内燃机车柴油机讲义课件.ppt

1、铁道技术学院作息时间铁道技术学院作息时间上午上午：第一节课第一节课 08:10-08:55第二节课第二节课 09:05-09:50课间操：课间操：9:50-10:20 第三节课第三节课 10:20-11:05第四节课第四节课 11:15-12:00中午：中午：午餐午餐 11:50午休午休 12:00-13:30下午下午：预备预备 13:20第五节课第五节课 13:30-14:10第六节课第六节课 14:25-15:10第七节课第七节课 15:20-16:05第八节课第八节课 16:15-17:00第一讲第一讲 内燃机车柴油机的基本原理内燃机车柴油机的基本原理一、发动机的概述一、发动机的概述（一

2、）欧洲工业革命（一）欧洲工业革命1、动力革命、动力革命工业化步伐日益发展，生产力的快速提高，现有的机械动力越来越不适应社会的需求，人们在不断地寻求新的更大的更好的动力来为各行各业服务。那么一场动力革命的浪潮就自然而然地在欧洲掀起了。理由：理由：原有的蒸汽机作为动力太差人意笨重、复杂、功力小、体积大、效率低、内燃机：内燃机：重量轻、体积小、功率大、效率高、操作简便等优点，受到人们的器重，内燃机的快速发展也就在情理之中。2、内燃机诞生、内燃机诞生(1)设想过程、理论上的准备、（图纸设计、数据计算、工装设备设计等）技术上准备（技术人员培养、各种人才的培养、机械设备的安装、各种设备使用与调试）不断探索

3、、反复试验、批量生产。(2)1878年英国工程师噢托制造以煤气为燃料，电火花点燃的四冲程内燃机，人们把他的发明称为发动机的里程碑。(3)1898年德国工程师鲁道夫狄塞尔创造了世界上第一台往复活塞压燃式内燃机。(4)与蒸汽机作为动力相比较有明显优越性。内燃机的广泛应用：工农业生产的动力、陆海空交通运输、军事工业等，都广泛使用内燃机作为动力的。（1）柴 油 机 讲 义柴 油 机 讲 义(5)发动机的定义：将某一种能量转变为机械能而驱动别的机械作功的机器，称为发动机或动力装置（动力机械）。热力、风力、水力、太阳能及原子能等动力装置。外然机、内燃机的定义外然机、内燃机的定义外然机：外然机：指把燃料（煤

4、、油、天然气）在锅炉内燃烧后，再将蒸汽送到汽缸内膨胀作功的机器叫外燃机。内燃机：内燃机：指将燃料（柴油、汽油、煤气、天然气等）直接送到气缸内膨胀作功的机器叫内燃机。3、柴油机的广泛用途、柴油机的广泛用途柴油机诞生后由于它的优越性凸显，被广泛地应用在各个领域中。（1）蓬勃发展的交通业：水（内河运输、海上运输业飞速发展）陆交通。（2）大力促进工、农业的生产发展。（3）矿山、筑路、城市建设等。（4）军事工业大发展。舰艇、潜艇、坦克、各种装甲车辆等。（二）机车柴油机的发展（二）机车柴油机的发展1、20世纪初柴油机首先在船上应用。2、1912年瑞士苏尔寿公司制造736kw （2）柴 油 机 讲 义机车柴

5、油机在普鲁士铁路上投入运营。3、一战后1913年美、苏制造一些内燃机车，但为了备战很快就停产。4、二战后，美国和西方经济逐渐复苏，铁路运输业为了适应经济发展，内燃机车 的制造也达到了迅速发展。5、50年代单机功率7001500 kw。6、60年代单机功率3000kw以上。7、现在单机功率5000kw以上。（三）中国柴油机发展（三）中国柴油机发展1、1940年旧中国才向国外购买图纸生产部门220kw（到300马力）柴油机，年产量不到8000千瓦。2、新中国成立后，1958年开始研制，59年开始生产方式736kw（约定1000马力）的内燃机车。70年代后可以制造业2200 3000kw的干线机车。

6、现在也可以制造5000马力以上的内燃机车，完全可以和国外机车相媲美。二、柴油机的主要特点二、柴油机的主要特点1、工作热效率高，具有显著的节能效果、工作热效率高，具有显著的节能效果（）柴油机的工作热效率一般在3641，最佳可达50。（）汽油机的工作热效率一般在30%（）燃汽轮机的工作热效率一般在3035。（）蒸汽机的工作热效率一般在16；而蒸汽机车的总效率更低69；内燃机车则达到2735是其4倍多。（3）、功率和转速范围宽广，能适应各种、功率和转速范围宽广，能适应各种不同用途不同用途。（）输出功率能从0,59kw40440kw之间。（）标定转速在8501600n/h内（）同时品种繁多，用途广泛。

7、、结构紧凑和轻巧，适应水、陆交、结构紧凑和轻巧，适应水、陆交通工具的动力装置通工具的动力装置（）体积有小到大部分。0.15到二、三层楼那么高。机车用的一般在23m，宽在m左右。（）单位气缸容积所作的功率在本世纪内1321km。、启动迅速，操纵简便、启动迅速，操纵简便（）能在较短的时间内完成启动任务，并且能够达到全负荷运转。（）操作简便，安全可靠。（）设有多功能的安全保护装置。（）可以自动化操作。、燃料、机油和冷却水的消耗量少、燃料、机油和冷却水的消耗量少（）内燃机车一般只装备kl左右的燃油箱。（）冬、夏使用的燃油型号不一样。（）机油一般是在一定的走行公里后才补加，但日常上下班是要检查油位，防止

8、滑油漏泄而伤害运动件。（4）柴 油 机 讲 义、对燃料要求苛刻，同时排放废气和产、对燃料要求苛刻，同时排放废气和产生的噪音对环境有一定的污染。生的噪音对环境有一定的污染。三、柴油机的基础知识三、柴油机的基础知识机车柴油机是一种往复式活塞，压燃式内燃机。通过活塞在活塞在气缸内作上下往复运动，由连杆、曲轴机构将活塞的往运动转变成旋转运动，作为功率输出。其功率大小通常是用千瓦或马力来表示：千瓦：千瓦：所谓千瓦是单位时间内作功的叫功率。马力：马力：而马力则是指在1秒钟内作75kg米的功。1kw1.3马力 （5 5）（）水需处理后才用，损耗也不大，一般跑完一、二个往返才补充水，但是日常上下班是要检查水位

9、，防止水损耗过大而导致运动件过热。、使用可靠，工作寿命长、使用可靠，工作寿命长（）一般是按机车走完多少万公里来衡量（轮、架、大修来定）。（）柴油机一般使用寿命在1500030000h之间。或者80160万公里。（）机车采用新工艺后，运营里程越来越长，使用寿命也在增加。因此，机车的使用也就效率越来越高。、结构复杂、零部件加工、装配、运用、结构复杂、零部件加工、装配、运用、及维修技术要求高。及维修技术要求高。柴 油 机 讲 义柴 油 机 讲 义（一）柴油机的术语（一）柴油机的术语气缸气缸 是柴油机燃油燃烧作功功场所缸径缸径 也是活塞的公称直径上下止点（死点）上下止点（死点）活塞在气缸内运动上下极端

10、的位置。活塞行程活塞行程（S）上下止点间的距离。也叫活塞冲程。气缸容积气缸容积（Vmin）活塞顶到达上止点时与气缸壁、气缸头三者所构成的有效空间，气缸最小容积或压缩容积。工质工质 气缸内的工作介质。参与燃烧、吸热并推动活塞膨胀作功的气体。压缩比压缩比 气缸的总几与压缩容积之比。工作循环工作循环 完成一次能量转换过程叫做工作循环。二冲程柴油机二冲程柴油机 活塞二次冲程及曲轴旋转一周就完成一次工作循环（能量转换），我们就称之为二冲程柴油机。四冲程柴油机四冲程柴油机 活塞往复四次冲程及曲轴旋转二周，完成一个工作循环，就叫做四冲程柴油机.（二）柴油机的工作原理（二）柴油机的工作原理1、进气冲程、进气冲

11、程A、活塞由上止点向下止运行。B、理论上进、排气阀的开启与关闭。C、内低外高气压关系。（6）D、活塞与曲柄运行和旋转关系。E、进、排气阀提前开启与迟后关闭意义。2、压缩冲程、压缩冲程A、进、派气阀关闭。B、活塞由下止点向上止点运行开始压缩新鲜空气。C、到达上止点时压缩容积最小25003500KPa。D、同时温度将上升达7801000度左右。E、理论活塞到达上止点时喷射燃油，即刻燃烧。（气缸头表面每压力平方厘米的高温、高压达16t）3、燃烧、膨胀作功冲程、燃烧、膨胀作功冲程A、在上止点附近提前供油点火燃烧B、供油提前角的设计意义，太早与太迟的问题。C、最高压力每平方厘米1620t。D、燃烧高温达

12、二千多度。E、高温、高压的燃气推动活塞下行作功，达下止点。4、排气冲程、排气冲程A、当活塞下行到下止点前，排气阀打开B、迅速排出的残余高温、高压气体，继续作功，带动增压气涡轮工作。（7）柴 油 机 讲 义C、当活塞越过上止点后，上行将气缸内残气排出。D、当活塞上行到上止点前某点时进气阀开启，为下一个工作循环做准备。E、在这个时刻进、排气阀同时开启，进气压力大于废气，将残余废气迅速吹走。（通 常叫作扫气）（三）曲轴转角与配气相位图（三）曲轴转角与配气相位图通常是将曲轴的转角按360在坐标系中来划分每个活塞冲程的行程与曲轴转角的相互关系。曲轴转角曲轴转角 连杆传动使活塞的往复运动与曲轴的转动是相对

13、应的。因此，通常把四冲程柴油机曲柄旋转轨迹（0720转角）描述活塞在气缸运动的轨迹。配气相位图配气相位图 坐标图解形式描述活塞在气缸中上、下止点间的运动位置，并在坐标系中以曲轴转角，按进、排气门启闭位置绘制的图叫配气相位图。四冲程柴油机理论上讲：四冲程柴油机理论上讲：第一冲程：活塞从上止点行到下止点就是曲轴0180（这叫进气冲程）第二冲程：活塞从下止点行到上止点就是曲轴180360（这叫压缩冲程）第三冲程：活塞从上止点行到下止点就是曲轴360540（这叫作功冲程）第四冲程：活塞从下止点行到上止点就是曲轴540720（这叫排气冲程）（8）柴 油 机 讲 义柴 油 机 讲 义排出废气，尔后越过下止

14、点向上止点运行，再越过上止点42时关闭。（活塞运行290）此时当活塞快上止点前42时，进气门又提前打开了，为下一个工作循环作准备。这里又有一个进气门开到派气门关闭的84的重叠角，1.92.0公斤压力新鲜空气迅速吹往废气集流管，使气缸内充入新的空气。凸轮轴的工作过程凸轮轴的工作过程四冲程柴油机完成一个工作循环需要曲轴的两个周期而凸轮轴配合工作则只需要转一周就可以完成进气、压缩（含供油）、作功、排气的所有工作过程。（9）实际上（以实际上（以16V240为例为例）进气时进气时：活塞在离开上止点前半场42左右打开。而到下止点迟后备干部42时关闭，曲轴转264。压缩时压缩时：活塞在进气门关后开始到上止点

15、也就是曲轴转角的136。由于燃油从喷入到高温点燃需要时间即曲轴的转角，故必须在上止点前边21时喷油。作功时作功时：最高压力和最高温度是在活塞离开上止点某角10左右是最佳点，这就是作功开始，活塞下行到下止点前段时间42时排气门打开，剩余的高温、高压迅速涌向集流管继续作功。（活在行程135）排气时排气时：活塞在下止点前段时间42就打开二冲程柴油机理论上讲：二冲程柴油机理论上讲：第一冲程：第一冲程：活塞从下止点往上止点运行时，越过下止点某个曲轴转角时进、排气阀关闭，随着活塞的上行，活塞顶边缘封闭进排气门，开始压缩空气，在上止点前某个角度喷射燃油点火燃烧，然后到达上止点。就是曲轴0180（这叫进气、压

16、缩冲程）第二冲程：第二冲程：活塞从上止点向下止点运行高温、高压的燃气推动活塞下行作功。当活塞接近进气口时，排气门打开，燃气迅速排出。当活塞下行打开进气门时，由储气室的压力空气迅速通过汽缸吹走汽缸内的残存燃气，使汽缸里充满新鲜压力空气，为下个工作循环准备。这就是曲轴180360（也叫压缩、排气冲程）这就是二冲程柴油机，在一个工作循环内，就完成四冲程柴油机进气、压缩、膨胀作功、排气的二个循环过程，相当曲轴转动两周的转角720。而二冲程柴油机第一冲程就完成了进气、压缩过程；第二冲程完成膨胀作功、排气的过程。也就是曲轴转角的360转角。（10）柴 油 机 讲 义柴 油 机 讲 义东风型号东风型号10L

17、E207J柴油机工作过程柴油机工作过程这种柴油机有上下两根曲轴，是用垂直传动轴将上曲轴的功率传递给下曲轴输出的。为了有效的工作，下曲轴领先上曲轴12。它分内、外止点。进、排气口设在缸壁的上下部分。活塞相对运动时分别启闭气口，现在了解一下柴油机工作过程：1、膨胀-换气冲程活塞离开内止点后喷入汽缸中的燃油在高温高压下燃烧膨胀推动上下活塞向向运动，通过曲轴旋转作功。由于下曲轴领先12度，故率先开启排气口，当上活塞开启进气口时，1.3公斤左右的新鲜空气冲入汽缸内将残余气体从排气排出，强制驱赶废气的现象也叫扫气。2、换气-压缩冲程扫气结束后活塞越过外止点向内止点运动，下活塞首先关闭排气口，进气口仍然进气

18、，通常称之为后充现象，但瞬间随上活塞转动就关闭进气口，上下活塞都越过外止点后向内止点运动，开始压缩空气直到接近内止点时，燃油开始喷射，为下一个循环作准备。参看参看（9页）10E207J型柴油机配气相位图型柴油机配气相位图 （11）柴 油 机 讲 义（四）柴油机的组成（四）柴油机的组成机车上使用的柴油机基本组成机车上使用的柴油机基本组成1、运动件、运动件2、固定件、固定件3、配气机构、配气机构4、进、排气系统、进、排气系统5、燃油系统、燃油系统6、功调系统、功调系统7、机油系统、机油系统8、冷却水系统、冷却水系统9、辅助系统、辅助系统10、防护系统、防护系统11、柴油机编号、柴油机编号国标GB7

19、25-82规定：柴油机的型号由阿拉伯数字和 汉语拼音 字母组成。柴油机型号分首、中、后及尾四个部分组成。首部首部：系列符号、换代标志符号。中部中部：缸数符号、气缸排列形式、冲程符号、缸径符号。后部后部：结构特征符号结构特征符号：无号水冷式、F风冷式、N凝气冷却、S十字头式、Dz可逆转（直接换向）、Z增压。用途特征符号：用途特征符号：无号通用型、T拖、M摩托车用、G工程机械用、Q车用、J铁路机车用、D发电机组用、C船用主机右机基本型、C1船用主机左机基本型。尾部尾部：区分符号。几种柴油机型号：16V240ZJB、10E207J、G6300DzC、7FDL-16、（12）柴 油 机 讲 义（五）柴

20、油机编号（五）柴油机编号国标GB725-82规定：柴油机气缸编号规定由输出端看自由端，右“”1、2、3、4、5、6、7、8、输出自由 左“”9、10、11、12、13、14、15、16、柴油机转向输出端曲轴顺时针转为“右转”。反之则为“左转”。（ND5 7FDL-16柴油机）柴油机发火顺序：柴油机发火顺序：16V240ZJB、1-6-7-4-8-3-2-5 9-14-15-12-16-11-10-13。曲轴长：3775 重：1600ND57FDL-16、1-3-7-4-8-6-3-5曲轴长：14呎5吩 4394 重：4000磅 1418 10E207J、1-6-10-2-4-9-5-3-7-8

21、 上曲轴：长 3749 重1040 下曲轴：长3862 重1084（六）柴油机技术经济指标（六）柴油机技术经济指标对于不同型号的柴油机工作情况，所反映的问题也有所不同的，通常是从四个方面来考虑。1、动力性 柴油机发出功率与功率储备量。2、经济性 运转工况单位功率单位时间内所消耗的燃油量。3、可靠性 满负荷情况下及工作寿命内出现故障的次数与性质的大小。4、耐久性 以两次厂修之间工作寿命衡量。前两项反映柴油机工作过程完善程度。后两项则是机器部件的材质、结构、工艺、装配技术与保养等因素。（13）柴 油 机 讲 义柴油机的经济指标：柴油机的经济指标：所谓柴油机的经济指标，一般都是指其燃油消耗量与部件的

22、磨损量（报废时间）。技术经济指标一般指的是两类指标:(1)指示指标 以工质对活塞作工为基础，通常不讲各类的摩擦与机械损耗。(2)有效指标 动力由活塞传到曲轴并以曲轴的实际功率输出实效性计算方法。第二讲第二讲 柴油机的受力分析柴油机的受力分析柴油机运动件在高温、高压气体的作用下工作条件十分恶劣，受到不同方向的作用力冲击是一个复杂的过程。大体上分析为1、气体力（含高温、高压的燃气）、2、运动中的部件惯性力、3、运动件的重力4、动力机械的反作用扭矩5、摩擦面的摩擦力和支承反力、6、安装的预紧力、7、热应力8、共振产生的复杂应力等。（14）柴 油 机 讲 义一、气体力一、气体力气体力是指气缸内工质（气

23、体压力）的作用力。这种气体压力随着曲轴的转动在气缸内作往复运动。二、运动惯性力二、运动惯性力曲轴连杆机构在机体内运动，由于自身的质量产生往复运动的惯性力和曲轴旋转的离心力。（这种惯性力的存在要消耗一定的有效能量）三、气体力与往复运动惯性力的合力三、气体力与往复运动惯性力的合力气缸内的爆发压力气体力与往复运动惯性力随时随地都是沿着气缸中心线方向上下运动，两者都作用在活塞组上形成合力。四、运动惯性力对柴油机的影响四、运动惯性力对柴油机的影响1、合力对活塞组的影响、合力对活塞组的影响：强大爆发气体压力对活塞产生冲击，同时合力对活塞顶部产生形变、活塞销发生弯曲、气缸两侧的压力迫使活塞变形、活塞销的衬套

24、也受到不同程度上抵压变形等。2、合力对曲柄连杆组的影响：、合力对曲柄连杆组的影响：活塞的冲击力与曲轴的反作用力，首先是曲轴的弯曲、扭曲变形，主轴瓦连杆瓦受到冲击挤压变形、运动中的连杆连接螺栓拉伸变形。3、合力对曲轴组的影响：、合力对曲轴组的影响：连杆在活塞的推动下推动曲柄销作圆周运动，即输出扭矩。这时候，主轴（15）径载荷加大，即受到连杆的推力与离心运动惯性力。而法向力迫使曲柄销弯曲变形振动。四、合力对气缸套的影响四、合力对气缸套的影响气体压力作用在缸壁四周，汽缸套胀大并产生较大的内应力。高温高压气体破坏密封缸盖螺栓与活塞的气环都受到较大的挤压应力或附加弯曲应力，同时还受到化学腐蚀和水蚀等。五

25、、合力对机体的影响五、合力对机体的影响如燃气压力通过缸盖螺栓作用到机体上；侧压力使机体受到一种倾覆力的作用。主轴瓦下瓦受力更加严峻。六、离心运动惯性力对柴油机的影响六、离心运动惯性力对柴油机的影响离心运动惯性力作用在曲柄销上加大主轴颈的载荷，同时对机体产生垂向及横向的振动。七、复杂的共振对柴油机的影响七、复杂的共振对柴油机的影响柴油机在工作中来自诸方面的振动最容易产生共振，共振对机体影响很大，尤其是对曲轴、凸轮轴等轴系影响极大。（16）柴 油 机 讲 义柴 油 机 讲 义第二讲第二讲 固定件固定件柴油机的固定件是由机体、主轴承、气缸组、汽缸盖、机座（也称油底壳）、曲轴箱防爆装置等。一、机体一、

26、机体柴油机机体是由汽缸体和曲轴箱两部分构成的一个整体是刚性构架，安装柴油机的大部分零部件，以各运动件之间的相互位置正确。其外，还设有气、油、水道，满足柴油机进、排气；润滑与冷却。柴油机还要承受着各种力的力与力矩以及各种部件的紧固预紧力等负荷。因此，柴油机除具有足够的强度和刚度外，在加工工艺方面要求很高，以提高其工作可靠性。（一）机体结构1、隧道式机体：东风16240Z、12240Z、12280Z、16240Z等。机体是铸焊结合。凡曲轴系由主轴承盖、主轴承螺栓吊挂在机体主轴承座上的就称为悬挂曲轴机体，也称为隧道式机体。2、龙门（拱门）式机体：ND5柴油机机体特殊的铸铁制成“V”型整体铸件。3、1

27、0E207是箱体焊接的机体。4、汽缸体与曲轴箱汽缸体与曲轴箱分两个独立体，（17）柴 油 机 讲 义由螺栓紧固在一体。（二）（二）16V240ZJB型柴油机机体型柴油机机体16V240ZJB型柴油机机体由铸钢主轴承座与低合金钢板焊接而成。长：3594 宽：1380 高：1288 1、机体顶板2、主轴承座3、气缸箱体4、机体夹角的利用5、凸轮轴、挺柱、曲轴箱检查孔6、机体前后端及底座二、主轴承二、主轴承是用来支承曲轴，并使曲轴得到径向和轴向定位。按作用分：径向支承轴承和轴向止推轴承。按结构分：滑动轴承与滚动轴承。（一）滑动轴承润滑1、相对运动件的滑动摩擦：干、半干和液体摩擦2、油膜建立对运动部件

28、相对运动的意义（1）油楔的作用（2）油膜建立三个条件（3）油膜建立的意义（4）影响油膜的因素 （18）柴 油 机 讲 义（二）主轴承的工作条件与要求（二）主轴承的工作条件与要求1、工作条件、工作条件有效载荷（高温高压气体）冲击2000030000kp 20t/cm主轴颈与轴承间的相对滑动摩擦速度10米/秒。其表面油温达到100150。机体、连杆和曲轴等部件由于制造和装配工艺方面 误差以及工作中的变形造成主轴颈的应力集中而损伤。轴承表面会受到变质机油的腐蚀以及杂质、铁屑、沙粒等加剧磨损。起机时的半干摩擦也加剧磨损速度。为了改善工作条件，采取相应的措施：、结构上采用薄壳滑动、剖分形式轴瓦。、材质上

29、用复合型材质与瓦背低碳钢，表面复合一层减摩性能轴承合金。、为了改善瓦的表面性能，电镀（镗上）一层较薄的软质保护合金层。2、减摩合金的要求减摩合金的要求有足够的机械强度，以抵抗疲劳破坏。有良好的减摩性。抗咬合性好。顺应性强。良好的表层嵌藏性。良好的导热性。既有具有较强的吸附性（亲油）。良好的耐腐蚀性。合金层与瓦背瓦背具有足够的粘合性。工艺简单、成本低，便于生产。（19）柴 油 机 讲 义（三）16V240ZJB主轴承主轴承采用滑动轴承：1、9个轴瓦：8个径向瓦，第九是止推瓦；2、组成是由主轴承座、主轴瓦、主轴承盖、主轴承水平、垂直螺母螺栓等。3、主轴承座与横拉螺栓主轴承座采用45CrMo，承受着

30、巨大的机械冲击力。水平、横拉螺栓要求有一定的拉伸力，组装时先紧固到规定扭矩后，再回松到一定值，以防太紧而断裂。4、主轴瓦与止推环主轴瓦是由钢背、高锡铝合金和电镀层三层合金薄壁轴瓦。主轴瓦分上下瓦，下瓦是受力瓦，上瓦则是非受力瓦。上下瓦的组装都是要有定位销定位，其上瓦中央设有油槽起到润滑冷却作用。止推环轴承两侧装有止推环的轴承称止推轴承。止推环由上下两个半圆环组成，用铸造锡青铜ZQSn10-1。5、主轴承垂直螺栓18CrNiWA合金钢制成预紧扭矩2940N m，螺栓的拉伸量为06065mm。水平螺栓安装紧固扭矩980N m。（20）柴 油 机 讲 义（四）气缸组（四）气缸组汽缸组是由汽缸套、水套和橡胶水封圈等组成。