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1、柴油机结构原理讲义柴油机结构原理讲义主讲人：吴辉主讲人：吴辉2 21、发动机的工作原理3 3发动机的功能是将燃料在气缸内燃烧使其热能转换成机 械能，从而输出动力。能量的转换是通过不断地依次反 复进行“进气压缩做功排气”四个连续过程来实 现的，每进行这样一个连续过程就叫做一个工作循环。4 41、进气冲程活塞由曲轴带动从上止点向下止点运动，此 时排气门关闭，进气门开启。活塞移动的过程中，气缸 内的容积逐渐增大，形成一定的真空度，于是经过虑芯 的空气通过进气门进入气缸。直至活塞到达下止点时， 进气门关闭，停止进气。5 52、压缩冲程进气冲程结束时，活塞在曲轴的带动下，从 下止点向上止点运动，气缸容积
2、逐渐减小，由于进排气 门均关闭，气体被压缩，气缸内温度上升，直至活塞到 达上止点时，压缩结束。6 63、做功冲程在压缩冲程末，高压油嘴喷出高压燃油与空 气混合，在高温、高压下混合气体迅速燃烧，使气体的 温度、压力迅速升高而膨胀，从而推动活塞由上止点向 下止点运动，再通过连杆驱动曲轴转动做功，至活塞到 下止点时，做功结束。7 74、排气冲程在做功冲程结束时，排气门被打开，曲轴通 过连杆推动活塞由下止点向上止点运动，废气在自身剩 余压力和活塞的推力作用下，被排出气缸，直至活塞到 达上止点时，排气门关闭，排气结束。排气冲程终了时 由于燃烧室容积存在，气缸内还存少量废气，气体压力 也因排气门和排气管的
3、阻力而仍高于大气压。8 8二、发动机的总体构造9 9柴油机由两大机构四大系统组成。10101、曲柄连杆机构曲柄连杆机构主要由构成气缸的机体、 活塞、连杆、曲轴和飞轮等组成。由发动机的工作循环可知，混合气在气缸内燃烧产生的 高压是通过活塞、连杆、曲轴而变为有用的机械能输出 的；反之，工作循环的准备过程也是由曲轴通过连杆通 过活塞作往复运动来实现的。可见，曲柄连杆机构是发 动机维持工作循环，实现能量转换的核心。11112、配气机构为使发动机的工作循环能够连续进行，必须 定时地开闭气门，以便向气缸内充入新鲜气体和排出废 气。它主要由气门和控制气门开闭的凸轮轴及其他传动 件等组成。12123、燃料供给
4、系从发动机的工作循环可知，柴油机要向气 缸内提供纯空气并在规定时刻向气缸内喷入燃油。另外 ，需要将燃烧完的废气按规定的管路导出。柴油机的燃 料供给系主要由燃油箱、喷油泵、喷油器、进、排气管 、虑清器等组成。13134、润滑系发动机内部有很多高速运动的摩擦表面，为了 减小摩擦阻力和减缓磨损，需要向这些摩擦表面提供润 滑油。润滑系主要由油底壳、机油泵、油道、虑清器等 组成。14145、冷却系发动机工作时，气缸内气体燃烧的热量在使气 体膨胀做功的同时，不可避免地将会加热与它相接触的 机件，为了保持正常的工作温度，需将机件的多余热量 散发出去。冷却系有水冷和风冷两种，水冷主要由散热 器、风扇、水泵、水
5、套等组成；风冷主要由风扇、散热 片等组成。15156、启动系发动机开始运转的第一个工作循环的准备过程 ，必须有外部动力带动曲轴旋转，启动系主要由起动机 及其附属装置等组成。1616三、曲柄连杆机构1717曲柄连杆机构是发动机将热能转换为机械能的主要装置 。在做功冲程，它将燃料燃烧产生的热能转变为活塞往 复运动的机械能，再转变为曲轴的旋转运动而对外输出 动力；反之，在其他冲程，它又将曲轴的旋转运动变为 活塞的往复运动，为做功冲程做好准备。1818曲柄连杆机构由以下三部分组成：1919气缸体曲轴箱组：主要包括气缸体、曲轴箱、气缸套、 气缸盖、气缸垫等不动件；活塞连杆组：主要包括活塞、活塞环、活塞销
6、、连杆等 运动件；曲轴飞轮组：主要包括曲轴、飞轮等。2020一）曲柄连杆机构的工作条件及受力简析2121曲柄连杆机构所受的力主要有气体压力、往复运动的惯 性力、旋转运动的离心力以及相对运动接触表面的摩擦 力。2222气体压力在工作循环中，气缸内气体压力是不断变化的。做功冲 程压力最高，其瞬间最高压力柴油机可达510Mpa。2323往复惯性力和离心力由于曲柄连杆机构运动速度的大小和方向都是不断变化 的，所以必定产生惯性力。n 往复惯性力n 离心惯性力2424摩擦力曲柄连杆机构中互相接触的表面相对运动时都存在有摩 擦力，其大小与正压力和摩擦系数成正比，其方向总与 相对运动的方向相反。摩擦力的存在是
7、造成配合表面磨 损的根源。2525二）气缸体与曲轴箱组2626气缸体与曲轴箱组主要由气缸体、上下曲轴箱、气缸套 、气缸盖和气缸垫等组成。2727气缸体与曲轴箱的结构形式与功用气缸体是气缸的壳体，上曲轴箱是支承曲轴作旋转运动的壳 体，二者组成了发动机的机体。其结构形式有整体式和 分体式。整体式结构就是将气缸体与曲轴箱铸成一体，称为气缸体， 通常用为水冷发动机。分体式结构就是将气缸体与上曲轴箱分开制造再用螺栓连接 起来，多用于风冷发动机。整体式或分体式的上曲轴箱是组装发动机的基础件，并由它 来保持发动机各运动件相互间的准确位置关系。2828气缸体与曲轴箱的工作条件与要求气缸体曲轴箱承受有较大的机械
8、负荷和较复杂的热负荷 。由其功用和工作条件，要求气缸体曲轴箱具有足够的 强度，刚度和良好的耐热性、耐腐蚀性等。气缸体曲轴 箱的变形会破坏各运动件间的准确位置关系，导致发动 机技术状况和寿命降低，因而对刚度和强度的要求同样 重要。2929曲轴箱的结构型式上曲轴箱一般有三种结构形式。平分式主轴承座孔中心线位于曲轴箱分开面上。其 特点是制造方便但刚度小，且前后端呈半圆形，与油底 壳结合面的密封较困难，给维修造成不方便。多用于中 小型发动机，如492Q等。3030龙门式主轴承座孔中心线高于曲轴轴线分界面。其 特点是结构刚度较高，且下曲轴箱前后端为一平面，其 密封简单可靠，维修方便。上述两种型式，其主轴
9、承座孔均为分开式，内孔和端面 的加工是在主轴承盖上用定位销或定位套（平分式）， 或主轴承盖两侧平面（龙门式）定位，并用螺栓固定后 进行的，因而轴承盖既不可换位也不可换向。为避免错 装，在主轴承盖上都有位置和方向的记号。3131隧道式主轴承座孔不分开。其特点是结构刚度最大 ，主轴承同轴度易保证，但拆装较困难。3232气缸体与曲轴箱的材料气缸体和上曲轴箱根据其工作条件和结构复杂的特点， 一般用灰铸铁制造，因为它具有成本低、铸造工艺性好 、刚度大、耐磨和吸振性好等优点。有的强化机型采用 了球墨铸铁，还有的为了增加强度和耐磨性，采用含镍 、铬、钼、磷等元素的优质灰铸铁。某些发动机为了减 轻重量、加强散
10、热，采用铝合金铸造。3333下曲轴箱的密封下曲轴箱的作用是储存润滑油，因此又叫油底壳。其内 部有防止润滑油过分激荡的稳油挡板，有利于机油泵的 正常工作和润滑油内杂质的沉淀。为了保证发动机纵向 倾斜时机油泵仍能正常吸出机油，油底壳的后部或前部 一般做得较深，并在其最深处有放油塞，以便放出润滑 油。有的放油塞带有磁性，可吸附润滑油中的铁屑，以 减小发动机的磨损。3434由于油底壳受力很小，一般用薄钢板冲压制成。为了加 强散热，某些发动机采用铝合金铸造，并铸有散热片。上下曲轴箱之间为了防止漏油，一般垫有软木衬垫，也 有的铸造油底壳用密封胶密封。3535气缸与气缸套3636气缸与气缸套的工作条件与材料
11、从发动机的工作原理可知，气缸所接触的气体，其温度 和压力都在频繁的变化而且其瞬时值很高，给气缸以很 大的热负荷和机械负荷。另外，燃烧产物对气缸壁还有 腐蚀性。在这种恶劣的条件下，活塞在气缸内运动，对 气缸的磨损往往影响整个发动机的寿命。3737为了提高耐磨性，有些气缸采用表明处理，如表明淬火 、镀铬等；有的则对整个气缸体采用优质材料，但成本 高。目前更多的是采用在气缸体内镶入气缸套的结构。 这样，缸套可用更加耐磨的材料，以延长使用寿命，而 气缸体则用廉价的普通铸铁或重量轻的铝合金制造。即便制造时不镶缸套的气缸体，经几次大修后为继续使 用，也要镶一个标准缸径的气缸套。气缸套的材料，常使用的有珠光
12、体灰铸铁、合金铸铁、 高磷铸铁、含硼铸铁及其他高级铸铁。3838气缸套的型式与构造根据其是否与冷却水接触，气缸套分为干式和湿式两种。39391、干式干式缸套的特点是外表面不直接与冷却水接触 。为了获得与缸体间足够的实际接触面积，以保证散热 效果和缸套定位，其外表面与其相配合的气缸体承孔内 表面，都有一定的加工精度，并且一般都采用过盈配合 。另外，干式缸套壁薄，有的只有1mm厚。干式缸套外圆下端制不大的锥角，以便压入气缸体。其 顶部（或缸体承孔的底部）有带凸缘的两种。带凸缘的 配合过盈量较小，因为凸缘可以帮助其定位。4040干式缸套的优点是不容易漏水、漏气，缸体结构刚度大 ，不存在穴蚀，缸心距小
13、机器重量轻等；其缺点是修理 更换不便，散热效果差等。 41412、湿式湿式缸套的特点是其外表面直接与冷却水接触 。另外，它较干式缸套壁厚大。4242缸套的定位缸套的径向定位一般靠上下两个凸出的 ，与气缸体间为动配合的圆环带。轴向定位是利用上部 凸缘的下平面。因此缸套的上述部位和气缸体承孔的相 应配合部位，应有较高的加工精度。4343气缸套的密封气缸套下部靠13个耐热耐油密封圈 密封。其密封形式有涨封式和压封式两种，其中广泛应 用的为涨封式。少数发动机缸体上在两道密封圈之间设 有漏水孔，用以观察密封圈工作情况是否良好。随着柴 油机强化程度的日益提高，湿式缸套的穴蚀已成为一个 突出的问题，所以某些
14、柴油机缸套有三道密封圈，最后 一道上半部分与冷却水接触，既能防止配合面生锈、便 于拆装，又能借其吸振，减轻穴蚀。缸套的上部通常是 靠凸缘的下平面密封。4444大多数湿式气缸套装入后，其顶面高出缸体一定高度， 一般为0.050.15mm，使气缸盖螺栓紧固后，缸套 与缸垫的该部分承受较大的压紧力，具有防止气缸漏气 、水套漏水和保证缸套定位的作用。4545湿式缸套的优点是缸体铸造较容易，又便于修理更换， 且散热效果较好。缺点是缸体刚度较差，易产生穴蚀， 且易漏水、漏气。主要用于高负荷发动机和铝合金缸体 发动机。4646为了减少气缸的磨损，气缸壁应有较高的加工精度和较 低的粗糙度，过低的粗糙度不利于油
15、膜的形成，反而加 速气缸的磨损。另外，为了便于活塞及活塞环装入，气 缸上口加工有一定的倒角。4747四）气缸盖与气缸垫4848气缸盖1、功用与工作条件气缸盖用来封闭气缸的上部并与气 缸、活塞共同构成燃烧室。气缸盖燃烧室壁面同气缸一 样承受燃气所造成的热负荷及机械负荷，由于它接触温 差很大的燃气时间更长，因而气缸盖承受的热负荷更甚 于气缸体。49492、结构气缸盖的结构随气门的布置、冷却方式及 燃烧室的形状而异。顶置气门式气缸盖有水套（水冷式）或散热片（风冷式 ）、燃烧室、火化塞座孔（汽油机）或喷油器座孔（柴 油机）、进排气道、与气缸体密封的平面、安装气门装 置及其他零部件的加工部位等，水套中还
16、装有喷口朝向 排气门座及喷油器座孔的喷水管，以加强这些过热部位 的冷却。50503、材料及气缸盖的紧固气缸盖和气缸体的工作条件及 结构复杂性有许多共同之处，其材料也同气缸体一样， 一般用灰铸铁或合金铸铁。5151由于材料的膨胀系数不同，为了防止受热后缸盖螺栓的 膨胀大于铸铁缸盖的膨胀而使紧度降低，对铸铁缸盖要 在发动机大正常工作温度后再进行第二次拧紧；铝合金 气缸盖由于其膨胀系数比钢大，在发动机热起后紧度会 更大，故只需在冷态下一次拧紧即可。5252多缸一盖的气缸盖，结构刚度较差。为避免其变形，安 装气缸盖时，紧固螺栓应按由中央向四周的顺序，分次 逐步地以规定扭矩拧紧。拆卸时则按相反的方向。5353气缸垫1、作用与要求气缸垫用来保证气缸体与气缸盖结合面 的密封，防止漏气、漏水。气缸垫接触高温、高压气体及冷却水，在使用中很容易 被烧蚀，特别是缸口转边周围。因此，气缸垫要耐热、 耐蚀、具有足够的强度、一定的弹性和导热性，从而保 持可靠的密封。另外还应能重复使用，寿命长。5454构造目前气缸垫的结构
