承擔。 1-活塞；2-活塞桿；3-滑塊；4-連桿；5-十字頭；6-導板 【這兩種柴油機各有其特點，十字頭式柴油機由于活塞不起導向作用，同時與缸套之間沒有側(cè)推力N的作用，因而兩者之間的磨損減小，擦傷和卡死的可能性減小。此外，由于活塞桿只在垂直方向作直線運動，因而可在氣缸下部加設一橫隔板，把氣缸與曲軸箱隔開，以免氣缸中的污油、結(jié)炭或燃氣漏入曲軸箱污染滑油。這也為十字頭機燃用劣質(zhì)燃料創(chuàng)造了有利條件。十字頭式柴油機可靠性較筒形活塞式高

29、。但十字頭機的重量和高度增大，結(jié)構(gòu)也較復雜，不具備筒形活塞式柴油機體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。】 圖1-6a）所示為氣缸排成一列的直列式柴油機簡圖。為了提高柴油機的單位長度的功率，擴大單機功率范圍，以及降低柴油機的重量指標，也有將柴油機設計成如圖b)～g）所示的V型，〖H型、輻射式或?qū)χ脷飧资降榷嗔袣飧椎男问??！皆诿裼么安裼蜋C中，主要是直列式和V型。 【??? 某些船舶的推進裝置（如客輪）采用雙機雙槳推進裝置。在這種船舶上，由船艉向船艏看，布置在機艙右舷的柴油機為右旋柴油機，亦稱右機；布置在機艙左舷的柴油機為左旋柴油機，亦稱左機。在這種動力裝置中，為便于操縱管理，右機的操縱

30、側(cè)即凸輪軸側(cè)布置在柴油機左側(cè)（即內(nèi)側(cè)），而排氣側(cè)布置在其右側(cè)；左機的操縱側(cè)在柴油機的右側(cè)（即內(nèi)側(cè)）。 單臺布置的船舶主柴油機通常均為右旋柴油機。】 ??? （5）按柴油機排氣管的位置分類。有右或左單列柴油機。 ?????????????????????????????????????????????????????? ??? 由飛輪端向自由端看，排氣管位于氣缸中心線所在平面右側(cè)的單列柴油機稱為右單列柴油機；排氣管位于氣缸中心線所在平面左側(cè)的單列柴油機稱為左單列柴油機。 （6）按柴油機的轉(zhuǎn)向分類。由飛輪端（功率輸出端）向自由端看，有順時針方向和逆時針方向旋轉(zhuǎn)的柴油機。前者稱右旋柴油機，后者

31、稱左旋柴油機。 （7）按柴油機可否逆轉(zhuǎn)分類。曲軸僅能按同一方向旋轉(zhuǎn)的柴油機稱不可逆轉(zhuǎn)柴油機；可由操縱機構(gòu)改變其曲軸轉(zhuǎn)向的稱可逆轉(zhuǎn)柴油機。 【三、幾種常用機型簡介 1．低速機： 設計廠家在競爭中已減少到3個 ??? 1) B&W公司：81年MAN公司購并了B&W公司，低速機由MAN-B&W公司哥本哈根（丹麥）分公司設計試制。 機型 研制成功時間 VT2BF 60 K-EF 68 K-GF 73 L-GF 76 L-GFC 78 L-GFCA 79 L-GB/GBE 81/82 L-MC/MCE 83 ??? L-MC還發(fā)展了S-MC、K-MC，其字

32、母L表示長沖程，S表示超長沖程，K表示一般沖程。 ??? 70年代中后期，B&W低速機裝船千瓦數(shù)占世界總數(shù)比例在1/4~1/3左右。80年接到訂貨單開始超過Sulzer公司，到80年代中就接近60%。 ??? 2) Sulzer公司： 機型 研制成功時間 RD 57 RND 68 RND-M 75 RLA 77 RLB 79 RTA（直流掃氣） 83 70年代中后期，Sulzer低速機裝船千瓦數(shù)占世界總數(shù)百分比在50％以上～60％左右。后來逐漸降至1/3左右。 Sulzer公司e New Sulzer公司e Wartsila-NSD公司 ??? 3) 三菱

33、重工業(yè)公司： 機型 研制成功時間 UEC-H 79 UEC-HA 82 UEC-L 83 UEC-LA ? UEC-LS ? ??? 三菱重工業(yè)公司低速機裝船千瓦數(shù)占世界總數(shù)百分比一直在10％左右。 ??? 4) MAN公司： 機型 研制成功時間 KZ-E 64 KSZ 70 KSZ-A 73 KSZ-B 76 KSZ-BL 77 KSZ-C/CL 79 ??? 70年代中后期，MAN公司低速機裝船千瓦數(shù)占世界總數(shù)百分比曾保持在10％左右，后來就更少了。81年合并B&W公司后就放棄發(fā)展低速機了。 ?? ?2．中速機： ? ??中

34、速機的廠家相當多，這里僅能列舉最著名的幾家。 ??? 1)S.E.M.T.（法國熱機研究學會） ??????????? PC2-5→PC2-6→PC2-6B（缸徑D=400） ??????????? PC4→PC4-2→PC4-2B（缸徑D=570） ??? 2)Wartsila公司 ??? 3)MAN公司 ??? 4)Sulzer公司 ??? 5)大發(fā)公司 ??? 6)MaK公司】 四、柴油機總體結(jié)構(gòu)簡介 ??? 為保證正常工作，一臺柴油機應具備必需的機件、部件和系統(tǒng)。圖1-7所示為S60MC型船用低速柴油機的總體結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)其各組成部件的基本作用，可將它分成以下幾個組成

35、部分： ??? （1）主要運動機件。它們是把氣缸內(nèi)燃燒氣體所作的功，轉(zhuǎn)換成以曲軸回轉(zhuǎn)形式輸出的機構(gòu)。主要機件有活塞組、十字頭組、連桿組和曲軸飛輪組等。 ??? （2）主要固定機件。它們是柴油機的骨架和支承。主要機件有機座、機架、氣缸體、掃氣箱和氣缸蓋等。 ??? （3）換氣和增壓系統(tǒng)。它們實現(xiàn)對新鮮空氣的增壓，并按柴油機工作循環(huán)的要求，保證換氣過程的正常進行。主要部件有：增壓器、空冷器、氣閥機構(gòu)、凸輪軸組和進排氣管等。 ??? （4）燃油噴射系統(tǒng)。它們按工作循環(huán)的要求，定時、定量地向氣缸內(nèi)噴射燃油。主要的部件有噴油泵、凸輪軸組、噴油器等。 ??? （5）潤滑系統(tǒng)。它向柴油機各摩擦副

36、供給潤滑油，以減少摩擦阻力和機件的磨損并帶走部分熱量。主要的部件有潤滑油泵、滑油冷卻器、濾器等。 ??? （6）冷卻系統(tǒng)。它將柴油機受熱部件的熱量傳出，以保證受熱部件處于正常的工作溫度范圍內(nèi)。 （7）操縱系統(tǒng)。由起動裝置（使柴油機從停車狀態(tài)進入工作狀態(tài)）、調(diào)速裝置（控制和調(diào)節(jié)柴油機的轉(zhuǎn)速）、換向裝置（實現(xiàn)柴油機的正、反轉(zhuǎn)）以及操縱機構(gòu)等組成。 ??????????????? 圖1-7 L60MC柴油機總體結(jié)構(gòu) 第三節(jié) 船舶柴油機的主要技術(shù)指標 為了從總體上或從某一方面去評估一臺柴油機，常常利用柴油機的一些主要技術(shù)指標來判斷和衡量。這些技術(shù)指標除了動力性指標、經(jīng)濟性指標，還有重量和

37、外形尺寸指標、排氣污染指標等。 一、動力性和經(jīng)濟性指標 柴油機的主要性能指標包括動力性和經(jīng)濟性兩個方面的指標。它們既是反映柴油機工作循環(huán)完善程度的參數(shù)，更是評估柴油機性能的主要依據(jù)。 1．有效功率Ne 從柴油機曲軸輸出端傳出的功率稱為有效功率，用Ne表示。 柴油機的有效功率Ne 在試驗臺上用水力測功器（或電力測功器）測出，在船舶上可用扭力計測出： （1-6） 式中：Me——柴油機輸出的有效扭矩，N·m； n——柴油機轉(zhuǎn)速，r/min。 2．平均有效壓力pe 在柴油機有效指標中，同樣也可以引入與pi類似

38、的折合到單位氣缸工作容積的指標－－平均有效壓力pe。平均有效壓力pe是柴油機在每一工作循環(huán)每單位氣缸工作容積所作的有效功。它消去了柴油機氣缸工作容積的因素，所以它的數(shù)值與氣缸工作容積的大小無關(guān)。因此便于用它來比較不同氣缸尺寸和不同類型的柴油機的做功能力――強化程度。pe 值大，表明其單位氣缸工作容積的做功能力大，柴油機氣缸工作容積利用程度大。 pe的值大表明其工作循環(huán)進行得比較完善或和機械損失小。pe 是評定柴油機工作循環(huán)動力性的重要指標。 ??? 二、其它動力性和經(jīng)濟性指標 ?? ?1 轉(zhuǎn)速 ?? ?內(nèi)燃機曲軸每分鐘的轉(zhuǎn)速，用r/min表示。轉(zhuǎn)速對內(nèi)燃機性能和結(jié)構(gòu)影響很大，而且

39、其范圍十分寬廣。各種類型內(nèi)燃機使用轉(zhuǎn)速范圍各不相同，〖其中有兩個轉(zhuǎn)速值得注意： ??? （1）最高轉(zhuǎn)速nmax——受調(diào)速控制時，柴油機所能達到的最高轉(zhuǎn)速。 ??? （2）最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速nmin——柴油機能夠穩(wěn)定工作的最低轉(zhuǎn)速。 ??? 在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速之間是柴油機轉(zhuǎn)速的工作范圍。〗 ?? ?2 活塞平均速度Cm ??? 活塞在氣缸中運動的速度是不斷變化的，在行程中間較大，在止點附近較小，止點處為零。若已知內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速n時，則活塞平均速度可由下式計算： ? ?????????????（1-7） 式中，S——行程（m）。 【??? 柴油機的速度可以用曲軸轉(zhuǎn)速n（r/min）和

40、活塞平均速度Cm（m/s）表示。 ??? 低速柴油機n￡300r/min??????? Cm=6.0m/s～7.2m/s ??? 中速柴油機3001000r/min?????? Cm=9.0m/s～14.2m/s】 ? ??3 滑油消耗率 ? ??柴油機在標定工況時，每千瓦小時所消耗滑油量的克數(shù)稱為滑油消耗率，單位為g/（kW·h）。 ??? 柴油機的滑油是在機內(nèi)不斷循環(huán)使用的，其消耗的原因主要是：柴油機在運轉(zhuǎn)時滑油經(jīng)活塞竄入燃燒室內(nèi)或由氣閥導管流入氣缸內(nèi)燒掉，未燒掉的則隨廢氣排出；另外，有一部

41、分滑油由于在曲軸箱內(nèi)霧化或蒸發(fā)，而由曲軸箱通風口排出。柴油機的滑油消耗率一般在0.5～4g/（kW·h）左右。 ?? ?三、重量和外形尺寸指標 ??? 柴油機的重量和外形尺寸是評價柴油機結(jié)構(gòu)緊湊性和金屬材料利用率的一項指標。各種類型的柴油機對重量和外形尺寸的要求是不同的。 ? ??1 重量指標 ?? ?柴油機的重量指標通常以比重量來衡量。比重量（gw又稱單位功率重量，是柴油機凈重Gw與標定功率Ne的比值，即 ???????（kg/kw）????? （1-8） ??? 所謂凈重是指不包括燃油、滑油、冷卻水以及其它未直接裝在內(nèi)燃機本體上的附屬設備與輔助系統(tǒng)的重量。 ??? 比重量的大

42、小，除了和柴油機類型、結(jié)構(gòu)、附件的大小有關(guān)外，還和所用材料和制造技術(shù)有關(guān)。 ??? 各類柴油機比重量（kg/kW）的一般范圍如下： ??? 船用高速機：1.4～3.7；船用中速機：10～19；船用低速機：20～35。 ?? ?2 外形尺寸指標 ??? 外形尺寸指標又稱緊湊性指標，是指柴油機總體布置緊湊程度的指標。通常以柴油機的單位體積功率來衡量。 ??? 單位體積功率Nv是柴油機的標定功率Ne與柴油機外廓體積V的比值，即 ????????（kW/m3）?? （1-9） 式中：V=L′B′H，其中L、B、H為柴油機的最大長、寬、高尺寸。 ??? 四、排氣污染指標 ??? 在柴油

43、機的排氣中含有數(shù)量不大的但非常有害的排放物。它們是：一氧化碳CO、碳氫化合物HC、氧化氮NO【X】和二氧化硫SO2。這些燃燒產(chǎn)物排入大氣，污染環(huán)境而且有害于人體健康，從而造成社會公害。 ??? 隨著環(huán)境保護意識的增強，對柴油機排氣污染的限制也日益嚴格。我國已實施的國家標準（GB267-87）對柴油機排放的NOX限制如下： ??? 當pe＞300kPa時，在ge≤214g/(kW·h)時NOX限值為29g/(kW·h)； 在ge=214g/(kW·h)～268g/(kW·h)時，限值為25g/(kW·h)～14g/(kW·h)；??? ???? 在ge＞268g/(kW·h)時，NOX限

44、值為11g/(kW·h)。 ??? 國際海事組織的《MARPOL73/78公約》中關(guān)于限制船舶柴油機排氣污染的最新附則（1999年12月31日開始實施），對船舶柴油機的排放規(guī)定如表1-1所示。 船舶柴油機排放限制 ????表1-1 排放物 中速機g/(kW·h) 低速機g/(kW·h) NOX 12 17 CO 1.6 1.6 HC 0.5 0.5 CO2 660 660 SO2 4.2×%S 4.2×%S 表中S為燃油中的含硫量，且不得大于1.5％。 第二章 主要運動部件 【 柴油機的主要運動部件是指活塞組、連桿組、曲軸飛輪組等組成，在十

45、字頭式柴油機中還包括了十字頭組。它們的作用是把氣缸內(nèi)燃氣所做的功以曲軸回轉(zhuǎn)運動的形式輸出】 第一節(jié) 活塞組 當活塞處在上止點時，由氣缸蓋底面、氣缸套內(nèi)表面及活塞頂面共同組成的空間稱燃燒室。燃料與空氣在燃燒室內(nèi)混合和燃燒。燃燒室部件的相互配合狀況如圖2-1所示。 圖2-1大型低速柴油機燃燒室 1．活塞組的工作條件和活塞本體的常用材料 1)活塞組的工作條件 活塞組所處的工作條件極為惡劣，它是在高溫、高〖負荷〗【壓】、〖高速〗【往復】運動、潤滑不良以及冷卻困難等情況下工作的。受到燒蝕和腐蝕的作用。 （1）活塞組受氣缸內(nèi)氣體作用力P、往復慣性力Pj

46、以及側(cè)推力PH的周期性作用。 在近代增壓柴油機中，【氣體作用力】已達到相當可觀的程度，并帶有沖擊性質(zhì)。它們將使活塞組各部分受到相當大的交變機械應力。然而，盲目地用增加壁厚來提高活塞組的機械強度，反而會使【活塞的溫差增大，熱應力增加。而且使活塞組的質(zhì)量增加，慣性力增大。】【它的機械負荷很高?！? （2）活塞組受到高溫燃燒氣體的周期加熱，長時間在高溫狀態(tài)下工作，不僅使活塞材料的強度降低，同時，活塞組靠近燃燒室的部分也將產(chǎn)生熱變形和很大的熱應力?！舅臒嶝摵珊芨摺！? （3）【在氣缸中，由于活塞往復運動、【壓力】溫度很高、燃氣沖刷等原因，它和氣缸之間不可能建立液體動力潤滑?！炕钊M

47、在〖側(cè)推力〗【氣體力】作用 和潤滑不良的條件下進行〖高速〗往復運動，使活塞組產(chǎn)生較大的摩擦損失和磨損?！纪瑫r〗【筒狀活塞式柴油機中】，周期性改變方向的側(cè)推力也必將使活塞不斷撞擊氣缸套，引起活塞變形和氣缸套振動?！驹谥小⒏咚俨裼蜋C中，活塞具有較大的往復慣性力，使得柴油機的振動加劇?！? 【活塞是柴油機的關(guān)鍵性部件之一，對柴油機的動力性、經(jīng)濟性和可靠性影響很大。因此，要求活塞強度高、剛度大、氣密可靠、冷卻效果好、摩擦損失小、耐磨損。摩擦副具有良好的潤滑、較小的磨損以及較少的潤滑油消耗量。對中、高速柴油機活塞還要求重量輕?！俊坚槍σ陨系墓ぷ鳁l件，活塞組必須滿足以下要求：在保證強度和剛度足夠的

48、前提下，盡可能減輕質(zhì)量；盡量減少活塞頂從燃燒氣體吸收熱量，又能盡快地將所吸收的熱量散走，防止活塞過熱；既要保證燃燒室良好的氣密性，又應盡可能減少活塞組的摩擦損失；摩擦副具有良好的潤滑、較小的磨損以及較少的潤滑油消耗量。〗 上述各項要求是相互制約彼此矛盾的，一般是通過選用合適的材料和合理的結(jié)構(gòu)形式來滿足。 2)活塞本體的常用材料 目前【活塞本體（包括頭部、裙部）】常用的材料有合金鑄鐵、鋁合金、球墨鑄鐵和耐熱合金鋼。 合金鑄鐵材料具有較高的機械強度、較小的熱膨脹系數(shù)以及良好的耐磨和耐腐蝕性能，價格低廉，工藝性好；但其缺點是密度大【質(zhì)量大】，吸熱性和導熱性比鋁

49、合金差?！镜退贆C活塞裙用它制造?！? 鋁合金材料密度小，鋁合金活塞比鑄鐵的要輕30%～50%，因而能相應地減小活塞組的往復慣性力，因此中、高速柴油機的活塞廣泛采用鋁合金材料。但鋁合金材料的熱強度較差，熱膨脹系數(shù)較大?！局?、高速機活塞裙或整體活塞用它制造?！? 鑄鐵活塞與氣缸套的熱膨脹系數(shù)非常接近，因此，無論是在冷態(tài)或是在熱態(tài)狀態(tài)下，活塞與氣缸套的配合間隙幾乎保持相同的數(shù)量值；而鋁合金活塞由于其熱膨脹系數(shù)較大，與氣缸套的冷態(tài)配合間隙要比鑄鐵的大一倍左右，這在冷車啟動和低負荷運轉(zhuǎn)時，將加劇活塞對氣缸套的撞擊。 球墨鑄鐵和耐熱合金〖材料〗【鋼】具有更高的機械強度。在強載柴油

50、機中，常用這種材料制成薄壁式的活塞結(jié)構(gòu)，以增加其承受熱負荷的綜合能力。耐熱合金鋼一般用作組合式活塞的頭部材料。【球墨鑄鐵用作筒狀組合式活塞的裙部材料?！? 2．筒狀活塞組 1)筒狀活塞的結(jié)構(gòu) 筒狀活塞按其散熱方式的不同分為兩大類：冷卻式和非冷卻式。 在非冷卻式活塞中，活塞頭所吸收的熱量主要是通過活塞環(huán)向氣缸套及其外側(cè)的冷卻水散出。因此，為使吸入的熱量能暢通而均勻地流向各道活塞環(huán)，活塞頭部的結(jié)構(gòu)應該是便于散熱的形式，即散熱斷面要大，散熱路程要短,如圖2-2 所示，活塞頂厚度大并沿半徑方向逐漸增大,頂部內(nèi)腔環(huán)帶的過渡圓弧半徑較大,既有利于散熱,又能使活塞頂具有足夠

51、的強度和剛度。 圖2-2 非冷卻式活塞 顯然，非冷卻式活塞只能用于缸徑較小，強載度較低的柴油機中。強載度較高的柴油機【必須】用冷卻式活塞。 冷卻式活塞所吸收的熱量主要由冷卻介質(zhì)帶走。筒狀活塞的冷卻介質(zhì)是潤滑油。 冷卻式活塞【發(fā)展過程中】結(jié)構(gòu)形式較多，〖但其基本原則是：既要保證活塞良好的冷卻，又要使其各處的溫度盡可能均勻，特別是活塞頭部位的溫差要小，以免產(chǎn)生過大的熱應力。計算和試驗都已表明，在如活塞、缸蓋等這樣一些既承受機械負荷又承受熱負荷的部件中，熱應力要比機械應力大得多，是影響部件強度和可靠性的主要因素。〗 圖2-3 由連

52、桿小端噴射潤滑油的噴射式活塞 〖圖2-3所示為由連桿小端噴射潤滑油的噴射式活塞，活塞頂厚度較薄，并用加強筋來增大活塞頂內(nèi)腔的散熱面積，以便提高冷卻效果，同時也提高了活塞頂?shù)膹姸群蛣偠取颈”趶姳场?。為了減少流向環(huán)帶部分的熱量，減小活塞環(huán)的熱負荷，活塞頂部內(nèi)腔與環(huán)帶的過渡處采用內(nèi)凹圓弧?！? 〖圖2-4是蛇形管冷卻式鋁合金活塞，冷卻油管通常是設置在盡量靠近活塞頂部或熱流流向第一環(huán)槽的通道上，因而加強了對環(huán)槽部分的冷卻。冷卻活塞的潤滑油是通過連桿、活塞銷上的鉆孔，以及活塞銷座內(nèi)的通道進入蛇形管內(nèi)。由于冷卻油在狹小的蛇形管內(nèi)流速較低，不易形成紊流運動，使冷卻效果受到一定的限制?！? ?

53、 圖2-4 蛇形管冷卻式鋁合金活塞〗 圖2-5所示的環(huán)形冷卻油腔活塞，由于冷卻油并不充滿環(huán)形冷卻油腔，當活塞上下往復運動時，利用慣性作用使冷卻油在油腔內(nèi)強烈振蕩，提高冷卻油與油腔壁的相對運動速度，以便提高冷卻油的放熱系數(shù)，從而獲得較好的冷卻效果。這種冷卻方式稱為振蕩冷卻。 ? 圖2-5 環(huán)形冷卻油腔活塞〗 在強載程度更高的柴油機中，由于活塞所受的熱負荷和機械負荷都更大，【采用組合式活塞】，通常采用將熱負荷和機械負荷分開來處理的辦法。【活塞頭因承受很高的熱負荷和機械負荷并受到活塞環(huán)的磨損，因此】活塞頭部采用機械強度高的球墨鑄鐵或耐熱合金鋼材料，

54、以較薄的活塞頂厚度，足夠大的冷卻腔容積和散熱表面積，以及采用振蕩冷卻方式，將活塞吸收熱量的90% 以上沿軸向由冷卻介質(zhì)傳出，從而有效地減小了活塞頂?shù)臏囟忍荻群蜔釕?，提高了活塞承受熱負荷的能力；同時，用較小跨距的內(nèi)支撐來增加活塞頂?shù)膭傂浴颈”趶姳场?，提高了承受機械負荷的能力?！就残位钊幕钊蛊饘蜃饔茫惺軞怏w力的作用外，還要承受較大的側(cè)推力，承受與氣缸的摩擦，所以應有足夠的剛度并耐磨損?！炕钊共坑娩X合金或球墨鑄鐵材料。 圖2-6所示為PC2-6大功率中速柴油機的活塞，它是體現(xiàn)上述設計思想的組合式活塞的典型結(jié)構(gòu)。活塞頭部用耐熱合金鋼制造，活塞裙1則用鋁合金制成，兩者用柔性螺栓1

55、0連接起來?！具@里采用柔性螺栓連接可增大螺栓的彈性，避免活塞受熱膨脹導致螺栓因塑性變形而松動，可增大螺栓的疲勞強度?！俊緶\盆形活塞頂與氣缸蓋的平底面相配合，形成一定形狀的空間，以適應噴油器所噴出的油束，利于油、氣混合和燃燒。 】活塞頂?shù)谋谳^薄，并采用內(nèi)支承的結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了薄壁強背的活塞頭?；钊捎没屠鋮s， 滑油從連桿、活塞銷和活塞裙中的通道先送至環(huán)形冷卻腔A，再由此流入中央冷卻腔C，最后從冷卻腔的中央孔泄至曲軸箱中。中央孔的位置和孔徑控制了冷卻腔中的油量，以保證振蕩冷卻的實現(xiàn)。 圖2-6 組合式筒狀活塞 ?1-活塞裙；2-卡簧；

56、3-活塞銷；4-襯管；5-刮油環(huán)；6、7、8-壓縮環(huán)；9-活塞頭；10-柔性螺栓；11-密封圈；12-墊塊；13-螺母；14-襯管端蓋；15-密封圈；A、C-冷卻腔；B-避讓坑 ? 環(huán)帶部分有活塞環(huán)槽，其內(nèi)安裝有活塞環(huán)。由于活塞環(huán)在環(huán)槽內(nèi)不斷運動而撞擊環(huán)槽，尤其是燃用劣質(zhì)燃油時【機械雜質(zhì)及】生成的硬質(zhì)炭粒，將加速環(huán)槽的磨損。為此，在鋁合金活塞中常采用奧氏體鑄鐵耐磨鑲?cè)Γㄒ妶D2-4）；在鋼頂組合式活塞中，對環(huán)槽上下表面進行鍍鉻、淬火或氮化等表面處理，以提高環(huán)槽的耐磨性。 活塞在工作狀態(tài)下，其溫度沿軸向分布也很不均勻，因而將產(chǎn)生不同程度的熱變形，為了使活塞在工作時能與氣缸套保

57、持合適的配合間隙，活塞側(cè)表面做成上小下大的各種形狀。如圖2-7所示，〖圖中a)，活塞頭部做成錐形，裙部做成圓柱形，適用于裙部溫差不大的場合；圖中b)根據(jù)裙部溫度的差別，也將裙部做成了錐形；圖中c)在裙部的下端又做成倒錐形，在活塞運動時可以形成“油楔”，減小活塞裙部的磨損；圖中d)是根據(jù)活塞溫度沿軸向的差別，由三段不同錐度的錐面組合，只是在最下面溫度較低處保留有一段圓柱形；圖中e)的頭部是錐面，裙部是“曲線型面”。這種形狀不僅適應裙部的熱膨脹，而且在活塞往復運動時，能形成良好的“油楔”，減小裙部的磨損。但這種形狀的加工比較復雜?！? 活塞裙部的銷座部分，由

58、于壁厚極不均勻而產(chǎn)生不均勻的熱變形，使裙部沿銷座中心線方向增大。同樣，活塞在氣體壓力以及側(cè)推力作用下的變形更使其沿銷座中心線方向變長，而與活塞銷座中心線垂直方向的直徑將要縮短，即發(fā)生了裙部“橢圓變形”，如圖2-8所示。為了適應這種變形，防止發(fā)生過大的局部磨損，甚至拉缸事故，裙部常被做成反橢圓形（即短軸在活塞銷中心線上）或?qū)N座周圍的裙部表面內(nèi)凹一些。 圖2-8 活塞裙部的橢圓變形 【我們測量活塞裙的磨損量時，必須參照以往的測量記錄?！? 【筒狀活塞滑油的輸送普遍采用：滑油由主軸承經(jīng)曲軸中鉆孔送至連桿大端，經(jīng)過連桿中鉆孔送至連桿小端，再經(jīng)過活塞

59、銷和活塞銷座中的孔道送至活塞頭冷卻空間（見圖2-5）。冷卻后的滑油泄回曲軸箱。】 2)活塞銷 活塞銷是活塞和連桿的連接件。它把活塞所承受的氣體壓力以及活塞組的往復運動慣性力傳給連桿，這些力的大小和方向是周期性變化的，并帶有沖擊性質(zhì)?；钊N在軸承中是作擺動運動，難以實現(xiàn)液體油膜潤滑。因此，活塞銷必須有足夠的疲勞強度、剛度、表面硬度和抗沖擊韌性。 活塞銷的材料一般是用含碳量較低的優(yōu)質(zhì)碳鋼或合金鋼，經(jīng)外表面滲碳、淬火處理，使活塞銷表面具有足夠硬度，而內(nèi)部仍有較高的韌性。也有用優(yōu)質(zhì)中碳鋼經(jīng)表面氮化處理的。 活塞銷的結(jié)構(gòu)與其連接方式有關(guān)，一般為空的圓柱體結(jié)構(gòu)?；钊?/p>

60、銷與銷座、連桿小端的連接方式有： （1）活塞銷浮動于活塞銷座和連桿小端襯套中。這種浮動式活塞銷，廣泛應用于中、高速柴油機中 ，由于活塞銷可以浮動，故活塞銷表面磨損小而且均勻。但是，浮動式活塞銷與銷座以及連桿小端襯套的配合精度要求較高。如果這兩處配合間隙過大，會由于間隙的積累使沖擊負荷增大，配合間隙過小又可能發(fā)生咬死現(xiàn)象。 為防止浮動式活塞銷軸向竄動而刮傷氣缸套，在中、小型柴油機中常用圖2-9所示的彈簧鎖環(huán)。在尺寸比較大的柴油機中，常用圖2-10所示的方法限制活塞銷的軸向竄動。圖中a)、b)是用螺釘固定的蓋板，圖中c)是在活塞銷兩端各裝一塊軟金屬（如鋁合金）的塞蓋。

61、 圖2-9 活塞銷的軸向定位 ? 〖（2）活塞銷固定于連桿小端而在活塞銷座內(nèi)擺動?；钊N與連桿小端凸緣用螺釘連接（見圖2-11），可以增大活塞銷上半部主要承壓面的面積，縮小兩銷座間的跨距，提高銷座的承載能力，減小活塞銷的變形和磨損。這種結(jié)構(gòu)常用于二沖程柴油機中。 圖2-11 活塞銷與連桿小端固定連接 3)活塞環(huán) 活塞環(huán)按其功用可分為氣環(huán)（密封環(huán)）和油環(huán)兩種。 氣環(huán)的功用主要是密封氣缸和散熱?！練猸h(huán)的密封作用，主要是靠氣環(huán)本身的彈性而緊貼于氣缸壁（一次密封），以及在氣缸內(nèi)氣體壓力的作用下而緊貼

62、于氣缸壁和環(huán)槽下平面（二次密封）實現(xiàn)的 。第二次密封比第一次密封更重要。但沒有可靠的第一次密封，就不能可靠地形成第二次密封?！? 【多道氣環(huán)還可以形成一種曲徑式密封，即當環(huán)與缸壁、環(huán)槽壁貼合不嚴密時，特別是當環(huán)懸浮在環(huán)槽中時，氣體通過多道環(huán)形成的間隙的節(jié)流作用，可以大大減少漏氣?！繛闇p少摩擦功損失，新型柴油機的發(fā)展是適當減少活塞環(huán)的數(shù)目。一般為保證密封的可靠性，高速柴油機常采用2～3道氣環(huán)，中速柴油機用3～4道氣環(huán)；新型十字頭式低速柴油機用4～5道氣環(huán)?！肌疗渥詈笠坏罋猸h(huán)還具有布油作用（又稱布油環(huán)）。〗【布油環(huán)上有布油槽，現(xiàn)代低速機已不用?！? 【 活塞環(huán)的工作條件。第一道活塞環(huán)

63、直接受到高溫高壓燃氣的作用，其它環(huán)由于燃氣經(jīng)環(huán)的搭口、氣缸壁面和環(huán)槽處的漏泄，也受到燃氣的不同程度的作用。通常氣缸內(nèi)氣體經(jīng)兩道氣環(huán)密封后，第二道環(huán)下方的氣體壓力已經(jīng)下降到缸內(nèi)氣體壓力的10%左右。因此，密封的主要作用是靠上兩道氣環(huán) 。活塞環(huán)在工作中被活塞帶動相對于氣缸套做往復運動。由于氣體壓力、活塞環(huán)往復運動的慣性力和氣缸套間產(chǎn)生的摩擦力、活塞橫向振動和氣口掛碰等作用，使活塞環(huán)在環(huán)槽中產(chǎn)生十分復雜的運動。其中有：軸向運動、徑向運動、回轉(zhuǎn)運動、扭曲振動等。由于氣缸套壁面失圓、有錐度，活塞環(huán)在本身彈力作用下還要產(chǎn)生張合的交變運動?；钊h(huán)在高溫下工作，潤滑條件較差，在環(huán)槽中的運動狀態(tài)又十分復雜，使它

64、與氣缸套、活塞環(huán)槽之間產(chǎn)生嚴重的摩擦和磨損?；钊h(huán)因振動、與氣口掛碰、彈性張合等作用有可能產(chǎn)生裂紋和折斷。柴油機在運行中，還會因燃燒不良、滑油過多將活塞環(huán)粘著在環(huán)槽里，使活塞環(huán)失去密封作用，造成燃燒室竄氣，使活塞環(huán)損壞。因此要求活塞環(huán)應有良好的密封性能，且要耐磨，特別是抗熔著磨損的性能要高；要有適當?shù)膹椥?，足夠的強度和熱穩(wěn)定性?！? 活塞環(huán)材料常用顯微鏡組織細密的珠光體基體，在它上面均勻分布片狀或微細粒狀和球狀石墨的灰鑄鐵或合金鑄鐵，也有用球墨鑄鐵的?！酒溆捕葢葰飧滋子惨恍?。為改善初期磨合性能，可對其工作表面進行滲硫、鍍銅等表面處理。為提高氣環(huán)的使用壽命，可對其工作表面進行孔性鍍鉻、

65、氮化（以提高耐磨性）、噴鉬（以防粘著磨損）等表面處理?！? 氣環(huán)的截面和切口形狀應具有較高的密封性能；有利于磨合，有較強的抗熔著磨損能力和抗結(jié)膠能力；對潤滑油具有良好的控制調(diào)節(jié)作用。 氣環(huán)的截面形狀如圖2-12所示。 圖2-12 氣環(huán)的截面形狀 矩形截面環(huán)（圖a）），形狀簡單、加工方便?！緫米顝V泛，低速機均用矩形截面環(huán)，但工作溫度200℃以上時，容易結(jié)焦、卡死?！克c氣缸壁接觸面積較大，表面接觸壓力較低，尤其是當活塞因熱變形（圖2-6）或搖晃引起活塞不能與氣缸套保持良好接觸時，將影響密封效果?！寄壳霸谥械裙β实牟裼蜋C中仍應用較多。某些大

66、功率柴油機為加快氣環(huán)同氣缸套的磨合，在矩形環(huán)上表面鑲嵌青銅或其他容易磨合的材料（圖k、l））?！健靖?、中速機氣環(huán)的截面形狀變化較多，除矩形截面環(huán)外，還有以下截面環(huán)：】 錐面環(huán)（圖b）），具有較高的表面接觸比壓，不僅增強了密封作用，縮短磨合時間，而且下行時刮油效果良好，上行時由于錐面的“油楔”作用可在氣缸壁上布成油膜。但是，當其外圓錐面受到氣體壓力作用時，其徑向分力將使表面壓力減小，【容易造成“壓入”，】降低密封作用。因此，錐面環(huán)不適宜作第一道氣環(huán)，安裝時有方向要求，不可裝反。 內(nèi)切正扭曲環(huán)（圖c）、d）），由于斷面形狀不對稱，工作時將發(fā)生盆狀扭曲變形，使環(huán)的下棱邊與氣缸壁接觸，具有錐面環(huán)的特點 。安裝時也有方向要求。外切正扭曲環(huán)（圖e）、f）），同樣也將發(fā)生盆狀扭曲變形具有錐面環(huán)的特點，同時，由于其外圓面切割了集油槽，還可以防止因刮下的潤滑油積聚過多使油壓升高而上竄，有利于減少潤滑油的消耗量。安裝時也有方向要求，見補圖2-10。 ? 【當把它裝在氣缸內(nèi)時，由于彎曲便在環(huán)的外圓產(chǎn)生拉應力，環(huán)的內(nèi)圓產(chǎn)生壓應力，如上圖所示。因為內(nèi)、外圓的內(nèi)力不在一個平面上，如中圖所示，使