《上柴柴油机培训》PPT课件.ppt

内燃机原理 和构造 一 内燃机原理 二 柴油机构造,一 内燃机原理,1 功能:组织燃料燃烧,使化学能转化为机械能的动力输出. 2 工作过程: (1)由进气、压缩、燃烧-膨胀、排气四个工作过程组成. (2)汽油机 燃料+空气 燃烧室 柴油机 空气 +燃料 混合压缩 热能压力能 推动活塞(往复机械能) 连杆曲轴 旋转机械能,(3).二冲程内燃机是在活塞两个行程内曲轴旋转一圈完成一个工作循环 四冲程内燃机是在活塞四个行程内曲轴旋转二圈完成一个工作循环. 四冲程柴油机 吸气行程 压缩行程 膨胀行程 排气行程 活塞下行 活塞上行 活塞下行 活塞上行 进气门打开 进气门关闭 进气门关闭 进气门关闭 排气门关闭 排气门关闭 排气门关闭 排气门打开,3 燃料的总热量分布 摩擦、轴承、缸套和气 缸套和气缸盖的散热 总 冷却水带走的热量1035% 排气道(船用)散热 热 废气带走的热量 2550% 量 辅助机构损失热量 25% 100% 转化为有用的机械能2540%,总热量(100%) 转化为有用的机械能 全负荷最低燃油消耗(g/kW.h ) 汽油机 2530% 270325 柴油机 3040% 214285 增压(增压中冷)柴油机 3545% 190218 4 燃料燃烧最高爆发压力及最高温度 PZ (kPa) Tz (K) 汽油机 29404900 (3050kg/cm2 ) 22002800 柴油机 588017640 (60180kg/cm2 ) 18002200,3 燃料的总热量分布,(2) 零部件编号 C6121柴油机是引进美国卡特比勒公司3306B柴油机技术制造的，因此其基本零部件仍然保持和3306B相同的件号，他们之间具有通用性和互换性。另外，根据产品改进和市场开发的需要，我公司自行设计一部分新的零部件。为了便于区别，其件号表示形式与卡特比勒公司原设计件号有所不同。 卡特比勒公司原设计零部件件号有两种形式，即由6位字符（含数字和字母）或由7位纯数字符号构成。例如： 6N9915 7C3906 或 1007861 1218015 由上柴公司自行设计开发的零部件，其件号表达形式与卡特比勒公司原设计不同。例如： C06CB003 12AL006 在C6121柴油机上，为了便于识别，通常在零部件制造过程中，用铸、锻、钢印、电蚀或部件标牌等方式将件号永久性地标识在实物上。用户在维修或更换零部件时，请您认准柴油机上原来所用的件号，以免产生差错。如果件号判断遇到困难，可与我公司售后服务部门联系查询。 零件实物上所示件号末端，常常标有后缀M、X、U等字母。这表示该零件货源来自世界上不同地区。后缀M表示该零件是按卡特彼勒技术要求在我国境内制造的。只要件号相同而不论其货源来自何处，他们之间是可以通用和互换的。例如6N9915M与6N9915或6N9915X；或1007861M与1007861或1007861U完全通用。,(3) C6121柴油机主要技术规格 缸数与排列方式 6缸,直立式 缸径行程 (mm) 120.7152.4(4.756.00英寸) 冲程数 四冲程 压缩比 15 排量L 10.5 燃烧方式 直接喷射式 旋转方向 (面向飞轮端) 逆时针 功率范围 (kW) 110243 转速范围 (r/min) 15002200 进气方式 增压,增压中冷(海水,水套,空空) 发火次序 153624 旋转方向(从飞轮端看) 逆时针 喷油泵形式 卡特彼勒新型斜槽式 调速器 液力机械，全程式 起动方式 电起 外形尺寸(工业用：长宽高) 12707901166 重量(工业用单机) kg 970,(4)121柴油机技术参数:,(5) C6121系列柴油机主要参数和配套用途,二 柴油机构造 1 曲柄连杆机构和固定机件 2 配气机构 3 供油系统 4 润滑系统 5 冷却系统 6 进排气系统 7 起动系统,二 柴油机构造,二 柴油机构造 1.曲柄连杆机构和固定机件 1.1曲柄连杆机构 组成:活塞、连杆组件和曲轴组件. 功能:往复运动转化为旋转运动;燃料燃烧时产生的热能转变为曲轴输出的机械功.,1.1曲柄连杆机构 1.1.1 曲轴组件 曲轴 组成:主轴颈、曲柄臂和连杆轴颈组成的曲柄、自由端(装曲轴箱机油密封、减震器及付动力输出) 、飞轮端(曲轴箱机油密封,主动力输出),135柴油机盘形曲轴,1.1.1曲轴组件 工作状况: a. 燃烧气体膨胀压力 b. 活塞连杆机构往复惯性力、曲轴离心惯性力 c. 高速旋转 结构形式: a.整体式:主轴颈、连杆轴颈和曲柄臂组成一个整体,例如114 、121 、G6135. b.组合式(圆盘式): 主轴颈由两个曲柄臂合成一个圆 盘,圆盘外面装滚柱式主轴承.例135 、180.其强度 高、刚性好、质量大、成本高、噪音大. c.套合式:主轴颈、曲柄销及曲柄臂单独制造,热套成 整体,通常用于低速大型柴油机.,1.1.1 曲轴组件,设计要求: a.足够疲劳强度. b.大的弯曲刚度和扭转刚度. c.足够的承压面积和可靠润滑,轴颈有良好的耐磨性. 材料: a.低指标(不增压或低增压柴油机:球墨铸铁).例:G6135 b.中、高增压柴油机:中碳钢、中碳合金钢锻制.例114，121,(1).工作状况: a.交变负荷作用,不能形成均匀、恒定的油膜. b.轴颈与轴承之间的相对运动速度可高达10m/s以上,要求高的耐磨性、耐蚀性. c.轴承座刚度要好,不致变形造成局部负荷集中,破坏轴承. d.有高嵌芷性,在轴承润滑油中,尽管通过滤清总有硬质颗粒含在其中,轴承能嵌芷杂质或金属碎粒,不致刮伤轴颈.,轴承-主轴承、连杆轴承,轴承-主轴承、连杆轴承 (2) 材料: a.白合金：锡锑铜合金或铝锡锑铜合金. 强度低,耐磨性、嵌芷性、顺应性均好 ,主要 用于大型低速柴油机. b.铜基合金:铜铝合金或铝青铜合金. 承载能力大,疲劳强度高,表面性能差,主要 用于中高速大功率柴油机. c.铝基合金:钢背铝基合金表面镀铅锡合金的三层合金. 厚度薄、强度高、抗疲劳性好,有一定表 面性能,中小型柴油机使用较广.,轴承-主轴承、连杆轴承 (3) 损坏特征: a.磨损、拉伤:由杂质磨损,颗粒大的拉伤表面,表现为表 面合金磨损或表面有拉丝. b.咬合:润滑不良,油压低或断油引起.或大量杂质发生 激烈磨损,表现为轴承材料熔化. c.疲劳:在交变负荷下产生破坏,表现为龟裂的裂纹,合 金层小块剥落. d.蚀损:润滑油质氧化变质,对轴承腐蚀,使轴承表面粗 糙;润滑油压力急剧变化,形成局部真空而产生 气泡,导致轴瓦穴蚀.,1.1.2 连杆部件,组成:连杆、连杆盖、连杆螺栓、连杆轴承和连杆衬套. 工作状况:受气体压力、活塞连杆组惯性力等交变负荷作用. 结构形式(连杆大端):平切口、斜切口、船用式(大端 与连杆体分开).,1.1.2 连杆部件,结构形式(连杆大端):平切口、斜切口、船用式(大端与连杆体分开). 主要考虑:达到要求强度,外形尺寸不大于缸套内径.,1.1.2 连杆部件,设计要求:连杆的断裂一会损坏整个柴油机,二会 出现人身事故. (1)足够的疲劳强度. (2)足够刚度. (3)轴瓦、衬套有足够的耐磨性和抗疲劳性. 材料:优质碳钢(35、45) 、优质合金钢35CrMoA 、42CrMoA 、18Cr2NiWA.,1.1.3 活塞部件,组成:主要零部件有活塞、活塞销、气环、油环及卡簧等.,1.1.3 活塞部件,活塞 (1) 组成: 火力岸、活塞环槽部、活塞销座、裙部.,1.1.3 活塞部件,(2) 工作状况: a.活塞组成燃烧室一部分,起密封和导向作用,将燃气压力传递给连杆,瞬时压力达150180kPa.燃烧室及顶部受高温燃气热负荷(瞬时高温达2000左右)及交变热负荷,热变形大. b.销座受拉、压交变应力. c.活塞环、活塞槽受弯曲和剪切作用. (3) 材料: a.铸铁:强度高、耐热好,但重量稍重. b.铝合金:有一定的强度和耐热性,重量轻. c.组合式:头部用铸铁或钢,裙部用铝合金,结构复杂.,活塞,a.保证活塞与气缸壁之间有效密封,使燃气泄漏减少到最低程度. b.活塞顶受到的高热量通过活塞环传递给气缸壁到冷却水中,它占活塞吸收热量的6070%. c.对气缸壁面的润滑油具有调节作用,保证活塞和活塞环在气缸内良好润滑,并避免过多润滑油窜入燃烧室燃烧.,1.1.3 活塞部件,活塞环,(1) 功能:,活塞环,1.1.3 活塞部件,(2) 工作状况: a 受燃气的压力作用. b 高弹力压在气缸壁上保证径向密封. c 润滑条件差,易磨损,活塞环,1.1.3 活塞部件,(3)活塞环型式:,(4) 设计要求 a.有较好的燃气密封性,通常用上面二个环来密封,用锥形环或扭曲环. b.为减少机油窜入燃烧室,用刮油环刮油. c.高温燃气对活塞环槽间隙中的机油有燃结现象,应有一定抗咬能力,即活塞环胶结在活塞环中不起作用.用梯形环解决. d.耐磨性较好,表面磷化处理,镀铬或陶瓷材料. (5) 材料: a.球墨铸铁或灰铸铁. b.合金铸铁:强载大功率柴油机. c.钢制组合式活塞环:高速大功率柴油机用作油环较多. (6) 损坏特征: a.表面异常磨损:一般设计环的开口间隙在0.50.7mm(114135缸径),在运转几十小时出现环开口间隙高达1.502.00mm现象. b.环在环槽内结焦卡死,不起封油作用. c.环断裂(往往在装配时出现较多),产生漏气窜油量大. d.环口上下不错位,使窜气多.,1.2 固定机件,组成：固定机件由气缸盖部部件、气缸体部件、油底壳、前齿壳和飞轮壳等组成。 功能：固定机件的功能主要是作为内燃机中各机构、各系统的支承骨架，它们承受着燃烧工质的爆发压力，螺栓预紧力和运动零件的惯性力等各种力的作用，因此要求它们有较高的强度和刚度。,1.2 固定机件,1.2.1气缸盖组件,组成：由气缸盖、 进气门、排气门 、进排气门弹簧、进排气门导管、进排气门座圈及进排气门卡簧等主要零部件组成,1.2 固定机件,1.2.1 气缸盖 (1) 工作状况: a.受爆发压力机械负荷和交变热负荷作用,排气阀座最高温度可达400,最大温差达200 . b.冷却喷油器及排气道、燃烧室、进排气阀座、阀杆等. (2) 设计要求: a.能承受高的爆发压力和热负荷,有足够的强度和热变形. b.进排气道要做得尽量大,进气充气效率高,并有一定涡流,排气道阻力小.,1.2.1气缸盖 (3) 结构形式: a.整体式,如114为6缸一个气缸盖.适合150mm缸径以下. b.单缸式,180为1缸一个气缸盖. c.多缸式,135为2缸一个气缸盖. (4) 材料: a.铝合金:重量轻.,强度低,军工产品使用多. b.耐热合金铸铁:强度高,耐热性好,重量重,使用面广. c.上部铝合金+下部耐热铸铁:强度高,重量轻,结构复杂.,1.2 固定机件,1.2.2气缸盖垫片 (1) 工作状况:安装在气缸盖与机体之间,主要密封气缸燃烧的高温高压气体的泄漏,密封缸盖与机体之间相通的水道和油道,是防止漏气、漏水、漏油的关键零件. (2) 结构: a.橡胶石棉外包铜皮:耐压低,适应非增压柴油机,如 135柴油机用. b.钢架橡胶石棉:耐压提高,适合中增压柴油机如 121、114及135增压柴油机用. c.多层钢片结构:耐压高,适合高增压柴油机,爆发压 力可达13MPa以上.,1.2 固定机件,1.2.3 机体,1.2 固定机件,组成：由气缸体、气缸盖垫片、气缸套、气缸套封水圈、曲轴前后油封、油底壳、前齿壳和飞轮壳等组成。,1.2.3机体 (1) 工作状况: a.受力较复杂,燃气压力通过缸盖传 递给它的拉力,活塞连杆运转中产生的惯性力也作用在机体上, 产生弯曲作用的颠覆力矩作用在机体上. b.曲轴内力矩的不平衡部分产生附加弯曲力矩作用到机体上. c.安装在机体上的各种零部件都会对机体产生作用.且配套中的 零部件也会对它产生作用力.,1.2 固定机件,1.2.3机体 (2) 设计要求: a.有足够强度,能承受交变冲击力和各种力矩作用. b.有足够的刚度,变形量小,不致使缸套变形产生活塞拉缸现象. c.新设计的柴油机采用内置冷油器,使油道、水道内置而减少 外置管道,减少三漏,减少零件数.合理的水道、油道布置更为 重要. (3) 材料: a.HT250铸铁或合金铸铁. b.铝合金. c.焊接机体.,1.2 固定机件,2 配气机构,2.1. 功能: 实现柴油机按时打开和关闭进气门和排气门的机构,保证气缸内的气体充量充分更换,最大限度地获得新鲜空气. 2.2. 组成: (1) 凸轮轴及其传动机构: 凸轮轴、传动齿轮. (2) 气门摇臂组:由进气 门、排气门,气门弹簧 、摇臂、摇臂座等组成. (3) 驱动机构:由挺柱、推 杆等组成.,2 配气机构,2.3. 工作状况: (1) 柴油机每二转,凸轮轴转一转,完成柴油机的1个工作循环. (2) 各传动齿轮相啮合的对应齿和齿槽要做好配对记号,曲轴齿轮与第一缸上死点定位设计. (3) 保证进排气门一定升程及开启和关闭的时间. (4) 避免活塞上移时进排气门碰活塞顶面. (5) 为适应气门、推杆系统热胀冷缩,气门与摇臂调节螺栓接触面之间冷态时留有间隙.例114B进气门间隙0.30mm 、排气门间隙0.50mm.,2 配气机构,2.4 结构布置 (1) 下置式凸轮轴布置 凸轮轴布置在曲轴箱或气缸体位置.布置在曲轴箱上方一般称低置式,布置在气缸体上方称高置式.凸轮轴通过挺柱、推杆、摇臂驱动进排气门,运动件较多,质量增加,刚性差,惯性力大,对气门弹簧受力大,影响柴油机转速提高. (2) 顶置式凸轮轴布置 凸轮轴布置在气缸盖内,进排气门上方,减少挺柱、推杆等运动件,质量轻,刚性大,有的结构还减少摇臂,使惯性质量减小,适用于高速柴油机,因传动机构较复杂,成本高.(图如下页),2 配气机构,2.4 结构布置 顶置式凸轮轴布置图,3 供油系统,3.1 功能: 将一定数量的干净燃油,以足够的压力,在规定的时间内以雾壮喷入气缸,与空气充分混合,保证气缸内燃油的充分燃烧.,3 供油系统,3.2 组成: 燃油箱 燃油箱 燃油粗滤器 低压输油泵 旁通阀 燃油箱 燃油精滤器 喷油泵 高压油管 喷油器 燃烧室,3 供油系统,3.3 工作状况 3.3.1 燃油箱 (1) 装在整机的合适位置,由主机厂设计安置,不能设置低于低压输油泵0.51.0m,否则输油泵吸不上油. (2) 要密封保持清洁,可便于清洗. (3) 出油口离底面50-100mm. 3.3.2 低压输油泵 (1) 有一定的压力和吸头,克服燃油滤清器阻力和低位油箱的吸头. (2) 供油量是喷油泵需要量35倍以上,减少低压油管的压力波动,保证喷油泵良好和均匀充油. (3) 通常采用活塞式输油泵,也有用齿轮式或叶片式.,3 供油系统,3.3.3 燃油滤清器 (1) 保证柴油机供油系统可靠工作,喷油泵和喷油嘴中的偶件为精密偶件,配合间隙0.005mm以下,是单配成对的不可互换的偶件,对燃油杂质很敏感,会卡死、咬伤而损坏. (2) 粗滤器装在输油泵前,可滤去颗粒为0.10.2mm以上的杂质,常用网式、缝隙式. (3) 精滤器装于输油泵与喷油泵之间,可滤去颗粒为0.01 0.06mm的杂质,用毛毡、棉纱及纸质作为滤清滤芯,现大多数通用纸质滤芯,体积小,阻力小,过滤效果好,寿命高. (4) 精密缝隙式滤芯,可滤去颗粒为0.010.04mm的杂质,通常设置在喷油器进口处为高压缝隙式.,3 供油系统,3.3.4 喷油泵 (1) 功能:把一定量的燃油提高到预定的压力,在一定的时刻和时间间隔内供给喷油器. (2) 结构: a. 合成泵多个柱塞付装在同一个体内,由一个凸轮轴驱动,结构简单,使用最广. b. 单体泵单个柱塞付独立装成一体,由配气凸轮轴驱动. c. 泵喷咀为单体泵的变形,由单体泵和喷油器组成一体. d. 分配泵适用于小型柴油机,只有一个柱塞付,用分配器把燃油送往各个气缸.(结构图见下页),3 供油系统,3.3.4 喷油泵 分配泵结构,3 供油系统,3.3.5 高压油管 保证高压燃油的压力波动最小,压力损失最小,且各缸喷油时间一致.故高压油管有一定厚的壁管,不致因管壁膨胀引起压力波动,各缸高压油管长度一致,孔内光洁度要高.,3 供油系统,(2) 工作状况: 高压燃油 缝隙式精滤器 针阀体油腔 油压作用于针阀锥面上克服弹簧压力打开针阀孔口 高压燃油从喷孔喷出,3.3.6 喷油器 (1)功能:将喷油泵送来的燃料喷成雾状到燃烧室,雾壮的均匀程度直接影响柴油机性能.,3 供油系统,3.3.6 喷油器 (3) 喷嘴(油头)结构型式: a. 单孔喷油嘴. b. 多孔式喷油嘴. c. 轴针式喷油嘴.,3 供油系统,3.3.7 调速器 (1)功能:根据负荷大小来自动调节供油量,保持转速在微小范围内波动. (2) 结构型式: a. 机械式: 利用飞块的离心力和调速弹簧力在每一个转速位置上相平衡达到调速目的.当外界负荷突然增加,柴油机转速降低,离心力减小,飞块收缩,同时控制齿杆向增加油量方向移动,使转速增加.这种型式结构简单、可靠,成本低,中小型柴油机广泛使用.,机 械 式 极 限 调 速 器,3 供油系统,3.3.7 调速器 机 械 式 全 制 调 速 器,3 供油系统,3.3.7 调速器 (2) 结构型式: b. 液压式:飞块和调速弹簧力可以减小,控制油压伺服器.放大推力来移动齿杆位置达到调速目的.这种型式灵敏度高,但成本也高,用于转速变动要求较小的电站柴油机和大型柴油机. c. 电子式:用电信号来控制柴油机的供油量,灵敏度最高,转速波动率可以调节,成本高于机械式和液压式,用于电站柴油机.,4 润滑系统,4.1 功能: 将规定牌号的机油滤清并供给到各个摩擦付润滑和带走摩擦产生的热量，还可冷却过热零部件(如强化柴油机的活塞). 4.2组成: 油底壳 机油泵 机油冷却器 机油滤清器 主油道 通过旁通阀回油底壳 通过旁通阀到主油道 主轴承 连杆轴承 连杆小头衬套(也有用飞溅) 主 凸轮轴轴承 摇臂轴承 油 增压器轴承 喷油器调速器 道 活塞冷却 传动齿轮轴承,连杆小头孔、活塞销孔 飞 挺柱孔 溅 齿轮齿接触面 润 气门导管孔 滑 气门座面 工程机械使用时倾斜度较大,为防止吸油口断油,采用双级机油泵,第一级机油泵从另一端吸油到油池,用第二级机油泵输油到主油道.,4 润滑系统,4.2 组成:,润 滑 流 程 图,4.3 机油泵 (1). 齿轮泵(外啮合齿):供油均匀,使用广泛. (2). 转子泵(内啮合齿):结构紧凑,噪音小,用于中小型柴油机. (3).外接齿轮式机油泵:大型柴油机轴承负载较大,在无油状态下起动,易于摩擦损坏轴承.一般用外接供油泵,在柴油机未起动前先供油,并另设置贮油箱.,4 润滑系统,4.4 机油冷却器 (1) 功能:为防止润滑油过早老化和失效,保持其润滑能力和冷却零部件功能. (2) 结构型式 a.管束式（管壳式）:管内通油,管外通水,体积大,早期设计柴油机应用较多. b.板式:由若干成形的板片叠放而成,板内通油,板外通水,热交换效率高,结构紧凑,可直接装在机体水道中,减少外露的水道油道,现在已被广泛使用. c.板翅式:由成形的隔板和波纹装翅片钎焊合成,热效率更高,成本高.,4.4 机油冷却器,结 构 型 式,4.5 机油滤清器 (1) 功能:清除机油中因受热和氧化所分解出来的胶状渣滓,机体摩擦产生的磨屑以及混入机油中的微粒、灰份,延长机油的使用寿命. (2) 结构型式 a.网式滤清器: 用密细的青铜丝织网作滤芯,滤清颗粒 0.120.18mm可清洗,用作大中型柴油机较多. b.刮片式滤清器: 由带孔的滤片和星形隔片组成,可定期转动转轴把污物刮下,滤清颗粒0.060.15mm.早期设计柴油机使用广泛. c. 纸质滤清器: 由带微孔的滤纸折叠而成,结构简单,精度高,成本低,可更换,滤清颗粒0.010.04mm.中小型柴油机使用广泛. d. 离心式滤清器:利用压力机油喷射的反作用力,转子高速旋转产生的离心力把机油中的0.005mm以上的颗粒清除.精度高,结构简单,可清洗,但滤清的机油失去压力,一般作为辅助分流滤清机油.使用全流式的纸质滤清器,滤清颗粒较小,不再并联离心式滤清器.(图示下页),网 片 式 滤 清 器,刮 片 式 滤 清 器,离 心 式 滤 清 器,5.1 功能: 通过冷却水的循环把气缸套、气缸盖和机油中的热量带走. 5.2 组成 (1).车用、工程机械用、农业用、电站用柴油机一般采用风扇带走散热器中的循环冷却水的热量. (2). 船用柴油机一般采用海水-淡水热交换器,用海水把循环冷却水中的热量带走. (3). 大型低速船用柴油机采用海水泵直接用海水和江河水吸入到柴油机各个冷却部位冷却并排出舷外.,5 冷却系统,5.3 冷却流程图: (海水-空中冷器) 大海 海水泵 水空中冷器 机体布水道 散热器或热交换器 淡水泵 机油冷却器 (变矩器 大海 冷却器) 机体布水道 机体缸套 气缸盖 调温器 高温(大循环) 散热器 低温时到水泵进口(小循环),5 冷却系统,淡 水 的 冷 却 水 循 环 图,5 冷却系统,海 淡 水 的 冷 却 水 循 环 图,5 冷却系统,冷 却 水 泵,5 冷却系统,5.4 冷却系统主要件 (1) 淡水泵 一般采用离心式水泵结构简单,布置紧凑,工作可靠.但吸头能力差,应在水中工作. (2) 海水泵 一般采用离心式水泵,水泵出口有特殊的结构可产生0.5m高度的吸头. 国外较多采用橡胶齿轮泵,吸头能力强,但使用寿命短. (3) 调温器 a.功能: 控制柴油机的进水温度,使柴油机在各种工况下工作时都有一个合适的温度范围,保证柴油机可靠工作.,5 冷却系统,b调温器原理 当水温低于所要求的数值(7583)时,主阀关闭,气缸盖流出的冷却水直接流向水泵进水口,构成小循环回路,冷却水不经散热器冷却直接进入到机体,使冷却水快速升温. 当水温达到规定上限(8595)时,主阀全打开,旁通阀关闭,冷却水全部流向散热器,构成大循环回路.调温器能把柴油机水温控制在规定范围内.,5 冷却系统,6 进排气系统,组成: 空气滤清器、进气管路、增压器及中冷器、排气管路、排气消音器等.,6.1增压器,6.1.1 增压器功能 利用废气排气能量推动涡轮