船舶柴油機（輪機）
--模組二柴油機的結構和主要零部件--
黃步松主講
福建交通職業技術學院船政學院
模組二柴油機的結構和主要零部件
重點：柴油機各主要部件的作用、工作條件、工作原理及結構特點，各部件的常見故障及原因，管理注意事項。
難點：燃燒室部件承受的機械負荷、熱負荷及分析，缸套、活塞、連桿、十字頭、曲軸、活塞桿填料涵及活塞冷卻機構的結構，曲柄排列與發火順序。
缸蓋燃燒室部件缸套
活塞元件
主要零部件連桿
曲柄連桿機構曲軸
主軸承主要固定件：機架、機座、貫穿螺栓
單元一燃燒室部件
一、燃燒室部件承受的負荷
1．機械負荷
機械負荷指受力部件承受氣體力、安裝預緊力、慣性力等的強烈程度。主要以氣體力和慣性力為主。柴油機的機械負荷有兩個特點：一是週期交變；二是具有衝擊性。
1）安裝應力：
安裝應力與預緊力成正比。因此，安裝氣缸蓋時不應過分緊固，否則會使氣缸套、氣缸蓋發生損傷。另外，將缸套凸肩加高，可使缸套安裝應力大大減小。
2）氣體力：
氣體力是週期變化的，其最大值為最高**壓力，變化頻率與轉速有關，因而由氣體力產生的機械應力也稱高頻應力。由氣體力產生的機械應力具有以下特點：
氣缸蓋、活塞：觸火面為壓應力，冷卻面為拉應力。
缸套：徑向：觸火面為壓應力最大，冷卻面為零。
切向：觸火面為拉應力最大，冷卻面為拉應力最小。
機械應力與部件壁厚成反比，即壁厚δ愈大，機械應力愈小。
3）慣性力：
活塞元件在缸內作往復變速運動，產生往復慣性力；曲軸作迴轉運動產生離心慣性力。其大小與部件質量和曲軸轉速的平方成正比。由慣性力產生機械應力也是一種高頻應力。
2．熱負荷
1）熱負荷是指柴油機的燃燒室部件承受溫度、熱流量及熱應力的強烈程度。
2）熱負荷的表示方法
（1）熱流密度（2）溫度場（3）熱應力
3）熱負荷過高對柴油機的危害：
（1）使材料的機械效能降低，承載能力下降；
（2）使受熱部件膨脹、變形，改變了原來正常工作間隙；
（3）使潤滑表面的滑油迅速變質、結焦、蒸發乃至被燒掉；
（4）使受熱部件（如活塞頂）受熱面被燒蝕；
（5）使受熱部件承受的熱應力過大，產生疲勞破壞等。
船舶上，輪機管理人員通常用排氣溫度來判斷熱負荷的高低。
4）熱應力：
是指受熱部件在內外表面溫度不同並且有一定約束的條件下在金屬內產生的一種內力。
氣缸蓋、活塞：觸火面為熱壓應力，冷卻面為熱拉應力。
缸套：徑向：為零。
切向：觸火面為壓熱應力，冷卻面為拉熱應力。
熱應力與部件壁厚成正比，即壁厚δ愈大，熱應力愈大。
由機械應力和熱應力可知：機械應力與部件壁厚成反比，即壁厚δ愈大，機械應力愈小。因而從降低機械應力的角度看，應使δ增大，但熱應力與部件壁厚成正比，因此δ增大，熱應力增加。
所以對燃燒室部件不能採取厚壁結構。合理解決這一技術難題的措施是採用薄壁強背結構。所謂薄壁就是燃燒室部件的壁要薄，以減少熱應力。
而強背就是在薄壁的背面設定強有力的支承，以降低機械應力。現代新型柴油機燃燒室部件採用鑽孔冷卻機構就是典型的薄壁強背結構。
3．熱疲勞
燃燒室部件在交變的熱應力作用下出現的破壞現象稱熱疲勞。熱疲勞對燃燒室部件的破壞是從出現裂紋開始的，逐漸發展使部件疲勞破裂。
當柴油機工作時，高溫面的熱應力為壓應力。如果燃燒室壁面區域性在高溫作用產生蠕變而引起塑性變形，則當停車或負荷降低、壁面溫度降低時，因塑性變形無法恢復原狀而產生殘餘拉應力，由此形成壓拉應力交替。由於該交變應力的變化週期與轉速無關，而只取決於起動-執行- 停車或負荷變化的週期，因此稱為低頻應力。
顯然由熱疲勞引起的裂紋，通常從高溫觸火面開始，逐漸發展形成疲勞損壞。
高頻應力：應力變化週期與柴油機工作迴圈週期相同，頻率較高。與轉速有關。
低頻應力：應力變化週期與柴油機起動-執行- 停車或負荷變化的週期相同，頻率較低。
二、氣缸蓋
1．作用：
（1）組成燃燒室
（2）安裝噴油器、進、排氣閥、啟動閥、示功閥、安全閥等附件。
（3）構成冷卻水通道和進、排氣通道
2．工作條件
（1）承受螺栓的預緊力作用。
（2）承受氣體力作用：觸火面壓應力，冷卻面拉應力。
（3）承受熱負荷的作用：觸火面壓熱應力，冷卻面拉熱應力。
（4）承受腐蝕疲勞作用：缸蓋承受冷卻水的腐蝕和機械迴圈應力作用，產生腐蝕疲勞。
3．要求：
（1）足夠的強度和剛度。
（2）底部各種閥孔之間的金屬堆積處和高溫部位，要冷卻良好，使各部位的溫度均勻。
（3）各種閥件的拆裝、維護方便。
（4）冷卻水腔的水垢易於清除。
4．型別：
（1）按材料分：①鑄鐵 ②鑄鋼 ③鍛鋼增壓度較高的低速機多採用鍛鋼製成
（2）按氣缸蓋與氣缸之間的數量關係可分為：
①單體式：每個氣缸設乙個氣缸蓋，用在中、大型高增壓柴油機。特點是氣缸蓋和氣缸套接合面處的密封性好，拆裝方便，但氣缸的中心距加大，柴油機長度增加。
②整體式：整個柴油機所有氣缸的氣缸蓋鑄成一體，多用於小型柴油機。特點是氣缸的中心距小，結構緊湊，但易變形，密封性差，結構複雜，加工不便。
③分組式：2~3個氣缸的氣缸蓋合鑄成一體，用在缸徑較大的中小型高速機上。
5．構造
1）大型低速柴油機氣缸蓋的構造
圖 man-b&w s-mc-c型柴油機氣缸蓋
1-排氣閥孔；2-冷卻鑽孔；3-垂直孔；4-噴油器孔；5-起動閥孔；
6-安全閥於示功閥孔；7-氣缸蓋螺栓孔；8-冷卻水腔；9-冷卻水套
（1）冷卻水孔離燃燒室卻很近，構成「薄壁強背」，可降低熱負荷和機械負荷。
（2）氣缸蓋底面為倒錐形，利於換氣和燃燒。
（3）兩隻噴油器對稱布置，有利於油霧形狀和燃燒室形狀的配合，確保油、氣良好混合。
（4）缸蓋底最下部的內圓柱形壁面，使缸蓋和缸套的接合面下移，以便接合處不受火焰的直接衝擊，對接合面起到保護作用。
（5）冷卻水由接合面的外部進入氣缸蓋，消除了冷卻水通過接合面漏入氣缸內部的可能。
（6）缸蓋螺栓在圓周上均勻分布，保證缸蓋、缸套受力均布。
2）中速柴油機氣缸蓋的構造
（1）進、排氣道左右布置，減少高溫排氣對低溫進氣的加熱作用。
（2）進氣閥孔比排氣閥孔大，以提高充氣量。
（3）缸蓋底板上設有水平中隔板，可把底板減薄，提高冷卻效果，減少熱應力。
（4）中隔板通過氣道、噴油器道與底板相連，使底板得到強有力的支承，提高底板的機械應力。
（5）中隔板把冷卻水腔分成上、下兩個部分，可提高冷卻水流速。
（6）缸蓋前後壁開有較大尺寸的孔，用於清潔冷卻水腔中的水垢。
6．常見故障
氣缸蓋最常見的故障是在缸蓋底面上產生裂紋、冷卻水側的腐蝕及閥座的磨損。
1）裂紋部位
四衝程機常在進、排氣閥孔和噴油器孔及座面上產生裂紋。
二沖程機常在孔與孔之間和孔的圓角處，即有應力集中的地方。
2）裂紋原因
缸蓋產生裂紋的根本原因是熱應力和機械應力週期作用引起的熱疲勞
①操作不當：起動、加速太快或超負荷執行；冷卻、潤滑液不足或中斷；突加冷卻水等。
②維護保養不當：每按規定上緊螺栓或各螺栓受力不均。
3）裂紋判斷
（1）管理中判斷：
①開車前衝車時，觀察示功閥有無水汽、水珠噴出。如有，表明氣缸蓋可能產生了裂紋。
②運轉中，觀察冷卻水壓力是否波動，冷卻水出口溫度是否公升高，膨脹水箱水位是否正常；滑油中是否有水，油位是否公升高。
③吊缸時，活塞頂部有積水或鏽痕，表明氣缸蓋有裂穿現象。④
（2）目側法：
（3）粉劑顯痕法：煤油、白粉、15min
（4）水壓試驗法：0.7mpa
（5）磁力探傷：
三、氣缸套
1．作用：
（1）組成燃燒室
（2）四衝程機是活塞運動的導承，承受側推力
（3）二沖程機與活塞運動配合控制換氣過程
（4）與缸體構成冷卻水空間
2．工作條件
（1）承受週期性變化的氣體力作用：徑向：觸火面壓應力最大，冷卻面為零。
切向：觸火面拉應力最大，冷卻面拉應力最小。
（2）承受熱負荷的作用：觸火面壓熱應力，冷卻面拉熱應力。
（3）承受摩擦作用
（4）內表面承受燃氣的化學腐蝕，外表面承受冷卻水的腐蝕作用。
（5）筒狀活塞承受冷卻水的穴蝕作用。
3．要求：
4．材料：
採用耐熱、耐磨的合金鑄鐵，內表面鍍鉻以提高耐磨性，外表面塗防鏽漆或裝鋅塊。
5． 型別：
（1）濕式氣缸套：缸套外表面直接與冷卻水接觸
特點：①散熱性好②缸套厚度大，剛性好③製造和更換方便④易產生穴蝕和腐蝕。
（2）乾式氣缸套：
6．構造：
以二沖程十字頭式sulzer rta型柴油機為例
（1）缸套凸肩做得又高又厚，採用鑽孔冷卻，可降低缸套上部的機械應力和熱應力。
（2）缸套上部固定，下部呈自由狀態，受熱後可向下膨脹。
（3）設有o型密封圈3、3a，防水漏入lr空間，可從kb1孔檢查
（4）o型密封圈6可防水漏入掃氣箱，並防掃氣箱空氣進入冷卻水腔。可從kb孔檢查
（5）上部注油點設有布油槽，均勻分布。
（6）缸套下部掃氣口均勻分布。
7．常見故障：
氣缸套的損壞形式有內表面磨損、裂紋、拉缸、外表面的腐蝕和穴蝕
1）裂紋
①部位：一般發生在應力集中的部位。如氣口、布油槽及凸肩等處。
②原因：
③檢查方法：
2）磨損
（1）氣缸套磨損的形式
①熔著磨損：一般發生在活塞位於上止點時第一道活塞環所對應的缸套位置。
②腐蝕磨損：a、低溫腐蝕防止低溫腐蝕的措施
b、高溫腐蝕
③磨料磨損：
（2）過度磨損
正常磨損：鑄鐵缸套的磨損量＜0.1mm/kh 鍍鉻缸套的磨損量＜0.01--0.03mm/kh
原因：（3）缸套磨損的最大位置
大多數柴油機缸套磨損的最大位置是在活塞位於上止點時第一道活塞環所對應的缸套位置
原因：①活塞在上部運動速度較低，不易形成液體動力潤滑和油膜②缸套上部溫度高，氣缸油易氧化變質、蒸發燒結③缸套上部壓力高，作用在環背上的氣體力大，摩擦力大④缸套上部為燃燒室，燃燒產物所生成的磨料形成顆粒及燃燒產物形成腐蝕磨損。
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