船舶柴油機(jī)

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1、第一章 船舶柴油機(jī)概述第一節(jié) 柴油機(jī)的基本工作原理 柴油機(jī)是以柴油作燃料的壓燃式內(nèi)燃機(jī)。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?xì)?，燃?xì)馀蛎浲苿踊钊鞴?，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功。柴油機(jī)的工作循環(huán)由進(jìn)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(jī)來實現(xiàn)，也可由二沖程柴油機(jī)來實現(xiàn)。一、四沖程柴油機(jī)（非增壓）的工作原理 圖1-1所示是四沖程柴油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)圖。工作時活塞作往復(fù)直線運(yùn)動，曲軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動?；钊淖冞\(yùn)動方向瞬時的位置稱止點(diǎn)（死點(diǎn)），止點(diǎn)處的活塞瞬時運(yùn)動速度為零。離曲軸中心最遠(yuǎn)時的止點(diǎn)稱上止點(diǎn)（T.D.C.），最近時的止點(diǎn)稱

2、下止點(diǎn)（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(diǎn)間的距離稱活塞行程（沖程）S。活塞行程等于曲柄半徑的兩倍，即S=2R?；钊谏?、下止點(diǎn)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(diǎn)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） 用四個行程（曲軸回轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)）完成一個工作循環(huán)的柴油機(jī)稱四沖程柴油機(jī)。圖1-2是四沖程柴油機(jī)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

3、相對應(yīng)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(jī)工作原理圖 1進(jìn)氣行程 活塞從上止點(diǎn)下行，進(jìn)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(jìn)氣閥一般在上止點(diǎn)前提前開啟（曲柄位于點(diǎn)1），在下止點(diǎn)后延遲關(guān)閉（曲柄位于點(diǎn)2），氣閥開啟的延續(xù)角（圖中陰影線部分）約為220250CA。 2壓縮行程活塞從下止點(diǎn)上行，進(jìn)、排氣閥均關(guān)閉。上行的活塞對缸內(nèi)的空氣進(jìn)行壓縮，使其溫度和壓力均不斷升高（曲線2-3）。壓縮終點(diǎn)的壓力pc約為36MPa；溫度tc約為500700?！救加妥匀紲囟冗h(yuǎn)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(MP

4、a)自燃溫度t()0.12702902.82044.2195】在上止點(diǎn)（壓縮終點(diǎn)）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(jìn)行，使缸內(nèi)的壓力和溫度都急劇升高，其最大值分別可達(dá)6MPa和15002000左右。在高溫高壓燃?xì)獾淖饔孟拢钊蛳逻\(yùn)動作功，在上止點(diǎn)后某一時刻（圖中點(diǎn)4），燃燒基本結(jié)束，但高溫高壓燃?xì)饫^續(xù)膨脹作功推動活塞下行。當(dāng)活塞到達(dá)下止點(diǎn)前某一時刻（圖中點(diǎn)5），排氣閥開啟，排氣過程開始。此時，氣缸內(nèi)的壓力pb約為0.30.6MPa，溫度tb約為600700?；钊麆t繼續(xù)下行到下止點(diǎn)。 4排氣行程 活

5、塞由下止點(diǎn)向上運(yùn)動，排氣閥繼續(xù)開啟著，上行的活塞將氣缸內(nèi)的廢氣強(qiáng)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(diǎn)前提前開啟，而且要在排氣行程結(jié)束的上止點(diǎn)后才關(guān)閉（圖中點(diǎn)6）。排氣閥開啟的延續(xù)角度（5-6）約為230260CA。 綜上所述，在四沖程柴油機(jī)中，要經(jīng)歷進(jìn)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(yīng)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(jī)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(jī)中，則藉助于其他氣缸膨脹作功過程來供給。此外，柴油機(jī)由停車狀態(tài)進(jìn)入

6、工作狀態(tài)，必須藉助外源能量的驅(qū)動使其起動運(yùn)轉(zhuǎn)，直至噴入氣缸的燃油自發(fā)火燃燒，柴油機(jī)才能自行運(yùn)轉(zhuǎn)?！?四沖程柴油機(jī)的進(jìn)、排氣閥的啟閉都不正好在上、下止點(diǎn)，而是在上、下止點(diǎn)前后某一時刻。它們的開啟持續(xù)角均大于180CA。進(jìn)、排氣閥在上、下止點(diǎn)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(yīng)止點(diǎn)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(bǔ)圖1-1所示。在補(bǔ)圖1-1中，進(jìn)氣閥在上止點(diǎn)前點(diǎn)1開啟，在下止點(diǎn)后點(diǎn)2關(guān)閉。其與相應(yīng)止點(diǎn)的夾角1、2分別稱進(jìn)氣提前角、進(jìn)氣滯后角。排氣閥在下止點(diǎn)前點(diǎn)5開啟，在上止點(diǎn)后點(diǎn)6關(guān)閉，其與相應(yīng)止點(diǎn)的夾角3、4分別稱為排氣提前角、排

7、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(diǎn)時才開啟，提前開啟的角度太小，廢氣排出不暢，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(dá)上止點(diǎn)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(jìn)氣閥提前開：進(jìn)氣閥提前開除了使進(jìn)氣沖程開始時有較大的通道截面，以減少進(jìn)氣阻力，增加進(jìn)氣量，還可形成進(jìn)排氣閥疊開，對燃燒室進(jìn)行掃氣，減少剩余廢氣量，增加進(jìn)氣量。 (4)進(jìn)氣閥滯后

8、關(guān)：進(jìn)氣閥延遲在下止點(diǎn)后關(guān)閉，一方面使活塞在下止點(diǎn)附近時進(jìn)氣閥仍有足夠開度。另一方面還可充分利用進(jìn)氣流的慣性而吸入更多空氣?？傊繗忾y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(jī)型（對應(yīng)常用轉(zhuǎn)速）有一最佳正時。按此正時工作，柴油機(jī)充入新氣最多，性能最好。機(jī)型不同，正時也不同。正時圓圖在柴油機(jī)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(bǔ)圖1-1尚可看出，在上止點(diǎn)前后進(jìn)氣閥與排氣閥同時開啟著，同一氣缸的進(jìn)、排氣閥同時開啟的曲軸轉(zhuǎn)角稱為氣閥重疊角。在氣閥疊

9、開期間，進(jìn)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，除可避免廢氣倒沖入進(jìn)氣管外，尚可將新鮮空氣吸進(jìn)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(jìn)氣冷卻燃燒室零件的高溫表面。因而，四沖程柴油機(jī)均有一定的氣閥重疊角，而且增壓柴油機(jī)的氣閥重疊角均大于非增壓機(jī)。如補(bǔ)表1-1所示。 四沖程柴油機(jī)氣閥重疊角 補(bǔ)表1-1名稱非增壓增壓開啟關(guān)閉開啟關(guān)閉進(jìn)氣閥上止點(diǎn)前1530下止點(diǎn)后1030上止點(diǎn)前4080下止點(diǎn)后2040排氣閥下止點(diǎn)前3545上止點(diǎn)后1020下止點(diǎn)前4055上止點(diǎn)后4050重疊角2550

10、80130】二、二沖程柴油機(jī)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(jī)稱二沖程柴油機(jī)。二沖程柴油機(jī)與四沖程柴油機(jī)不同，其氣缸上設(shè)有氣口，圖1-3中氣缸右側(cè)為排氣口，左側(cè)為進(jìn)氣口。排氣口比進(jìn)氣口略高，進(jìn)排氣口的開關(guān)均由活塞控制。此外，二沖程柴油機(jī)設(shè)有掃氣泵。掃氣泵預(yù)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(diǎn)向上運(yùn)動。在活塞遮住進(jìn)氣口之前，新鮮空氣通過進(jìn)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(dāng)活塞上行到將進(jìn)氣口全部遮閉時（點(diǎn)l），新鮮空氣停止進(jìn)入氣缸。當(dāng)排氣口被活塞遮閉后（點(diǎn)2），氣缸內(nèi)的空氣就被上行

11、的活塞壓縮，壓力和溫度亦隨之升高。在活塞到達(dá)上止點(diǎn)前的某一時刻（點(diǎn)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(jìn)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(diǎn)向下運(yùn)動。在此行程的初期，燃燒仍在猛烈地進(jìn)行，到點(diǎn)4才基本結(jié)束。高溫高壓的燃?xì)馀蛎浲苿踊钊滦凶鞴?。?dāng)活塞下行將排氣口打開時（點(diǎn)5），由于此時缸內(nèi)的燃?xì)獾膲毫蜏囟热暂^高，分別為0.250.6MPa和600800，因而氣缸內(nèi)燃?xì)饨逯跉飧變?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(dāng)缸內(nèi)壓力下降到接近掃氣壓力時，下行的活塞將進(jìn)氣口打開（點(diǎn)6），新鮮空

12、氣便通過進(jìn)氣口充入氣缸，并對氣缸內(nèi)進(jìn)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(jìn)氣口關(guān)閉時為止，稱為掃氣過程。在這一行程中，進(jìn)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(jī)相比，二沖程柴油機(jī)是將進(jìn)氣和排氣過程合并到壓縮與膨脹行程中進(jìn)行，從而省略兩個行程。因此，二沖程柴油機(jī)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)速相同的條件下，二沖程柴油機(jī)的功率似乎應(yīng)為四沖程柴油機(jī)的2倍；但實際上，由于二沖程柴油機(jī)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(jī)的1.61.8倍。三

13、、增壓柴油機(jī)的基本工作原理 提高柴油機(jī)的進(jìn)氣壓力，可使進(jìn)氣的密度增加，從而達(dá)到在同樣的氣缸容積中充進(jìn)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(jìn)氣壓力來提高柴油機(jī)功率的方法稱為“增壓”。 預(yù)先對新鮮空氣進(jìn)行壓縮的壓氣機(jī)，有直接由柴油機(jī)的曲軸通過齒輪等機(jī)械驅(qū)動的方式，這種增壓方式稱機(jī)械增壓；也有用柴油機(jī)氣缸排出的廢氣的能量在渦輪機(jī)中膨脹作功，由渦輪機(jī)來驅(qū)動壓氣機(jī)的方式，稱廢氣渦輪增壓。圖1-4是廢氣渦輪增壓四沖程柴油機(jī)的工作簡圖。廢氣渦輪增壓器由廢氣渦輪機(jī)8和與其同軸的離心式壓氣機(jī)2等組成。柴油機(jī)氣缸排出的廢氣經(jīng)排氣管6進(jìn)入渦輪機(jī)8，在其中膨脹作功推動渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動，并帶動壓氣

14、機(jī)2工作。被壓縮后的新鮮空氣經(jīng)進(jìn)氣管3送往柴油機(jī)的各個氣缸。1、3-進(jìn)氣管；2-壓氣機(jī)；4-進(jìn)氣閥；5-排氣閥；6、9-排氣管；7、8-渦輪機(jī)二沖程廢氣渦輪增壓柴油機(jī)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(jī)中，增壓空氣是供入掃氣箱中，然后經(jīng)掃氣口進(jìn)入氣缸；由于廢氣渦輪和壓氣機(jī)需能量平衡的原因，【老式】二沖程柴油機(jī)的廢氣渦輪增壓系統(tǒng)中往往設(shè)有輔助壓氣機(jī)。目前，船舶柴油機(jī)已全部采用了廢氣渦輪增壓。【 四、二沖程柴油機(jī)的換氣形式在二沖程柴油機(jī)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(jī)的換氣形式可分為彎流與直流兩大類。1彎流掃氣

15、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(jī)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(jī)的傳統(tǒng)形式。進(jìn)氣口布置在排氣口同側(cè)的下方及兩側(cè)。如補(bǔ)圖1-2所示。其氣缸蓋結(jié)構(gòu)較簡單，不用設(shè)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，使掃氣空氣進(jìn)入氣缸后有向上和繞氣缸軸線旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動?；钊?shù)男螤钜灿幸龑?dǎo)掃氣空氣向上的作用。這樣可控制氣流方向，防止進(jìn)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(jī)型（RD型柴油機(jī)），

16、在排氣管中裝有回轉(zhuǎn)控制閥。可在活塞上行活塞裙開啟排氣口前關(guān)閉排氣管，防止新鮮空氣經(jīng)排氣口流失。（RND型柴油機(jī)不再用回轉(zhuǎn)控制閥，改用長裙活塞，當(dāng)活塞上行至上止點(diǎn)時，活塞裙仍能擋住排氣口。）Sulzer公司大型柴油機(jī)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(jī)的傳統(tǒng)形式。進(jìn)、排氣口在氣缸下部同一側(cè)且排氣口在進(jìn)氣口的上方。掃氣口向下傾斜，進(jìn)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(bǔ)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，

17、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(jī)中，MAN KZ型柴油機(jī)即為回流掃氣形式?，F(xiàn)存已不多了。 補(bǔ)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(jī)的傳統(tǒng)形式。氣缸下部均布一圈進(jìn)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(jìn)入氣缸，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(bǔ)圖1-4所示。進(jìn)氣口在縱向和橫向兩個方向均有傾斜角，使掃氣空氣進(jìn)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(yùn)動

18、的限制，所以直流掃氣排氣啟閉定時可不以下死點(diǎn)為對稱而各自設(shè)計在最佳點(diǎn)如補(bǔ)圖1-5所示。這樣可使柴油機(jī)性能更優(yōu)。現(xiàn)代船用低速柴油機(jī)（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(jī)。 可見【二沖程】柴油機(jī)的正時圓圖有兩種類型。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(yán)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(dǎo)致柴油機(jī)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

19、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(yīng)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(jī)爆發(fā)，石油價格飛漲，海運(yùn)成本中的燃油費(fèi)用猛增，船主越來越重視降低燃油消耗率。柴油機(jī)公司在激烈的競爭中，花費(fèi)巨大的財力、人力，想盡辦法降低燃油消耗率。 低速機(jī)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(jìn)效率就越高。也就是說，在不降低發(fā)動機(jī)功率（單缸功率）的情況下，降低轉(zhuǎn)速就意味著提高推進(jìn)效率。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速n每降低1%，推進(jìn)效率p可提高0.250.30%。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(jī)設(shè)計轉(zhuǎn)速，同時加長沖程，活塞平均

20、速度保持不變。這樣不僅提高了p，而且柴油機(jī)自身的效率也提高了。節(jié)油的收效非常顯著。受到海運(yùn)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(kuò)大到所有低速機(jī)（后來中速機(jī)也采用了），各公司低速機(jī)轉(zhuǎn)速n越來越低，有的機(jī)型達(dá)5560r.p.m.；沖程缸徑比S/D越來越大，直流掃氣：2.02.53.03.253.463.824.2；彎流掃氣則從1.82.1，就發(fā)展不下去了。彎流掃氣：不適應(yīng)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(dá)到2.1。直流掃氣：適宜長沖程化。氣缸加

21、長，掃氣流程增加不多，阻力增加不多，新、廢氣摻混進(jìn)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，則燃燒對應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角減小，燃?xì)饽芨浞峙蛎洠瑹嵝侍岣?；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(jī)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(shè)計成不以下死點(diǎn)為對稱，而各自設(shè)計在最佳點(diǎn)，使性能進(jìn)一步優(yōu)化。彎流掃氣：掃、

22、排氣口啟閉定時由活塞控制，必然以下死點(diǎn)為對稱。由于以上原因，Sulzer公司的低速機(jī)81年底宣布放棄傳統(tǒng)的半回流掃氣形式，改為采用直流掃氣形式，設(shè)計了RTA型柴油機(jī)（84年生產(chǎn)第一臺），震動了造船、航運(yùn)界。MAN公司81年合并B&W公司后也放棄發(fā)展低速機(jī)，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(jī)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(yùn)界歡迎，七十年代Sulzer公司的低速機(jī)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(jì)性越發(fā)重要，原來優(yōu)點(diǎn)突出逐漸變成缺點(diǎn)突出，主要矛盾轉(zhuǎn)化了?！康诙?jié) 船舶柴油機(jī)的分類和

23、總體結(jié)構(gòu) 柴油機(jī)自1897年問世以來，經(jīng)過一個世紀(jì)的發(fā)展，其技術(shù)已經(jīng)取得了很大進(jìn)步并更趨完善，在動力機(jī)械中已占據(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(jī)作為主機(jī)和輔機(jī)；在遠(yuǎn)洋民用船舶中，在2000t以上的船舶中，以柴油機(jī)作為主機(jī)的船舶占總艘數(shù)的98%以上，占總功率的96%以上。一、柴油機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 柴油機(jī)能在動力機(jī)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(jī)相比，它具有如下優(yōu)點(diǎn)： （1）熱效率高。大型低速柴油機(jī)的有效效率已達(dá)到5053，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他熱機(jī)；而且柴油機(jī)在全工況范圍內(nèi)的熱效率都較其它熱機(jī)高。熱效率高，

24、也就是燃料消耗量小；柴油機(jī)又能燃用重油，甚至劣質(zhì)重油；而且柴油機(jī)在停車狀態(tài)時不需要消耗燃料。故燃料費(fèi)用低，船舶的續(xù)航力大。 （2）功率范圍大。柴油機(jī)的單機(jī)功率自1至68,000kW，因此其適應(yīng)的領(lǐng)域?qū)拸V。 （3）機(jī)動性好。正常起動只需35s，并能很快達(dá)到全負(fù)荷。有寬廣的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍，能適應(yīng)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(jī)不需要鍋爐等大型附屬設(shè)備，使柴油機(jī)動力裝置的尺寸小、重量輕，特別適合于在交通運(yùn)輸?shù)葎恿ρb置中應(yīng)用。 （5）可直接反轉(zhuǎn)。柴油機(jī)可設(shè)計成直接反轉(zhuǎn)的換向柴油機(jī)，而且倒車性能好，使裝置結(jié)構(gòu)簡單。二、柴油機(jī)的類型 由于柴油機(jī)的應(yīng)用廣泛，因此，為滿足各種不

25、同的使用要求，柴油機(jī)的類型也就多種多樣。根據(jù)柴油機(jī)的各種不同特點(diǎn)以及不同的分類方法，船舶柴油機(jī)大體上有以下類型： （1）按工作循環(huán)分類。有四沖程柴油機(jī)和二沖程柴油機(jī)。 （2）按進(jìn)氣方式分類。有增壓柴油機(jī)和非增壓柴油機(jī)。 （3）按曲軸轉(zhuǎn)速分類。有高速、中速和低速柴油機(jī)。 高速柴油機(jī)：n1000r/min；中速柴油機(jī)：n=3001000r/min；低速柴油機(jī)：n300r/min。 （4）按柴油機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類。有筒狀活塞式和十字頭式柴油機(jī)；有單列氣缸和多列氣缸式柴油機(jī)。圖1-5是筒狀活塞和十字頭式柴油機(jī)的構(gòu)造示意圖。筒狀活塞式柴油機(jī)的活塞直接與連桿連接，活塞往復(fù)運(yùn)動的導(dǎo)向作用和工作過程中所產(chǎn)生的側(cè)壓

26、【推】力都是由活塞本身承擔(dān)。十字頭式柴油機(jī)的活塞是通過活塞桿和十字頭與連桿連接，活塞的導(dǎo)向作用和側(cè)壓力由十字頭滑塊與導(dǎo)板承擔(dān)。1-活塞；2-活塞桿；3-滑塊；4-連桿；5-十字頭；6-導(dǎo)板【這兩種柴油機(jī)各有其特點(diǎn)，十字頭式柴油機(jī)由于活塞不起導(dǎo)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(yùn)動，因而可在氣缸下部加設(shè)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?xì)饴┤肭S箱污染滑油。這也為十字頭機(jī)燃用劣質(zhì)燃料創(chuàng)造了有利條件。十字頭式柴油機(jī)可靠性較筒形活塞式高。但十字頭機(jī)的重量和高度增大，結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜，不具備筒形

27、活塞式柴油機(jī)體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)。】圖1-6a）所示為氣缸排成一列的直列式柴油機(jī)簡圖。為了提高柴油機(jī)的單位長度的功率，擴(kuò)大單機(jī)功率范圍，以及降低柴油機(jī)的重量指標(biāo)，也有將柴油機(jī)設(shè)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?。在民用船舶柴油機(jī)中，主要是直列式和V型。 【 某些船舶的推進(jìn)裝置（如客輪）采用雙機(jī)雙槳推進(jìn)裝置。在這種船舶上，由船艉向船艏看，布置在機(jī)艙右舷的柴油機(jī)為右旋柴油機(jī)，亦稱右機(jī)；布置在機(jī)艙左舷的柴油機(jī)為左旋柴油機(jī)，亦稱左機(jī)。在這種動力裝置中，為便于操縱管理，右機(jī)的操縱側(cè)即凸輪軸側(cè)布置在柴油機(jī)左側(cè)（即內(nèi)側(cè)），而排氣側(cè)布置在其右側(cè)；左機(jī)的操縱側(cè)在柴油機(jī)

28、的右側(cè)（即內(nèi)側(cè)）。 單臺布置的船舶主柴油機(jī)通常均為右旋柴油機(jī)。】 （5）按柴油機(jī)排氣管的位置分類。有右或左單列柴油機(jī)。 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(jī)稱為右單列柴油機(jī)；排氣管位于氣缸中心線所在平面左側(cè)的單列柴油機(jī)稱為左單列柴油機(jī)。（6）按柴油機(jī)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(jī)。前者稱右旋柴油機(jī)，后者稱左旋柴油機(jī)。（7）按柴油機(jī)可否逆轉(zhuǎn)分類。曲軸僅能按同一方向旋轉(zhuǎn)的柴油機(jī)稱不可逆轉(zhuǎn)柴油機(jī)；可由操縱機(jī)構(gòu)改變其曲軸轉(zhuǎn)向的稱可逆轉(zhuǎn)柴油機(jī)?！救追N常用機(jī)型簡介1低速機(jī)：設(shè)計廠家在競爭中已減少到3個 1) B&W公司：8

29、1年MAN公司購并了B&W公司，低速機(jī)由MAN-B&W公司哥本哈根（丹麥）分公司設(shè)計試制。機(jī)型研制成功時間VT2BF60K-EF68K-GF73L-GF76L-GFC78L-GFCA79L-GB/GBE81/82L-MC/MCE83 L-MC還發(fā)展了S-MC、K-MC，其字母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(jī)裝船千瓦數(shù)占世界總數(shù)比例在1/41/3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(jī)型研制成功時間RD57RND68RND-M75RLA77RLB79RTA（直流掃氣）8370年代中后期，Su

30、lzer低速機(jī)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 New Sulzer公司 Wartsila-NSD公司 3) 三菱重工業(yè)公司：機(jī)型研制成功時間UEC-H79UEC-HA82UEC-L83UEC-LA UEC-LS 三菱重工業(yè)公司低速機(jī)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(jī)型研制成功時間KZ-E64KSZ70KSZ-A73KSZ-B76KSZ-BL77KSZ-C/CL79 70年代中后期，MAN公司低速機(jī)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(jī)了。 2中速機(jī)：

31、中速機(jī)的廠家相當(dāng)多，這里僅能列舉最著名的幾家。 1)S.E.M.T.（法國熱機(jī)研究學(xué)會） PC2-5PC2-6PC2-6B（缸徑D=400） PC4PC4-2PC4-2B（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(jī)總體結(jié)構(gòu)簡介 為保證正常工作，一臺柴油機(jī)應(yīng)具備必需的機(jī)件、部件和系統(tǒng)。圖1-7所示為S60MC型船用低速柴油機(jī)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部分： （1）主要運(yùn)動機(jī)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(jī)構(gòu)。主要機(jī)件有活塞組、十字頭組、連桿組和曲軸

32、飛輪組等。 （2）主要固定機(jī)件。它們是柴油機(jī)的骨架和支承。主要機(jī)件有機(jī)座、機(jī)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(jī)工作循環(huán)的要求，保證換氣過程的正常進(jìn)行。主要部件有：增壓器、空冷器、氣閥機(jī)構(gòu)、凸輪軸組和進(jìn)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(jī)各摩擦副供給潤滑油，以減少摩擦阻力和機(jī)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(jī)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)。

33、（7）操縱系統(tǒng)。由起動裝置（使柴油機(jī)從停車狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)）、調(diào)速裝置（控制和調(diào)節(jié)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速）、換向裝置（實現(xiàn)柴油機(jī)的正、反轉(zhuǎn)）以及操縱機(jī)構(gòu)等組成。 圖1-7 L60MC柴油機(jī)總體結(jié)構(gòu)第三節(jié) 船舶柴油機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)為了從總體上或從某一方面去評估一臺柴油機(jī)，常常利用柴油機(jī)的一些主要技術(shù)指標(biāo)來判斷和衡量。這些技術(shù)指標(biāo)除了動力性指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，還有重量和外形尺寸指標(biāo)、排氣污染指標(biāo)等。一、動力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)柴油機(jī)的主要性能指標(biāo)包括動力性和經(jīng)濟(jì)性兩個方面的指標(biāo)。它們既是反映柴油機(jī)工作循環(huán)完善程度的參數(shù)，更是評估柴油機(jī)性能的主要依據(jù)。 1有效功率Ne 從柴油機(jī)曲軸輸出端傳出的功率稱為有效功率，用Ne

34、表示。 柴油機(jī)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(jī)輸出的有效扭矩，Nm； n柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。 2平均有效壓力pe 在柴油機(jī)有效指標(biāo)中，同樣也可以引入與pi類似的折合到單位氣缸工作容積的指標(biāo)平均有效壓力pe。平均有效壓力pe是柴油機(jī)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(jī)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(jī)的做功能力強(qiáng)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(jī)氣缸工作容積利用程度大。 pe的值大表明其工作

35、循環(huán)進(jìn)行得比較完善或和機(jī)械損失小。pe 是評定柴油機(jī)工作循環(huán)動力性的重要指標(biāo)。 二、其它動力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo) 1 轉(zhuǎn)速 內(nèi)燃機(jī)曲軸每分鐘的轉(zhuǎn)速，用r/min表示。轉(zhuǎn)速對內(nèi)燃機(jī)性能和結(jié)構(gòu)影響很大，而且其范圍十分寬廣。各種類型內(nèi)燃機(jī)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(jī)所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速。 （2）最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速nmin柴油機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速的工作范圍。 2 活塞平均速度Cm 活塞在氣缸中運(yùn)動的速度是不斷變化的，在行程中間較大，在止點(diǎn)附近較小，止點(diǎn)處為零。若已知內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速n時，則活塞平均速度可由下式計算

36、： （1-7）式中，S行程（m）?！?柴油機(jī)的速度可以用曲軸轉(zhuǎn)速n（r/min）和活塞平均速度Cm（m/s）表示。 低速柴油機(jī)n300r/min Cm=6.0m/s7.2m/s 中速柴油機(jī)3001000r/min Cm=9.0m/s14.2m/s】 3 滑油消耗率 柴油機(jī)在標(biāo)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/（kWh）。 柴油機(jī)的滑油是在機(jī)內(nèi)不斷循環(huán)使用的，其消耗的原因主要是：柴油機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時滑油經(jīng)活塞竄入燃燒室內(nèi)或由氣閥導(dǎo)管流入氣缸內(nèi)燒掉，未燒掉的則隨廢氣排出；另外，有一部分滑油由于在曲軸箱內(nèi)霧化或蒸發(fā)，而由曲軸箱通風(fēng)口排出。柴油機(jī)的滑油消耗率一般在0.54g/（

37、kWh）左右。 三、重量和外形尺寸指標(biāo) 柴油機(jī)的重量和外形尺寸是評價柴油機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊性和金屬材料利用率的一項指標(biāo)。各種類型的柴油機(jī)對重量和外形尺寸的要求是不同的。 1 重量指標(biāo) 柴油機(jī)的重量指標(biāo)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(jī)凈重Gw與標(biāo)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(jī)本體上的附屬設(shè)備與輔助系統(tǒng)的重量。 比重量的大小，除了和柴油機(jī)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(jī)比重量（kg/kW）的一般范圍如下： 船用高速機(jī)：1.43.7；船用中速機(jī)：1019；船用低速機(jī)：

38、2035。 2 外形尺寸指標(biāo) 外形尺寸指標(biāo)又稱緊湊性指標(biāo)，是指柴油機(jī)總體布置緊湊程度的指標(biāo)。通常以柴油機(jī)的單位體積功率來衡量。 單位體積功率Nv是柴油機(jī)的標(biāo)定功率Ne與柴油機(jī)外廓體積V的比值，即（kW/m3） （1-9）式中：V=LBH，其中L、B、H為柴油機(jī)的最大長、寬、高尺寸。 四、排氣污染指標(biāo) 在柴油機(jī)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?xì)浠衔颒C、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(hù)意識的增強(qiáng)，對柴油機(jī)排氣污染的限制也日益嚴(yán)格。我國已實施的國家標(biāo)準(zhǔn)（GB267-87）對柴油機(jī)

39、排放的NOX限制如下： 當(dāng)pe300kPa時，在ge214g/(kWh)時NOX限值為29g/(kWh)；在ge=214g/(kWh)268g/(kWh)時，限值為25g/(kWh)14g/(kWh)； 在ge268g/(kWh)時，NOX限值為11g/(kWh)。 國際海事組織的MARPOL73/78公約中關(guān)于限制船舶柴油機(jī)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(jī)的排放規(guī)定如表1-1所示。船舶柴油機(jī)排放限制 表1-1 排放物中速機(jī)g/(kWh)低速機(jī)g/(kWh)NOX1217CO1.61.6HC0.50.5CO2660660SO24.2%S4.2%S表中S為燃油中

40、的含硫量，且不得大于1.5。第二章 主要運(yùn)動部件【 柴油機(jī)的主要運(yùn)動部件是指活塞組、連桿組、曲軸飛輪組等組成，在十字頭式柴油機(jī)中還包括了十字頭組。它們的作用是把氣缸內(nèi)燃?xì)馑龅墓σ郧S回轉(zhuǎn)運(yùn)動的形式輸出】第一節(jié) 活塞組當(dāng)活塞處在上止點(diǎn)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(jī)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(fù)荷【壓】、高速【往復(fù)】運(yùn)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

41、）活塞組受氣缸內(nèi)氣體作用力P、往復(fù)慣性力Pj以及側(cè)推力PH的周期性作用。在近代增壓柴油機(jī)中，【氣體作用力】已達(dá)到相當(dāng)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(dāng)大的交變機(jī)械應(yīng)力。然而，盲目地用增加壁厚來提高活塞組的機(jī)械強(qiáng)度，反而會使【活塞的溫差增大，熱應(yīng)力增加。而且使活塞組的質(zhì)量增加，慣性力增大?！俊舅臋C(jī)械負(fù)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(qiáng)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(yīng)力。【它的熱負(fù)荷很高?！?（3）【在氣缸中，由于活塞往復(fù)運(yùn)動、【壓力】溫度很高、燃?xì)鉀_刷等原因，它和氣缸之間不可能建立液

42、體動力潤滑?！炕钊M在側(cè)推力【氣體力】作用 和潤滑不良的條件下進(jìn)行高速往復(fù)運(yùn)動，使活塞組產(chǎn)生較大的摩擦損失和磨損。同時【筒狀活塞式柴油機(jī)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。【在中、高速柴油機(jī)中，活塞具有較大的往復(fù)慣性力，使得柴油機(jī)的振動加劇?！?【活塞是柴油機(jī)的關(guān)鍵性部件之一，對柴油機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性影響很大。因此，要求活塞強(qiáng)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(jī)活塞還要求重量輕?！酷槍σ陨系墓ぷ鳁l件，活塞組必須滿足以下要求：在保證強(qiáng)度和剛度足夠的前提

43、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(yīng)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(jī)械強(qiáng)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(diǎn)是密度大【質(zhì)量大】，吸熱性和導(dǎo)熱性比鋁合金差?！镜退贆C(jī)活塞裙用它制造?！?鋁合金材料

44、密度小，鋁合金活塞比鑄鐵的要輕30%50%，因而能相應(yīng)地減小活塞組的往復(fù)慣性力，因此中、高速柴油機(jī)的活塞廣泛采用鋁合金材料。但鋁合金材料的熱強(qiáng)度較差，熱膨脹系數(shù)較大?！局?、高速機(jī)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(fù)荷運(yùn)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(jī)械強(qiáng)度。在強(qiáng)載柴油機(jī)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(fù)荷的綜合能力。耐熱合金鋼一

45、般用作組合式活塞的頭部材料?！厩蚰T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(yīng)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的強(qiáng)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(qiáng)載度較低的柴油機(jī)中。強(qiáng)載度較高的柴油機(jī)【必

46、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(yīng)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(jī)械負(fù)荷又承受熱負(fù)荷的部件中，熱應(yīng)力要比機(jī)械應(yīng)力大得多，是影響部件強(qiáng)度和可靠性的主要因素。圖2-3 由連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(qiáng)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?qiáng)度和剛度【薄壁強(qiáng)背】。為了

47、減少流向環(huán)帶部分的熱量，減小活塞環(huán)的熱負(fù)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(shè)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(qiáng)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(jìn)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(yùn)動，使冷卻效果受到一定的限制。 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(dāng)活塞上下往復(fù)運(yùn)動時，利用慣性作用使冷卻油在油腔內(nèi)強(qiáng)烈振蕩，提高冷卻油與油腔壁的相對運(yùn)動速度，以便提高冷卻油的放熱系數(shù)，從而獲得較好的

48、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(qiáng)載程度更高的柴油機(jī)中，由于活塞所受的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷都更大，【采用組合式活塞】，通常采用將熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷分開來處理的辦法?！净钊^因承受很高的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷并受到活塞環(huán)的磨損，因此】活塞頭部采用機(jī)械強(qiáng)度高的球墨鑄鐵或耐熱合金鋼材料，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?yīng)力，提高了活塞承受熱負(fù)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?qiáng)背】，提高了承受機(jī)械負(fù)荷的能力?！就残位钊幕钊?/p>

49、起導(dǎo)向作用，除承受氣體力的作用外，還要承受較大的側(cè)推力，承受與氣缸的摩擦，所以應(yīng)有足夠的剛度并耐磨損。】活塞裙部用鋁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(jī)的活塞，它是體現(xiàn)上述設(shè)計思想的組合式活塞的典型結(jié)構(gòu)?；钊^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10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(dǎo)致螺栓因塑性變形而松動，可增大螺栓的疲勞強(qiáng)度。】【淺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(yīng)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(qiáng)背的活塞頭。活塞采用滑油冷卻

50、， 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；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(yùn)動而撞擊環(huán)槽，尤其是燃用劣質(zhì)燃油時【機(jī)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

51、-4）；在鋼頂組合式活塞中，對環(huán)槽上下表面進(jìn)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(yùn)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

52、“曲線型面”。這種形狀不僅適應(yīng)裙部的熱膨脹，而且在活塞往復(fù)運(yùn)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(fù)雜。 活塞裙部的銷座部分，由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(yīng)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

53、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(fù)運(yùn)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(yùn)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(qiáng)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

54、。 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N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(yīng)用于中、高速柴油機(jī)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(fù)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(jī)中常用圖2-9所示的彈簧鎖環(huán)。在尺寸比較大的柴油機(jī)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

55、塊軟金屬（如鋁合金）的塞蓋。 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(jī)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

56、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(dāng)環(huán)與缸壁、環(huán)槽壁貼合不嚴(yán)密時，特別是當(dāng)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(jī)的發(fā)展是適當(dāng)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(jī)常采用23道氣環(huán)，中速柴油機(jī)用34道氣環(huán)；新型十字頭式低速柴油機(jī)用45道氣環(huán)。其最后一道氣環(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(jī)已不用?！俊?活塞環(huán)的工作條件。第一道活塞環(huán)直接受到高溫高壓燃?xì)獾淖饔?，其它環(huán)由于燃?xì)饨?jīng)環(huán)的搭口、氣缸壁面和環(huán)槽處的漏泄，也受到燃?xì)獾牟煌潭鹊淖饔?。通常氣缸?nèi)

57、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) ?；钊h(huán)在工作中被活塞帶動相對于氣缸套做往復(fù)運(yùn)動。由于氣體壓力、活塞環(huán)往復(fù)運(yùn)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(fù)雜的運(yùn)動。其中有：軸向運(yùn)動、徑向運(yùn)動、回轉(zhuǎn)運(yùn)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(yùn)動。活塞環(huán)在高溫下工作，潤滑條件較差，在環(huán)槽中的運(yùn)動狀態(tài)又十分復(fù)雜，使它與氣缸套、活塞環(huán)槽之間產(chǎn)生嚴(yán)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(jī)在運(yùn)

58、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(yīng)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(dāng)?shù)膹椥裕銐虻膹?qiáng)度和熱穩(wěn)定性?！?活塞環(huán)材料常用顯微鏡組織細(xì)密的珠光體基體，在它上面均勻分布片狀或微細(xì)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?yīng)比氣缸套硬一些。為改善初期磨合性能，可對其工作表面進(jìn)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(jìn)行孔性鍍鉻、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(yīng)具有較高的密封性能；有利于磨合，有較強(qiáng)的抗熔著

59、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。【應(yīng)用最廣泛，低速機(jī)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(dāng)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。目前在中等功率的柴油機(jī)中仍應(yīng)用較多。某些大功率柴油機(jī)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）。【高、中速機(jī)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

60、面接觸比壓，不僅增強(qiáng)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(dāng)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(diǎn) 。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(diǎn)，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(bǔ)圖2-10?！井?dāng)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(yīng)力，環(huán)的內(nèi)圓產(chǎn)生壓應(yīng)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