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(shí)，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?dòng)活塞作功，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(shí)現(xiàn)，也可由二沖程柴油機(jī)來實(shí)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(shí)活塞作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，曲軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。活塞改變運(yùn)動(dòng)方向瞬時(shí)的位置稱止點(diǎn)（死點(diǎn)），止點(diǎn)處的活塞瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)速度為零。離曲軸中心最遠(yuǎn)時(shí)的止點(diǎn)稱上止點(diǎn)（T

2、.D.C.），最近時(shí)的止點(diǎn)稱下止點(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?；钊谐痰扔谇霃降膬杀?，即S=2R。 活塞在上、下止點(diǎn)間移動(dòng)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(shí)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(gè)

3、行程（曲軸回轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)）完成一個(gè)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(gè)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(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2

4、20?～250?CA。 ?? ?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3～6MPa；溫度tc約為500～700℃。 【燃油自燃溫度遠(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(MPa) 自燃溫度t(℃) 0.1 270~290 2.8 204 4.2 195 】 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

5、度都急劇升高，其最大值分別可達(dá)6MPa和1500～2000℃左右。在高溫高壓燃?xì)獾淖饔孟拢钊蛳逻\(yùn)動(dòng)作功，在上止點(diǎn)后某一時(shí)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(dòng)活塞下行。當(dāng)活塞到達(dá)下止點(diǎn)前某一時(shí)刻（圖中點(diǎn)5），排氣閥開啟，排氣過程開始。此時(shí)，氣缸內(nèi)的壓力pb約為0.3～0.6MPa，溫度tb約為600～700℃?；钊麆t繼續(xù)下行到下止點(diǎn)。 ?? ?4．排氣行程 ?? ?活塞由下止點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)，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(shí)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）。

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(jī)中，要經(jīng)歷進(jìn)氣、壓縮、膨脹、排氣等四個(gè)行程才完成一個(gè)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(gè)行程中，只有膨脹行程才作功，其余三個(gè)行程都要消耗功。因此，在單缸柴油機(jī)中，必須有一個(gè)足夠大的飛輪來供給這三個(gè)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)入工作狀態(tài)，必須藉助外源能量的驅(qū)動(dòng)使其起動(dòng)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)

7、前后某一時(shí)刻。它們的開啟持續(xù)角均大于180?CA。進(jìn)、排氣閥在上、下止點(diǎn)前后啟閉的時(shí)刻稱為氣閥正時(shí)（定時(shí)），通常氣閥正時(shí)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(shí)的圓圖稱氣閥正時(shí)（定時(shí)）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φ1、φ2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(dòng)阻力很大。如果排氣閥太接近下止點(diǎn)時(shí)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(dá)上止點(diǎn)時(shí)，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(shí)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(shí)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

9、入更多空氣。總之，】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(jī)型（對應(yīng)常用轉(zhuǎn)速）有一最佳正時(shí)。按此正時(shí)工作，柴油機(jī)充入新氣最多，性能最好。機(jī)型不同，正時(shí)也不同。正時(shí)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(shí)。燃油噴射也有正時(shí)要求，也可畫在這個(gè)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(shí)開啟著，同一氣缸的進(jìn)、排氣閥同時(shí)開啟的曲軸轉(zhuǎn)角稱為氣閥重疊角。在氣閥疊開期間，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(shí)利用廢氣流動(dòng)慣性的抽吸作用，除可避免

10、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(shí)現(xiàn)所謂燃燒室掃氣。此時(shí)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15?～30? 下止點(diǎn)后10?～30? 上止點(diǎn)前40?～80? 下止點(diǎn)后20?～40? 排氣閥 下止點(diǎn)前35?～45? 上止點(diǎn)后10?～20? 下止點(diǎn)前40?～55?

11、 上止點(diǎn)后40?～50? 重疊角 25?～50? 80?～130? 】 ?二、二沖程柴油機(jī)的基本工作原理 用兩個(gè)行程（曲軸回轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)）完成一個(gè)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(dòng)。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

12、行到將進(jìn)氣口全部遮閉時(shí)（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(shí)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(dòng)。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?dòng)活塞下行作功。當(dāng)活塞下行將排氣口打開時(shí)（點(diǎn)5），由于此時(shí)缸內(nèi)的燃?xì)獾膲毫蜏囟热暂^高，分別為0.25～0.6MPa和600～800℃

13、，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(shí)，下行的活塞將進(jìn)氣口打開（點(diǎn)6），新鮮空氣便通過進(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(gè)過程一直要延續(xù)到下一個(gè)循環(huán)活塞再次上行將進(jìn)氣口關(guān)閉時(shí)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(gè)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(gè)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(jī)的功率似乎應(yīng)為四沖程柴油機(jī)的2倍；但實(shí)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1.6～1.8倍。 ?三、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(dòng)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(dòng)壓氣機(jī)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(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(dòng)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)壓氣機(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(gè)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

16、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(dòng)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 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(gè)方向均有傾斜角，使掃氣空氣

17、進(jìn)入氣缸后有向上和繞氣缸軸線旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)?；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)），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(shí)，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

18、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(dòng)并沿缸壁向上流動(dòng)，到氣缸蓋再轉(zhuǎn)向下流動(dòng)，把廢氣從排氣口中清掃出氣缸。氣流在缸內(nèi)作“回線”流動(dòng)。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(jià)是掃氣流動(dòng)路線更長，轉(zhuǎn)彎更多，流動(dòng)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。現(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(gè)或多個(gè)）。空氣從氣缸下部掃氣口進(jìn)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(dòng)方向是自下而上的直線流動(dòng)。如補(bǔ)圖1-4所示。進(jìn)氣口在縱向和橫向兩個(gè)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(shí)排氣閥的啟閉由排氣凸輪控制，不受活塞運(yùn)動(dòng)的限制，所以直流掃氣排氣啟閉定時(shí)可不以下死點(diǎn)為對稱而各自設(shè)計(jì)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)?，F(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

20、時(shí)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(dòng)路線長，約為直流的兩倍，且需要轉(zhuǎn)向，流動(dòng)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(jià)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

21、耗率。柴油機(jī)公司在激烈的競爭中，花費(fèi)巨大的財(cái)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(shí)，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(dòng)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(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，同時(shí)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(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

22、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)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(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(shí)。而且，“低轉(zhuǎn)速－長沖程化”后，如燃燒時(shí)間基本不變，

23、則燃燒對應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角減小，燃?xì)饽芨浞峙蛎?，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(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(shí) ??? 直流掃氣：排氣閥開啟定時(shí)與關(guān)閉定時(shí)由排氣凸輪控制，可以設(shè)計(jì)成不以下死點(diǎn)為對稱，而各自設(shè)計(jì)在最佳點(diǎn)，使性能進(jìn)一步優(yōu)化。 彎流掃氣：掃、排氣口啟閉定時(shí)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

24、為采用直流掃氣形式，設(shè)計(jì)了RTA型柴油機(jī)（84年生產(chǎn)第一臺），震動(dòng)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(jià)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。】 第二節(jié) 船舶柴油機(jī)的分類和總體結(jié)構(gòu) ?? ?柴油機(jī)自1897年問世以來，經(jīng)過一個(gè)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(dòng)力機(jī)械

25、中已占據(jù)極為重要的地位。在船舶動(dòng)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(dòng)力機(jī)械以及船舶動(dòng)力裝置中占據(jù)極為重要的地位，是因?yàn)樗哂性S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50％～53％，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，也就是燃料消耗量??；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)

26、時(shí)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(dòng)性好。正常起動(dòng)只需3～5s，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(dòng)力裝置的尺寸小、重量輕，特別適合于在交通運(yùn)輸?shù)葎?dòng)力裝置中應(yīng)用。 ??? （5）可直接反轉(zhuǎn)。柴油機(jī)可設(shè)計(jì)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，為滿足各種不同的使用要求，柴油

27、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)：n>1000r/min；中速柴油機(jī)：n=300～1000r/min；低速柴油機(jī)：n<300r/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

28、往復(fù)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)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(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(shí)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(dòng)，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

29、。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(jì)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(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(dòng)力裝置中，為便于操縱管理，右機(jī)的操縱

30、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)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(shí)針方向和逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的柴油機(jī)。前者稱右旋柴油機(jī)，后者

31、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)。 【三、幾種常用機(jī)型簡介 1．低速機(jī)： 設(shè)計(jì)廠家在競爭中已減少到3個(gè) ??? 1) B&W公司：81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(jì)試制。 機(jī)型 研制成功時(shí)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(jī)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(jī)型 研制成功時(shí)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(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e New Sulzer公司e Wartsila-NSD公司 ??? 3) 三菱

33、重工業(yè)公司： 機(jī)型 研制成功時(shí)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(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(shí)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(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)： ? ??中

34、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） ??????????? PC2-5→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(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(gè)組成

35、部分： ??? （1）主要運(yùn)動(dòng)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(shí)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(shí)、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

36、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)。 （7）操縱系統(tǒng)。由起動(dòng)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(shí)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(dòng)力性指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，還有重量和

37、外形尺寸指標(biāo)、排氣污染指標(biāo)等。 一、動(dòng)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(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)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表示。 柴油機(jī)的有效功率Ne 在試驗(yàn)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(jì)測出： （1-6） 式中：Me——柴油機(jī)輸出的有效扭矩，N·m； 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

38、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(dòng)力性的重要指標(biāo)。 ??? 二、其它動(dòng)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

39、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(gè)轉(zhuǎn)速值得注意： ??? （1）最高轉(zhuǎn)速nmax——受調(diào)速控制時(shí)，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(dòng)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(shí)，則活塞平均速度可由下式計(jì)算： ? ?????????????（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

40、活塞平均速度Cm（m/s）表示。 ??? 低速柴油機(jī)n￡300r/min??????? Cm=6.0m/s～7.2m/s ??? 中速柴油機(jī)3001000r/min?????? Cm=9.0m/s～14.2m/s】 ? ??3 滑油消耗率 ? ??柴油機(jī)在標(biāo)定工況時(shí)，每千瓦小時(shí)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(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(shí)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

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(fēng)口排出。柴油機(jī)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(biāo) ??? 柴油機(jī)的重量和外形尺寸是評價(jià)柴油機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊性和金屬材料利用率的一項(xiàng)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

42、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)：1.4～3.7；船用中速機(jī)：10～19；船用低速機(jī)：20～35。 ?? ?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=L′B′H，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

43、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(shí)施的國家標(biāo)準(zhǔn)（GB267-87）對柴油機(jī)排放的NOX限制如下： ??? 當(dāng)pe＞300kPa時(shí)，在ge≤214g/(kW·h)時(shí)NOX限值為29g/(kW·h)； 在ge=214g/(kW·h)～268g/(kW·h)時(shí)，限值為25g/(kW·h)～14g/(kW·h)；??? ???? 在ge＞268g/(kW·h)時(shí)，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(jī)排氣污染的最新附則（1999年12月31日開始實(shí)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/(kW·h) 低速機(jī)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(yùn)動(dòng)部件 【 柴油機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)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(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(dòng)的形式輸出】 第一節(jié) 活塞組 當(dāng)活塞處在上止點(diǎn)時(shí)，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(dòng)、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(fù)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(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(shí)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(shí)，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(dòng)、【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體動(dòng)力潤滑。】活塞組

47、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(dòng)，使活塞組產(chǎn)生較大的摩擦損失和磨損。〖同時(shí)〗【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(dòng)。【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(dòng)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(dòng)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?！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(qiáng)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(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(xiàng)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(jià)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

49、合金差?！镜退贆C(jī)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(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?！局小⒏咚贆C(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(dòng)和低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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

50、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(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

51、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(jì)算和試驗(yàn)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

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(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(shí)也提高了活塞頂?shù)膹?qiáng)度和剛度【薄壁強(qiáng)背】。為了減少流向環(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(dòng)，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(dāng)活塞上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)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(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。【活塞頭因承受很高的熱負(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，

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?yīng)力，提高了活塞承受熱負(fù)荷的能力；同時(shí)，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蛊饘?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(jì)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(dǎo)致螺栓因塑性變形而松動(dòng)，可增大螺栓的疲勞強(qiáng)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(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， 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(shí)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(yùn)動(dòng)而撞擊環(huán)槽，尤其是燃用劣質(zhì)燃油時(shí)【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D2-4）；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(shí)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(yùn)動(dòng)時(shí)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(yīng)裙部的熱膨脹，而且在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，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

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(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(shí)，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(fù)運(yùn)動(dòng)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(dòng)運(yùn)動(dòng)，難以實(shí)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。 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(dòng)于活塞銷座和連桿小端襯套中。這種浮動(dòng)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(dòng)，故活塞銷表面磨損小而且均勻。但是，浮動(dòng)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(dòng)式活塞銷軸向竄動(dòng)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(dòng)。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(dòng)?；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

62、于氣缸壁和環(huán)槽下平面（二次密封）實(shí)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(dāng)環(huán)與缸壁、環(huán)槽壁貼合不嚴(yán)密時(shí)，特別是當(dāng)環(huán)懸浮在環(huán)槽中時(shí)，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2～3道氣環(huán)，中速柴油機(jī)用3～4道氣環(huán)；新型十字頭式低速柴油機(jī)用4～5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)）?！健静加铜h(huán)上有布油槽，現(xiàn)代低速機(jī)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?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)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(dòng)相對于氣缸套做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于氣體壓力、活塞環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力和氣缸套間產(chǎn)生的摩擦力、活塞橫向振動(dòng)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(dòng)。其中有：軸向運(yùn)動(dòng)、徑向運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、扭曲振動(dòng)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(dòng)?；钊h(huán)在高溫下工作，潤滑條件較差，在環(huán)槽中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)又十分復(fù)雜，使它

64、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(dòng)、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)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?，足夠的?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、

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(yīng)具有較高的密封性能；有利于磨合，有較強(qiáng)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。【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(shí)，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(shí)，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

66、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））?！健靖?、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）），具有較高的表面接觸比壓，不僅增強(qiáng)了密封作用，縮短磨合時(shí)間，而且下行時(shí)刮油效果良好，上行時(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)也有方向要求，見補(bǔ)圖2-10。 ? 【當(dāng)把它裝在氣缸內(nèi)時(shí)，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?yàn)閮?nèi)、外圓的內(nèi)力不在一個(gè)平面上，如中圖所示，使