船舶柴油机课件 2第二节 燃烧室部件.ppt

22 燃烧室部件 活塞组件 气缸盖组件 气缸组件 统计表明，船用柴油机主要部件发生故障占柴油机故障总数的90以上，其中燃烧室部件故障约占故障总数的50 一、燃烧室部件承受的负荷及结构特点一、燃烧室部件承受的负荷及结构特点 1、机械负荷 是指柴油机燃烧室部件承受pz、惯性力（回转、往复）、振动冲击等的强烈程度 特点：周期交变和冲击性 气缸盖和气缸套（气体压力、预紧力） 活塞（气体压力、往复惯性力） （1）安装预紧力引起的负荷 pd（1.252）R1pz 当代新型柴油机的气缸盖固紧紧螺栓均采用液压压拉伸器按规规定液压压力固紧紧2）气体力引起的机械应力 由气体力产生的机械应力称为高频应力 当柴油机工作时，气缸盖和活塞在气体压力p作用下产生弯矩，并使上下表面产生机械应力：水冷面为拉应力，触火面为压应力 气缸套内部在承受pz作用时触火面切向应力最大（拉应力），径向应力最大（压应力）；水冷面切向应力最小（拉应力），径向应力为零 2、热负荷 是指柴油机的燃烧室部件承受温度、热流量及热应力的强烈程度 过高的危害： 使材料机械性能降低，承载能力下降； 使受热部件膨胀、变形，改变了原来的正常工作间隙； 使润滑表面的滑油迅速变质、结焦、蒸发、烧掉； 使有些部件（如活塞顶）受热烧蚀； 使受热部件承受的热应力过大，产生疲劳破坏等。

热负荷的大小可用热流密度、热应力及温度场来表示 在船舶上，轮机员用排温Tr来判断热负荷的高低 热疲劳 燃烧室部件在交变的热应力作用下出现的破坏现象热疲劳主要取决于机器的起动运行停车的循环次数（亦称低频应力） 热疲劳裂纹多数在触火面上形成和发展柴油机在使用中因管理不当使燃烧室部件过热或局部过热，整机或个别缸超负荷运行或进行频繁起停，均会加速热疲劳破坏的出现 其他应力： 铸造应力； 活塞自身惯性力引起的机械应力 综上所述，燃烧室部件承受的应力是按一定的关系叠加起来的综合应力 管理中： 柴油机不超负荷运行； 注意机器冷却状态； 不频繁起动柴油机 3、燃烧室部件的结构特点 （1） 强化程度达到相当高的水平； （2） “薄壁强背”结构 ： 薄壁：受热壁薄，以减少热应力 强背：薄壁的背面设置强有力的支承，以降低机械应力 （3）燃烧室采用钻孔冷却结构如图26由于钻孔冷却效果好，所以已普遍应用在现代大型强载柴油机上二、活塞组件 （一） 活塞组件的功用、组成及工作条件 1、功用 主要作用是在保证密封的情况下完 成压缩和膨胀过程，并将气体力经 连杆传递给曲轴 2、组成 活塞本体 活塞环 活塞销 3、工作条件 受到燃气高温、高压、烧蚀和腐蚀作用； 热负荷和机械负荷很高，容易裂纹变形； 磨损严重。

气环气环油环挡圈活塞活塞销衬套连杆轴承轴承盖连杆螺栓开口销连杆螺栓键曲轴飞轮固定螺栓piston ringgudgeon pin（二） 活塞结构 活塞由活塞顶、活塞头和活塞裙三部分组成 1、活塞顶部结构 除平顶外，还有各种形状的浅凹坑或深凹坑 ，在活塞顶上对着气阀处还设有凹坑（避让坑） ，在较大的活塞顶部还设有起吊螺孔或起吊环槽 ，活塞顶往往做成有利于引导扫气气流的形状（凸顶活塞），采用“薄壁强背”多支承结结构 2、活塞头部结构 活塞头部通常指从活塞顶面起到最末一道气环（压缩环）的部分 根据温度变化情况，将头部做成上小下大的圆锥形或阶梯形 为了改善环槽部分的可靠工作，常常采取以下措施： （1）对于非冷却活塞为了减轻第一道气环的热负荷，在第一道环槽上部开一个绝热槽，以减小通往第一道环的热流 （2）加强第一道环的冷却活塞在上止点时，第一道环应保证处于冷却腔位置 （3） 采用特殊耐磨镶圈 （4）采用耐磨垫环5）环槽上下侧面采取镀铬、氮化或淬硬等表面处理，以提高环槽表面的硬度及耐磨性 3、 活塞裙部结构 活塞裙部是指活塞头以下部分 筒形活塞的裙部较长，主要起导向和承受侧推力的作用；裙部设有销座，用以安装活塞销，裙部还设有油环槽，裙部常常制成椭圆形状，其短轴位于活塞销座方向。

主要原因是：1、由于侧推力的作用，将使裙部直径沿销座轴线方向略有伸长，在与销座轴线垂直方向略有缩短2、由于活塞顶部承受燃气的压力作用，活塞相当于双支承梁，产生弯曲变形，也使裙部直径沿销座轴方向伸长3、裙部销座处金属堆积多，刚性又较大，所以受热后，沿销座轴线方向产生较大的热膨胀变形 考虑以上裙部椭圆变形的影响，防止销座处由此引起活塞卡死或过大的局部磨损，使活塞在工作状态下仍能保持理想的圆柱形，将裙部制成椭圆形状，其短轴位于活塞销座方向 有的柴油机为了防止活塞在下止点时，裙部与曲轴的平衡重相碰，将销座下方的裙部削去一块 轻型钢活塞，其裙部结构不是完整的，它比任何具有完整裙部的活塞轻，同时膨胀系数小，可采用较小的裙部和环岸，与气缸的配合间隙得到改善，减小运行中的噪音 （如图X型活塞裙） 十字头式的活塞裙部较短，这是因为侧推力和导向作用是靠十字头滑块和导板来承担 但二冲程弯流扫气的十字头式活塞裙部也较长或靠气口侧较长（回流扫气） 这是为了保证当活塞位于上止点时，仍能遮住气口，防止新气损失和废气倒灌 在十字头式柴油机活塞的裙部还常嵌有14道青铜承磨环（减磨环） 在柴油机新换活塞和缸套后的运行初期，青铜环能改善活塞与缸套的磨合过程。

经验表明，当不用减磨环时，有的低速机运转不久就发生严重拉缸可见，在磨合阶段减磨环具有良好的导向作用如图中的9） 承磨环在运行中虽已磨平，但不必更换 若发现缸套有不正常磨损和擦伤，或当承磨环出现单边严重磨损或碎裂时，在对气缸进行修正的同时应换新承磨环 缸套、活塞换新时应换新承磨环 从承磨环的磨损的磨损情况可分析活塞的对中情况4、组合活塞结构 活塞头由铸钢或铸铁制造，活塞裙由铸铁或铝合金制造，二者由螺栓连接应用于高强化柴油机上5、活塞冷却 活塞按散热方式分为非冷却式和冷却式活塞 非冷却式活塞（径向散热型） 主要用于强化程度较低、尺寸较小的小型柴油机活塞 冷却式活塞（轴向散热型） 使用冷却介质对活塞顶内腔进行强制冷却广泛用于大、中型柴油机活塞冷却？由于柴油机不断强化，非冷却整体活塞承受不了这样大的机械负荷和热负荷，活塞顶出现疲劳龟裂，环槽出现早期磨损一般铝合金活塞顶部温度不允许超过300C350C铸铁或钢活塞顶部温度不允许超过480C520C在第一道环槽处温度需控制在200C230C以下目前强化的大功率柴油机上普遍采用冷却式活塞 冷却式活塞主要有以下几种型式： （1）自由喷射冷却 滑油在压力的作用下经连杆杆身内的输油通道，自下而上经连杆小端上部的喷嘴喷出冷却活塞顶，然后落入曲轴箱。

用于强化程度不高的柴油机中 （2）循环冷却（先周围后中部） 活塞顶内设置冷却腔或蛇形管的油冷活塞 目前高速四冲程柴油机中应用得最为普遍的结构型式，对活塞顶部进行均匀而有效的冷却，但对强化程度很高的现代柴油机仍不能满足要求 （3）振荡冷却 在活塞顶内腔设置大容积的冷却空间，并利用进、出口位置不同，保证冷却腔中的冷却液只充满4060，并以一定的循环速度流过 由于活塞的往复运动的往复惯性力，使得冷却液在腔室中产生上下冲刷振荡，加强对活塞顶的冷却作用 此种振荡速度（与活塞平均速度同量级）与冷却液循环流速叠加可产生较大的冷却液速度，加强了冷却液的扰动作用，从而提高了对活塞顶的冷却效果 普遍用于大、中型强载柴油机上 （4）喷射振荡式冷却（如图215所示） 冷却油通过喷嘴1直接喷射到活塞顶下部的冷却钻孔中，并且在排出冷却腔之前，在冷却腔内振荡，由于喷射和振荡的双重作用效果，确保了低的活塞表面温度并避免了表面的烧蚀 冷却液输送方式 在筒形活塞式柴油机中广泛采用的是在曲轴、连杆中钻孔，滑油由主轴承经此孔道送至连杆小端，再经活塞销和销座中的孔道送至活塞头冷却空间，冷却后的滑油泄回曲轴箱 大型低速十字头式柴油机活塞冷却机构（如下图）。

这种柴油机的活塞都采用强制的循环冷却，冷却液一般为淡水或滑油冷却机构主要有套管式和铰链式两种 水冷活塞由于存在水、油交叉污染的问题，目前已较少使用 现代新型柴油机通常利用套管式或铰链式输送机构将同时用于十字头润滑和活塞冷却的高压滑油送入十字头 6、活塞销与销座 作用：在筒形活塞中，连接活塞和连杆小端，传递周期性变化的气体力和惯性力 工作条件：受到连杆小端和销座的摩擦和磨损，润滑条件差 要求：有足够的耐疲劳强度、抗冲击韧性，耐磨损和重量轻 材料：优质碳钢或低碳合金钢制造，表面淬火，使表面硬度高而韧性好 结构特点：活塞销是圆柱形零件，为了减轻重量，通常做成中空，或把内孔加工成一定的锥度 弹性销座结构：在销座上方开设适当凹穴，或采用倒挂式弹性销座 ，增加了销座受力后的弹性变形，使销座孔内边缘处应力明显降低 为了增大承压面，销座和连杆小端做成阶梯形或斜面形 在船用筒形活塞式柴油机中，活塞销与活塞销座及连杆小端的结合方法有以下三种型式： 1、活塞销固定在活塞上（固定式） 2、活塞销销与连连杆小端相固定（半浮动式） 3、活塞销在连杆小端和销座内部可以自由转 动（浮动式） 7、活塞环 是有开口的弹性环。

（1）活塞环的功用 密封、传热（气环亦称压缩环） 刮油（刮油环） 刮油环通常用于筒形活塞式柴油机上而十字头式柴油机气缸是采用注油润滑，一般只装气环，在活塞裙比较长的活塞上还要装承磨环端面工作面背面环端切口 （2）工作条件：十分恶劣 受到缸内气体压力、活塞环往复运动的惯性力和气缸套间产生的摩擦力、活塞横向振动和气口刮碰等作用，产生十分复杂的运动 缸套失圆会产生张合的交变运动润滑条件差，和缸套和活塞环槽间产生严重的摩擦和磨损 因振动、与气口刮碰、弹性张合等作用有可能产生裂纹或折断 若燃烧不良、滑油过多将环粘着在环槽中，使环失去密封作用，造成燃烧室漏气，使环损坏 （3）要求 应具有良好的密封性能，耐磨，特别是抗熔着磨损的性能要好； 有有适当的弹性、足够强度和热稳定性 （4）活塞环的材料 合金铸铁（加硼、高硅）、可锻铸铁、球墨铸铁 （5）结构措施和制造工艺 表面镀铬以提高耐磨性； 松孔镀铬，以提高表面贮油性加快磨合； 内表面刻纹以提高弹性； 环外表面开设蓄油沟槽； 环外表面镀铜以利磨合，喷镀钼以防止粘着磨损 （6）气环的密封机理及运动 气缸活塞气环 （3） 气环的结构 气环的搭口（切口）型式 ：气环的截面形状 主要截面形状有矩形截面环、锥面环、扭曲环、楔形环、桶面环、梯形环、倒角环等。

气环的泵油作用 为了提高密封效果，活塞上要设多道气环 为了减少摩擦损失，通常高速机上装24道，低速机上装46道 在新型柴油机上，采用将第一道环加高的方法提高其承载能力，并在环的外侧开设46道压力释放槽，以使第一、第二道环的负荷更加均匀 为了减少搭口的漏气，安装时活塞环搭口不要摆在上下一条直线上，应该错开并且相邻环的斜搭口方向要彼此相反 带倒角的气环安装时尖端要放在下面 （7）刮油环的结构（单刃、双刃） 为了较好地完成刮油作用，要求油环要具有较高的径向压力、良好的弹性、合理的截面形状以及畅通的回油通道 常见结构 ： 要注意：当安装的刮油环刮刃为锥状表面时，要把刮刃的尖端放在下面，以便油环下行时，刮油，上行时让油从它的倾斜面上流过 如果装反了，它就会向上刮油，加强了气环的泵油作用 （8）活塞环搭口间隙和端面间隙 活塞环搭口间隙是指活塞环装入气缸中两端搭口处的垂直距离 端面间隙（天地间隙）当活塞环磨损过多时会失去密封作用 在压缩冲程产生漏气，使起动困难，空气量减少而燃烧恶化，气缸内平均温度升高 在膨胀冲程漏气会减少柴油机功率，破坏气缸壁的润滑油膜，加速气缸磨损 在二冲程柴油机中，严重漏气会引起扫气箱着火。

对筒形活塞柴油机来说，漏气会污染曲轴箱内的滑油（湿式润滑系统），加速滑油变质，严重时会引起曲轴箱爆炸事故 因此，平时必须注意保持活塞环处于良好的技术状态 8、活塞杆（二冲程机） 活塞杆上部有。