2柴油机的结构和主要部件

2.2柴油机的主要部件及检修2.2.1柴油机的结构特点2.2.1.1现代船用柴油机的结构特点1．气缸尺寸采用长行程或超长行程S/D对二冲程柴油机的换气品质影响较大，在弯流扫气的二冲程柴油机上，S/D过大则换气品质恶化，S/D较小则换气品质较好。2．燃烧室部件普遍采用钻孔冷却结构现代超长行程柴油机燃烧室部件的热负荷和机械负荷已达到相当高的程度，成为限制柴油机继续提高增压度的主要因素。为了合理解决这一技术难题，普遍采用了钻孔冷却结构，这是一种最佳的“薄壁强背”结构形式。3．采用旋转式排气阀及液压式气阀传动机构旋转式排气阀可使排气阀在启闭时有微小的圆周运动，可保证气阀密封面磨损均匀、贴合严密，提高了排气阀的可靠性。液压式气阀传动机构改变了沿用几十年的机械式气阀传动机构，延长了气阀机构的使用寿命、减轻了排气阀的噪声，成为现代直流换气柴油机广泛采用的气阀及气阀传动机构。4．喷油泵采用可变喷油定时（VIT）机构小缸径柴油机的VIT机构采用曲线斜槽柱塞，其喷油定时与喷油量的关系是固定的；大缸径柴油机的VIT机构采用升降套筒法调节喷油定时，而喷油量的调节则采用旋转柱塞法，其喷油定时与喷油量的关系是可变的。5．采用薄壁轴瓦超长行程柴油机的十字头轴承和曲柄销轴承均承受着巨大的单向冲击性负荷，为了提高它们的可靠性，广泛使用了薄壁轴瓦。6．独立的气缸润滑系统气缸注油量随负荷自动调整，注油定时电子控制，以保证气缸套可靠的润滑。7．曲轴上增设轴向减振器超长行程柴油机的发展使曲轴轴向刚度变弱，容易产生轴向振动。因而现代超长行程柴油机常在曲轴前端增设轴向减振器，以有效地消减曲轴的轴向振动。8．焊接曲轴焊接曲轴是把单位曲柄通过焊接而组成一个整体的焊接型曲轴。这是现代曲轴制造工艺中的一项重要成就。目前这种曲轴已在长冲程大型低速机中应用。典型题目:1.下面对现代低速柴油机结构特点的叙述中，（）不正确。A．燃烧室部件钻孔冷却B．采用薄壁轴瓦C．曲轴上装轴向减振器D．采用铸造曲轴2.采用（）来提高现代船用柴油机的经济性已不可取。A．增大压缩比B．增大行程缸径比C．增大增压器的效率D．增大喷油提前角3.现代船用低速柴油机的结构特点有（）。Ⅰ.钻孔冷却Ⅱ.电子控制柴油机无凸轮轴Ⅲ.电子控制柴油机无喷油泵Ⅳ.采用薄壁瓦轴承Ⅴ.采用独立气缸润滑系统Ⅵ.采用旋转排气阀A．Ⅰ＋Ⅱ＋Ⅳ＋Ⅴ＋ⅥB．Ⅰ＋Ⅲ＋Ⅳ＋ⅤC．Ⅰ＋Ⅱ＋Ⅲ＋ⅣD．Ⅰ＋Ⅳ＋Ⅴ＋Ⅵ4.现代船用柴油机的结构特点有（）。Ⅰ.活塞环数量减少Ⅱ.燃烧室部件采用“薄壁强背”结构Ⅲ.低速机采用焊接式整体曲轴Ⅳ.中速机采用锻造整体曲轴Ⅴ.中速机普遍采用倒挂式主轴承Ⅵ.低速机气缸盖采用锻造结构A．Ⅰ＋Ⅱ＋Ⅳ＋ⅥB．Ⅰ＋Ⅱ＋Ⅲ＋ⅤC．Ⅲ＋Ⅳ＋Ⅴ＋ⅥD．Ⅰ＋Ⅱ＋Ⅲ＋Ⅳ＋Ⅴ＋ⅥDdad11规则2.2.1.3十字头式柴油机的结构十字头式柴油机的特点是活塞的高度一般较小，活塞杆与气缸中心线重合，活塞与活塞杆相连，活塞杆下端通过十字头上的十字头销与连杆的小端相连接。十字头的滑块在导板之间滑动。活塞上下运动时的导向作用主要由十字头承担，侧推力产生在滑块与导板之间。由于活塞不起导向作用而且与气缸套壁之间没有侧推力，它们之间间隙较大，磨损较小，不易擦伤或卡死。又由于活塞杆只作垂直方向的直线运动，可以在气缸下部设一隔板，把气缸和曲轴箱空间隔开，防止气缸由于燃烧重油产生的脏油、烟灰和燃气流入曲轴箱，污染曲轴箱底的润滑油。还可利用这一隔板在活塞下方空间形成活塞底泵，作为辅助的扫气泵。它的缺点是柴油机高度和重量增大，结构复杂。目前大型低速二冲程柴油机都采用十字头式柴油机形式。典型题目:1.关于十字头式柴油机下列说法正确的是（）。A．理论上活塞与缸套不接触，所以缸套的磨损不是摩擦造成的，而是腐蚀造成的B．十字头的导板固定在机座上C．活塞杆与十字头的连接有在十字头上部用螺钉固定和在十字头下部用螺母固定两种方式D．气缸套不受侧推力，所以机体无横向振动c2.关于十字头式柴油机下列说法不正确的是（）。A．曲轴箱空间与气缸空间普遍采用横隔板分开B．横隔板处有活塞杆填料函C．双侧导板性能优于单侧导板，现代低速机普遍采用双侧导板十字头D．导板采用飞溅润滑，气缸采用注油润滑d3.在气缸直径与最高气体爆炸压力一定的条件下，采用十字头式柴油机的最大优点是（）。A．减少气体力的合力B．使十字头销的直径不受气缸直径的限制C．增大气体力的合力D．使十字头销的直径受到气缸直径的限制b11规则2.2.2燃烧室部件11规则2.2.2.1燃烧室部件的组成11规则2.2.2.2燃烧室部件承受的负荷（机械负荷和热负荷的概念）1．热负荷柴油机的热负荷是指燃烧室等接触高温的部件因承受高温而降低或丧失其工作能力，或零部件各部分之间的温度分布不均匀，存在着温度差，引起热应力和热变形。热负荷是指受热部件所受热应力、热流量等的强烈程度。柴油机热应力随热流密度q、壁面厚度δ、材料的线性膨胀系数α、材料的弹性系数E的增大而增大。当q一定时，柴油机受热部件壁面越厚，其部件的热应力越大；而对于一定的壁厚δ，柴油机受热部件热应力与受热部件的热流密度q成正比。温度分布是最准确的热负荷表达方式。在船舶上，轮机管理人员根据柴油机的排气温度来判断柴油机热负荷的高低，这是最实用和直接的方法。因为在正常情况下，当柴油机循环喷油量增加（热负荷相应也提高）时，燃烧室部件的温度和排气温度都增加。燃烧室部件在交变的热应力作用下产生的疲劳叫热疲劳。这种疲劳均产生于燃烧室高温表面压、拉应力的交替变化。如果局部在高温下产生“蠕变”，继而产生塑性变形，当停车或负荷降低壁面温度降低时，因塑性变形处无法恢复原状而产生残余拉应力。由此，形成了压、拉应力的交替。由于该交变应力的变化周期与转速无关而只取决于启动-停车或负荷变化周期，因而此种交变应力亦称低频应力。由热疲劳引起的裂纹，通常从高温触火面开始，逐渐发展形成疲劳破坏。如：柴油机气缸盖底座孔之间、气缸盖与气缸套接合的圆角处、气口边缘、喷油孔边缘等触火面处的裂纹。2．机械负荷柴油机的机械负荷是指柴油机零部件在各种情况下承受的机械应力（拉、压、弯、扭及复合应力）。柴油机的机械负荷主要来自气体压力、惯性力、装配预紧力，以及由振动、变形引起的附加应力等。柴油机的机械负荷有两大特点：其一为周期交变；其二为具有冲击性。（1）气体力柴油机工作中气缸内的气体压力是周期变化的，其最大值为最高爆发压力，变化频率与单位时间内的循环次数有关，即与转速有关，因而由气体力产生的机械应力亦称高频应力。由高频应力产生的疲劳又称高频疲劳损坏或脉动应力疲劳。零件的机械应力与爆发压力pz值成正比，因此在船舶上，轮机管理人员以最实用和直接的方法即以柴油机的最大爆发压力pz值来判断柴油机的机械负荷的大小。对柴油机的pz值必须加以限制，使其控制在允许的范围内。由气体力在燃烧室各部件内产生的机械应力具有下述不同性质。①活塞顶：触火面为压应力；冷却面为拉应力。②气缸盖：触火面为压应力；冷却面为拉应力。④气缸套：在内、外表面产生切向应力与径向应力。其中，触火面切向应力最大，冷却面切向应力最小，但均为拉应力。触火面径向应力最大为压应力，冷却面径向应力为零。研究指出，机械应力与部件壁厚成反比，即壁厚δ越大，机械应力越小。热应力的对比：内压外拉。（2）运动机件的惯性力活塞组件在缸内的运动是一种变速往复运动，因而必然产生往复惯性力Pj。研究指出，活塞组件的往复惯性力也是一种周期交变的机械力，其大小与活塞组件的质量和曲轴转速的平方成正比。显然，由往复惯性力Pj产生的机械应力也称为高频应力。对于中、高速四冲程柴油机，活塞组件的往复惯性力是一种不可忽视的机械负荷，有关部件的损坏多与此负荷有关。（3）安装应力作用在气缸盖和气缸套上的安装应力均与预紧力成正比，与零件壁厚成反比。因而在安装工作中，安装预紧力不要过大，否则将产生过大的安装应力。作用在燃烧室壁面上的机械应力是一种高频应力。其数值大小均与部件壁厚δ成反比，即壁厚δ越大，机械应力越小。因而从降低机械应力的观点看，应力求增大壁厚，但由此将使壁面的热应力增大，所以对燃烧室部件不能采取厚壁结构，合理解决这一技术难题的措施是采用“薄壁强背”结构。所谓薄壁就是燃烧室部件的受热面要薄，以减少壁面热应力，而强背就是在薄壁的背面设置强有力的支撑，以降低其机械应力。现代新型柴油机采用的钻孔冷却结构是“薄壁强背”结构的一种最好形式。典型题目：1.关于燃烧室部件的机械负荷，论述不当的是（）。A．气缸套和气缸盖的机械负荷主要来自气体力和摩擦力B．活塞的机械负荷主要来自气体力和惯性力C．高频气体力的变化周期为一个工作循环的时间D．惯性力变化的周期为曲轴一转的时间a2.会使燃烧室部件超热负荷的是（）。A．柴油机加负荷过快B．启动操作瞬时给油过大C．柴油机超速D．安全阀不能按要求开启a3.船舶轮机人员判断热负荷高低所使用的方法是（）。A．热应力B．温度场C．排气温度D．热流密度c4.从柴油机热负荷的定义出发，准确表示受热部件热负荷的方法是（）。A．热流密度B．热应力C．排气温度D．温度场d5.柴油机受热部件壁面（），其部件的热应力（）。A．越薄/越大B．越厚/越大C．厚或薄/不变D．增厚/先降后增b6.作用在活塞顶面上的高频应力的性质是（）。A．上表面为压应力，下表面为拉应力B．上、下表面均为压应力C．上、下表面均为拉应力D．上表面为拉应力，下表面为压应力a7.引起燃烧室部件热疲劳破坏的主要原因是（）。A．温差大B．转速高C．启、停频繁D．高负荷运转c8.现代大型柴油机的燃烧室部件多采用钻孔冷却，其原因在于（）。A．加强冷却B．提高机械强度C．便于加工D．形成薄壁强背结构d9.燃烧室壁面产生的热应力，其规律是（）。A．触火面为压应力，水冷面为拉应力B．两表面均为压应力C．触火面为拉应力，水冷面为压应力D．两表面均为压应力a10.在下列缸套表面承受的机械应力分析中，正确的是（）。A．内表面承受的切向应力最大，径向应力最小B．内表面承受的切向应力最小，径向应力最大C．内表面承受的切向应力最大，径向应力最大D．内表面承受的切向应力最小，径向应力最小c11.热疲劳现象多出现在燃烧室触火面，这主要是由于在触火面发生了（）。A．高温腐蚀B．高温烧损C．高温蠕变D．高温下材料强度下降c12.燃烧室部件水冷面出现一条主裂纹的可能原因大多是（）。A．高频应力B．低频应力C．应力腐蚀D．腐蚀疲劳a13.在燃烧室部件的水冷面产生两条以上裂纹且无分支其可能原因是（）。A．高频应力B．机械应力C．应力腐蚀D．腐蚀疲劳d14.活塞顶面出现龟裂的主要原因是（）。A．由切向机械应力产生径向裂纹B．由径向热应力产生圆周裂纹C．冷却效果不良D．A＋Bd15.柴油机的机械负荷主要来自（）。Ⅰ.气体力Ⅱ.往复惯性力Ⅲ.离心惯性力Ⅳ.安装预紧力Ⅴ.振动产生的附加力Ⅵ.变形产生的附加力A．Ⅰ＋Ⅲ＋ⅤB．Ⅱ＋Ⅲ＋ⅤC．Ⅲ＋Ⅳ＋ⅥD．Ⅰ＋Ⅱ＋Ⅲ＋Ⅳ＋Ⅴ＋Ⅵd16.活塞顶上表面热应力分析（）。A．与热流密度、材料膨胀系数成正比，与顶板厚度、材料热传导系数成反比B．与热流密度、材料膨胀系数、顶板厚度、材料的弹性系数成正比，与材料热传导系数成反比C．与热流密度、材料膨胀系数、热传导系数成正比，与顶板厚度、材料的弹性系数成反比D．与热流密度、材料膨胀系数、顶板厚度、热传导系数成正比，与材料的弹性系数成反比b11规则2.2.3.2活塞的要求和材料1．对活塞的要求活塞必须满足以下要求：要求活塞具有强度高、刚性大、密封可靠、散热性好、冷却效果好、摩擦损失小、耐磨损的特点；对中、高速柴油机还要求重量轻（密度小）。2．活塞材料活塞所用的材料主要有三种：铸铁（合金铸铁、球墨铸铁）、钢（碳钢、耐热合金钢）和铝合金。（1）铸铁易于浇铸，耐磨性好，机械强度较高，线膨胀系数小，故活塞与气缸间允许有较小间隙，铸铁的价格也便宜，因此它是制造发动机活塞最基本的材料。（2）钢的机械强度高，但耐磨性差，成本较高。主要用于大功率中低速柴油机，因为它们的活塞机械负荷和热负荷都很高，单靠铸铁已承担不了这一负荷，因