《港口内燃机》第03章

1港口内燃机第三章曲柄连杆机构2功用：将作用在活塞顶部的燃气压力转变为机械能。同时在能量转换过程中将活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动，并以扭矩形式对外作功。——内燃机实现工作循环，完成能量转换的主要机构。3组成：活塞连杆组固定件组曲轴飞轮组4内容提纲第一节固定件组第二节活塞连杆组第三节曲轴飞轮组5第一节固定件组构成发动机的骨架，是发动机各机构和各系统的安装基础，其内、外安装着发动机的所有主要零件和附件，承受各种载荷。6第一节固定件组一、气缸体1.气缸体的结构形式曲轴旋转中心线与气缸体下表面在同一平面内。这种气缸体的优点是加工方便，重量轻，结构紧凑，便于加工，曲轴拆装方便；但其缺点是刚度和强度较差。多用于轻型内燃机。曲轴的旋转中心线高于气缸体下表面。它的优点是强度和刚度都好，油底壳密封简单可靠，能承受较大的机械负荷；但其缺点是工艺性较差，结构笨重，加工较困难。多用于中型、重型内燃机。气缸体曲轴的主轴承座孔为完整圆孔。其优点是结构紧凑、刚度和强度高，主轴承同轴度好；但其缺点是加工精度要求高，质量大，工艺性较差，曲轴拆装不方便。多用于机械负荷较大的内燃机上。7第一节固定件组8第一节固定件组9第一节固定件组10第一节固定件组一、气缸体2.气缸的布置方式气缸垂直布置排成一列。一般六缸以下发动机多采用单列式。其特点是结构简单，加工方便，但内燃机的长度和高度方向尺寸较大。有的汽车为了降低发动机的高度，把发动机倾斜一个角度，如桑塔纳轿车。气缸排成两列，左右两列气缸中心线呈V字形。V型布置与直列式布置相比，缩短了机体长度和高度，增加了气缸体的刚度，减轻了发动机的重量，但加大了发动机的宽度，且形状较复杂，加工困难，一般用于8缸以上的发动机，6缸发动机也有采用这种形式的气缸体。气缸排成两列，左右两列气缸在同一水平面上，即左右两列气缸中心线的夹角为180°。它的特点是高度小，总体布置方便，有利于风冷。这种气缸应用较少。11第一节固定件组一、气缸体3.气缸套气缸套的功用是其内壁与活塞顶面和气缸盖的底面共同组成内燃机的燃烧室，同时对活塞的往复直线运动起导向作用。12第一节固定件组一、气缸体3.气缸套(b)湿式气缸套(a)干式气缸套外壁不直接与冷却水接触，壁厚较薄，一般为1～3mm。优点：刚性好、强度高、缸距小，而且冷却水套密封好，不漏水，不存在穴蚀等问题；缺点：散热效果差，加工精度和配合精度要求较高，拆装不方便。主要用在缸径小于120mm的中小型内燃机上。外圆柱表面直接与冷却水接触，壁厚一般为5～9mm。优点：散热效果好，拆装方便，同时可使气缸体铸造工艺简化，降低废品率；缺点：强度、刚度都不如干式气缸套好，而且轴向尺寸大、易漏水、易腐蚀和穴蚀。13第一节固定件组二、气缸盖14第一节固定件组二、气缸盖气缸盖是用来封闭气缸上部，并与活塞顶面、气缸上部构成燃烧室。它直接受燃气的高温、高压及气缸盖螺栓的预紧力作用，因此承受很大的热负荷和机械负荷。要求运转时气缸盖的温度要均匀，并要求有足够的强度和刚度。1.气缸盖的功用及要求15二、气缸盖2.气缸盖的结构形式可分为整体式、单体式、块状式。整体式单体式第一节固定件组16二、气缸盖2.气缸盖的结构形式第一节固定件组17二、气缸盖3.气缸盖的安装第一节固定件组气缸盖用螺栓紧固在气缸体上，拧紧气缸盖螺栓时，应由中央到边缘，交叉、均匀地分几次进行，以保证气缸垫均匀平整地压紧，避免气缸漏气和气缸盖翘曲变形。最后一次拧紧时，要用扭力扳手按规定的拧紧力矩拧紧。18第一节固定件组三、气缸垫气缸垫装在气缸盖和气缸体之间，其功用是保证气缸盖与气缸体接触面的密封，防止漏气，漏水和漏油。目前广泛使用的是金属石棉垫。安装时必须将光滑的一面朝气缸体。19第一节固定件组四、油底壳油底壳又称为下曲轴箱。其主要功用是收集和存储润滑油，封闭曲轴箱，并兼有冷却机油的作用。一般采用薄钢板冲压而成，并通过螺钉紧固在机体的下表面上，在上下曲轴箱接合面之间装有衬垫，防止润滑油泄漏。油底壳底部通常设有稳油挡板，避免车辆颠动时润滑油面波动过大，尤其是工程机械用内燃机的油底壳，需要保证在最大倾斜度（30~35度）长期工作吸油不中断。20第一节固定件组四、油底壳防止车辆颠动时润滑油面波动过大。21内容提纲第一节固定件组第二节活塞连杆组第三节曲轴飞轮组22第二节活塞连杆组23第二节活塞连杆组一、活塞24第二节活塞连杆组一、活塞1.活塞的功用（1）活塞顶部与气缸和气缸盖组成燃烧室。（2）工作时承受气缸中燃气压力，并将此压力通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转。25第二节活塞连杆组一、活塞2.活塞的工作条件（3）高温（1）高压（2）高速（4）润滑不良26第二节活塞连杆组一、活塞2.活塞的工作条件（1）高压活塞顶部承受燃气爆发压力很大，特别是作功行程压力最大，汽油机高达3～5MPa，柴油机高达6～9MPa；这要求活塞有足够的刚度和强度，传力可靠。例如，190系列柴油机最高燃气压力为10.5MPa，其活塞顶面的作用力高达298kN。工程机械上广泛使用的6135G型柴油机，最高燃气压力为9MPa，活塞顶面的作用力为129kN。27第二节活塞连杆组一、活塞2.活塞的工作条件（2）高速活塞在气缸内高速(8～15m/s)往复运动时，产生很大的往复惯性力，随着内燃机向高速化发展，最大往复惯性力已达到活塞组本身质量的300～600倍。这样必然导致内燃机振动，连杆组、曲轴以及轴承负荷加重，致使内燃机耐久性下降。这就要求在保证活塞有足够强度和刚度前提下，质量应尽可能小，以尽可能减小往复惯性力。28第二节活塞连杆组一、活塞2.活塞的工作条件（3）高温内燃机运转时，燃烧室内最高燃气温度可达2000K～2500K，活塞顶面温度在650K以上，且温度分布很不均匀。这就要求活塞的热膨胀系数要小，以保持高温下与气缸之间具有合理的配合间隙，并具有足够的高温强度和较好的导热性。29第二节活塞连杆组一、活塞2.活塞的工作条件（4）润滑不良活塞与气缸壁之间润滑条件差，并且由于连杆的摆动使活塞受到交变的侧压力作用，导致使活塞裙部变形和磨损，摩擦损失功很大。磨损严重会使活塞和活塞环失效。因此要求活塞具有良好的耐磨性。30第二节活塞连杆组一、活塞2.活塞的工作条件目前高速内燃机均采用导热性好、膨胀系数小、强度高、密度小、耐磨性好的铝合金来制造活塞，在一些低速柴油机上也采用高级铸铁或耐热钢。31第二节活塞连杆组一、活塞3.活塞的构造裙部环槽部顶部销座部32第二节活塞连杆组一、活塞3.活塞的构造－顶部活塞顶部承受气体压力，它是燃烧室的组成部分，其形状、位置、大小都和燃烧室的具体形式有关，都是为满足可燃混合气形成和燃烧的要求，其顶部形状主要可分为三类，平顶活塞、凸顶活塞和凹顶活塞。33第二节活塞连杆组一、活塞3.活塞的构造－顶部（1）平顶活塞顶部是一个平面，受热面积小，制造工艺简单，顶部应力分布较为均匀，一般用在汽油机和非直接喷射式高速柴油机上。34第二节活塞连杆组一、活塞（2）凸顶活塞顶部凸起呈球顶形，其顶部强度高，起导向作用，有利于改善换气过程，二冲程汽油机常采用凸顶活塞。3.活塞的构造－顶部35第二节活塞连杆组一、活塞（3）凹顶活塞顶部呈凹陷形，凹坑的形状和位置必须有利于可燃混合气的燃烧，有ω形凹坑、球形凹坑、U形凹坑等等。柴油机多采用这种形式。3.活塞的构造－顶部36第二节活塞连杆组一、活塞（2）强载度较高的柴油机必须用冷却式活塞。常用的油冷式活塞结构形式主要分为整体式和组合式两种。降低顶部热负荷的措施（1）顶部厚度一般随半径的增大而增厚。这样可使顶部吸收的大部分热量传到各活塞环，再由活塞环传给气缸，最后由气缸外壁的冷却介质将热量带走。3.活塞的构造－顶部37第二节活塞连杆组一、活塞整体式油冷活塞在活塞顶部铸有油冷室，冷机油通过连杆和活塞销上的通道进入活塞顶部的冷却油腔，吸收活塞顶部大部分热量，然后经回油孔流回油底壳。如蛇形油管冷却活塞和冷却油腔活塞。蛇形油管冷却活塞冷却油腔活塞3.活塞的构造－顶部38第二节活塞连杆组一、活塞组合式活塞头部采用耐热钢或合金铸铁铸造，而活塞体仍用铝合金铸造，然后用螺栓固定在一起，或用电子束焊接。采用组合式的原因：a）强化强度提高，活塞头部的热负荷增加。一般的铝合金不能满足要求。B）出于减小往复惯性力的考虑，减轻重量。3.活塞的构造－顶部39第二节活塞连杆组一、活塞3.活塞的构造－环槽部环槽部是活塞上加工有环槽用于装配活塞环的部分。上部2～3道环槽用于装配气环，下面一道环槽用于装配油环。在油环槽底面上钻有许多径向小孔，使被油环从气缸壁上刮下的机油经过这些小孔流回油底壳。柴油机压缩比高，一般有四道环槽，上部三道气环槽，下部一道油环槽。汽油机一般有三道环槽，其中有两道气环槽和一道油环槽。第一道环槽工作条件最恶劣，一般应离顶部较远些。径向小孔40第二节活塞连杆组一、活塞3.活塞的构造－环槽部降低环槽部热负荷的措施（1）设置耐热护槽圈（耐磨镶座）。在第一道环槽部或第一、第二道环槽部设置耐热护槽圈，以提高环槽的耐磨性。（2）增加隔热环槽。在第一道气环槽上部，加工出一道隔热环槽，用以改变热流方向，从而减小第一道气环的热负荷。41第二节活塞连杆组一、活塞3.活塞的构造－裙部活塞裙部是活塞环槽以下的部分。活塞裙部对活塞在气缸内的往复运动起导向作用，并承受侧压力。裙部应具有较大的承压面积，并在不同工况下与气缸壁之间保持最佳的配合间隙，以免间隙过大时发生敲缸、间隙过小时产生咬缸等事故。42第二节活塞连杆组一、活塞3.活塞的构造－裙部活塞裙部的结构措施（1）预先做成阶梯形、锥形（2）预先做成椭圆形（3）拖板式结构（4）活塞裙部开槽（5）镶铸恒范钢片43第二节活塞连杆组一、活塞3.活塞的构造－裙部（1）预先做成阶梯形、锥形活塞沿高度方向的温度很不均匀，活塞的温度是上部高、下部低，膨胀量也相应是上部大、下部小。为了使工作时活塞上下直径趋于相等，即为圆柱形，就必须预先把活塞制成上小下大的阶梯形或锥形。44第二节活塞连杆组一、活塞3.活塞的构造－裙部（2）预先做成椭圆形正圆形活塞在实际工作时，裙部横截面形状会由正圆形变成椭圆形。因此，在加工时预先把活塞裙部做成椭圆形状，椭圆的长轴方向与销座孔中心线垂直，短轴方向沿销座孔中心线方向。这样活塞工作时趋近正圆。45第二节活塞连杆组一、活塞3.活塞的构造－裙部（2）预先做成椭圆形裙部产生椭圆变形的原因：热膨胀。活塞裙部的厚度很不均匀，活塞销座孔部分的金属厚，受热膨胀量大，沿活塞销座轴线方向的变形量大于其他方向。侧压力。活塞的侧压力是垂直于销座轴线方向的，气缸对活塞裙部的反作用力使垂直于销座轴线方向受积压变短，沿销座轴线方向变长。燃气压力。燃气压力会使裙部沿销座轴线方向扩张变形。46第二节活塞连杆组47第二节活塞连杆组一、活塞3.活塞的构造－裙部（3）拖板式结构有些活塞为了减轻重量，把裙部不受侧压力的两边切去一部分，形成拖板式活塞，拖板式结构裙部弹性好，质量小，活塞与气缸的配合间隙较小，适用于高速发动机。48第二节活塞连杆组一、活塞3.活塞的构造－裙部（4）活塞裙部开槽为了减小活塞头部的热量向裙部传递，在头部与裙部的过渡区开出横向的隔热槽，隔热槽一般开在最下一道环槽的下面，裙部上边缘销座的两侧(也有开在油环槽之中的)。为了提高裙部的弹性与受热膨胀自行调整的能力，还在裙部开出纵向的膨胀槽，从而使活塞与气缸间具有最佳的配合间隙。槽的形状有T形或Π形槽。柴油机活塞机械负荷和热负荷都比较大，裙部一般不开槽。49第二节活塞连杆组一、活塞3.活塞的构造－裙部（4）活塞裙部开槽50第二节活塞连杆组一、活塞3.活塞的构造－裙部（5）镶铸恒范钢片有些汽油机活塞在活塞裙部或销座内嵌入钢片。由于恒范钢为含镍33%～36%的低碳铁镍合金，其膨胀系数仅为铝合金的1/10，而销座通过恒范钢片与裙部相连，牵制了裙部的热膨胀变形量。柴油机铝活塞则采用镶铸筒形钢圈。51第二节活塞连杆组一、活塞3.活塞的构造－销座部活塞销座部开有活塞销孔，用于安装活塞销和弹性