第2章 柴油机的总体结构及主要零部件

第二章 柴油机的总体结构及主要零部件
因柴油机是一种往复式压缩发火的内燃机，所以其总体结构及主要零部件都是围绕完成此功能而设置的。

柴油机是推动船舶前进的根本动力设备，了解其结构组成及功能，做好维护管理工作是极其重要的。

统计表明，船用柴油机主要零部件发生的故障占柴油机故障总数的90％左右，而其中近一半的故障又集中发生在燃烧室部件上。

这些故障直接影响柴油机的技术性能指标，与航行安全密切相关。

第一节 柴油机的总体结构概述
一、
总体结构示意图，如图2-1所示。

二、柴油机的基本组成
船用柴油机结构比较复杂，它由许多零件、机构和系统组成。

尽管各柴油机厂商制造的柴油机结构、型号各不相同，但他们在工作原理和总体结构上有很多共同之处。

柴油机主要由以下部件和系统组成：
1．主要固定件
柴油机的主要固定件由机座、机架、气缸体和气缸盖等组成。

中小型柴油机常将气缸空冷器机座
曲轴 机架 十字头 缸套 活塞 活塞杆
连杆大端轴承 图2-1 船用柴油机总体结构示意图
体和机架做成一体称为机体，并用轻便的油底壳代替机座。

它们构成了柴油机的骨架，支撑着运动件和辅助系统。

2．主要运动件
柴油机的主要运动件由活塞、连杆组件及曲轴组成，对于大型低速柴油机还有十字头组件。

活塞的顶部、气缸套的内壁以及气缸盖的底部共同组成了燃烧室空间，既保证了柴油机工作过程的顺利进行，又将活塞的往复运动通过连杆转变为曲轴的回转运动，从而将燃气推动活塞的动力通过曲轴以回转的方式向外传递。

3．动力和辅助系统
（1）起动系统
起动系统是借助于外力带动曲轴回转，并使其达到一定的转速，由活塞压缩气缸内气体使其具有足够的温度和压力，以实现柴油机的第一次发火燃烧，由静止转入工作状态。

柴油机起动的方式大致有两种：一种是借助于外力矩使曲轴转动起来，如人力手摇起动、电机起动和气马达起动等；另一种是借助于加在活塞上的外力推动活塞使曲轴旋转起来，如压缩空气起动。

目前远洋船舶上的柴油机起动系统普遍采用压缩空气起动系统，它由空气压缩机、主空气瓶、主起动阀、空气分配器、起动控制阀和气缸起动阀组成。

（2）换气系统
柴油机的换气系统包括消音器、进排气管、消音器、增压器和空冷器（对于增压柴油机）以及为完成换气所需的换气机构，包括进排气阀、气阀传动机构、凸轮轴及凸轮轴传动机构等。

它们的作用是按照工作循环的需要，定时地向气缸内供应充足、清洁的新鲜空气，并将燃烧后的废气排出气缸。

（3）燃油系统
燃油系统主要由燃油供给系统和燃油喷射系统组成。

燃油供给系统是把符合使用要求的燃油畅通无阻地输送到喷油泵入口端。

该系统通常由燃油的加装和测量、贮存、驳运、净化处理、供给五个环节组成。

燃油喷射系统一般由喷油泵、喷油器和高压油管组成，其作用是定时、定量地向燃烧室内喷入雾化良好的燃油，保证燃烧过程的进行。

（4）润滑系统
润滑系统的作用是将清洁的润滑油送至柴油机的各运动件摩擦表面，起到减磨、冷却、清洁、密封和防锈的作用，保证柴油机正常持续地工作。

大型低速柴油机通常由气缸注油系统和曲轴箱油系统两部分组成，而中小型柴油机只有曲轴箱油系统（也称之为机油系统）。

（5）冷却系统
冷却系统由泵、冷却器和温度控制器等组成。

船舶柴油机通常以淡水和滑油作为冷却剂进行流动，将受热零部件所吸收的热传导出去，保证零部件有正常的工作温度和工作间隙。

冷却部件后的淡水和滑油又常被海水再冷却，以备循环使用。

（6）操纵和控制系统
操纵系统是控制柴油机起动、换向、调速、停车功能的一系列装置的统称，它是一个复杂的系统。

按操纵方式的不同可分为：机旁手动操纵系统、机舱集中控制室控制系统和驾驶台控制系统。

三、几种常见船用柴油机的典型结构
在国际上，船用柴油机生产厂家主要有：丹麦-德国的MAN B&W公司；德国MTU公司、道依茨(DEUTZ) 公司、马克(MAK)公司、曼海姆(MWM)公司、SKL公司；法国的皮尔斯蒂克(S.E.M.T) 公司；芬兰的瓦锡兰(Wärtsilä NSD)公司（收购瑞士的苏尔寿(SULZER)公司后称为瓦锡兰新苏尔寿公司）；荷兰的斯托克(STORK) 公司；美国的卡特比勒(CAT)公司、康明斯(CUMMINS) 公司；挪威的CKD公司、贝尔根(BERGEN)公司；日本的阪神(HANSHIN)公司、赤阪(AKASAKA)公司、大发(DAIHATSU)公司、久保田(KUBOTA)公司、三菱(MITSURISH)公司、新
泻(NIIGATA)公司、洋马(YANMAR)公司；英国的罗斯顿(RUSTON)公司，等等。

随着船舶柴油机技术的发展，MAN B&W公司生产的MC/ME系列柴油机和Wärtsilä瑞士公司生产的SULZER RTA/RT-flex系列柴油机已成为二冲程十字头式柴油机市场的主导产品，而Wärtsilä，MAN B&W，Mak等公司的产品则在四冲程中速柴油机市场占主导地位。

下面以MAN B&W公司生产的S50MC-C型柴油机和Wärtsilä 32型柴油机为例介绍低速二冲程柴油机和四冲程柴油机的总体结构。

1．MAN B&W公司的S50MC-C型柴油机
自1982年MC系列柴油机投入使用以来，这一系列柴油机已成为最经常被选用的船用主机，占据了市场的最大份额。

在20来年的发展过程中，这一系列的柴油机仍在不断地改进和发展，新经验、新技术、新材料都在柴油机的发展过程中得到体现，MC-C型柴油机就是近年内发展起来的广泛用于货船主机的一个机型。

MC-C型柴油机首先是在大缸径机上实现的，这些柴油机是为了大型集装箱船而设计制造的，相对原机型转速有所提高。

根据市场需求，MAN B&W公司又推出了中缸径的MC-C型柴油机（S50，S60及S70MC-C）。

S-MC-C系列柴油机的发展目标是，在提高功率输出的前提下改善可靠性，减轻重量，缩短柴油机的长度，这就是“C”紧凑型的概念。

一般来说，对相同尺寸的柴油机其长度缩短约10％，功率则上升10％，如：S50MC-C的气缸中心距从S50MC 的890mm下降到850mm，6S50MC-C型机的长度比6S50MC的长度短240mm。

S50MC-C型机在结构上的最明显特征是以双贯穿螺栓代替了传统的单贯穿螺栓；机座在不增加宽度的情况下将地脚螺栓移至外侧，这样，简化了焊接工艺并有利于厂家的安装。

在气缸体设计上，S50MC-C的显著特点是气缸体的高度减小，使其重量变轻，加工制造和维护管理更加方便。

特别是将凸轮轴箱和气缸体做成一体，并取消了气缸体内的冷却水腔。

新型的S-MC-C柴油机所有的大型轴承普遍采用现代的薄壁轴瓦结构，轴承材料采用Sn40Al，这大大地提高了主轴承的可靠性。

由于S50MC-C型柴油机的行程缸径比已经达到了4.0，最高燃烧压力达到15.0MPa，对曲轴刚度和轴承负荷影响很大。

因此在曲轴设计上采用加大主轴颈和曲柄销直径的方法，并减少轴颈的长度。

轴颈直径的增加和长度的缩短增强了曲轴的刚度，弥补了S/D值增大对刚度的影响，而轴颈直径的加大又可以增加轴承的承载面积，在相同的轴承负荷下缩短轴颈长度，当然这也和采用新型轴承材料有关。

轴颈的缩短使气缸中心距和整机长度减小，减轻了机器的重量，也可以使机舱空间减小，从而增大用于营运的船舶容积。

S50MC-C型柴油机采用短连杆结构，降低了机器的高度，减轻了机器重量，并可以减少振动和降低成本。

其十字头销设计成非常简单的直段轴形，省去了两个端销，直径也缩小了。

这样既简化了加工过程，又减轻了重量。

在活塞结构上采用了低置活塞环组，提高活塞顶岸高度，这对气缸工作非常有利。

活塞顶岸高度的提高也使气缸盖与气缸套接合面降低成为可能，这使得气缸盖与气缸套接合面以及气缸套的热负荷降低，改善工作条件。

主要的热负荷由钢制的气缸盖承受（钢制的气缸盖的抗热负荷能力比铸铁缸套要大），使其可靠性提高。

2．Wärtsilä 32型中速柴油机
Wärtsilä 32型中速柴油机是以在燃烧技术上取得的最新成就为基础而设计制造的。

它具有氮氧化物排放率低、可靠性高、维护管理方便、运转费用低等优点。

在结构上有下列特点：
柴油机的机体用球墨铸铁铸造。

将所有的油水管路设置在机体之内，外部非常简洁。

柴油机采用弹性底座，减少了柴油机振动向外传递。

柴油机的曲轴是整体锻造的并进行了全面的机加工，对曲轴直径和过渡圆角仔细优化和对轴承负荷精心计算，并且在每个曲柄臂上都装有平衡重。

曲轴在高的气缸压力下工作可
靠，轴承负荷控制得好，柴油机的总体长度达到最小。

主轴承采用倒挂式，通过选择最合适的轴承材料和对关键区域油槽的优化设计，保证了足够的油膜厚度，确保了轴承的良好工作。

Wärtsilä 32型柴油机的活塞在裙部设有润滑装置，使之可靠润滑并使摩擦损失降到最低。

在活塞上仅装有两道压缩环和一道刮油环，第一道设有特殊的耐磨层，使摩擦损失达到最小。

缸套的上部加高加厚，钻孔冷却。

在缸套内部上端设有一个防磨环，可磨去活塞头部积炭。

采用船用大端连杆，对于这种持续在高燃烧压力下工作的柴油机而言，这种连杆是最安全的，螺栓用液压工具同步上紧。

缸盖采用四螺栓结构，通过内部结构设计使其具有最大的刚度，可以确保阀和阀座的均匀接触。

进排气道采用流体力学优化设计，使流动损失最小。

气缸盖上采用多管道元件代替了传统柴油机上单独元件的结构，可以完成空气进入气缸、废气排至排气系统、冷却水从气缸盖排出等多项功能。

增压系统采用脉冲增压系统和单管脉冲增压系统并带有废气和空气旁通阀，确保了废气侧和空气侧最小的流动损失。

冷却水系统分为两个系统，即高温淡水系统和低温淡水系统。

气缸套和气缸盖及增压空气冷却器等由高温淡水系统冷却，系统温度保持在约95℃，保证燃用低质燃料油时的良好工作。

而低温淡水系统则用于冷却增压空气冷却器的低温部分及滑油冷却器。

对于动力装置总体来讲，这种冷却方式能够获得最大的热回收和总体效率。

第二节燃烧室部件
燃烧室部件是柴油机中最重要的部件，包括活塞组件、气缸盖组件和气缸组件。

当活
塞处于上止点时，由气缸盖底面、
气缸套内表面及活塞顶共同组成的
燃料与空气混合和燃烧的这一空间
称为燃烧室，如图2-2所示，柴油
机的主要工作是在这里完成的。

一、活塞组件
1．活塞的作用及工作条件
活塞是柴油机中的关键部件，
可分为十字头式活塞和筒型活塞两
大类。

它既是燃烧室部件的组成部
分，又与连杆、曲轴等部件组成运
动机构。

活塞的主要作用是在保证
密封的情况下完成压缩和膨胀过
程，并将气体力传递给曲轴。

在筒
型活塞式柴油机中，活塞还承受并
传递侧推力，起着滑块的作用；在
二冲程柴油机中活塞还启闭气口，
控制换气。

图2-2燃烧室
在柴油机工作中，活塞头部受
到燃气高温、高压、烧蚀和腐蚀作
用。

工作中的柴油机活塞承受着 燃烧室近400℃的高温和高达15MPa 左右的高压，热负荷和机械负荷很高，而材料在高温下性能降低，所以在工作中容易发生裂纹和变形。

活塞与气缸之间还会产生摩擦和撞击。

由于活塞所处的温度高、受燃气冲刷、自身往复运动等使它和气缸之间不可能建立完全的液体动压润滑，因此摩擦损失大，磨损较快。

在中、高速柴油机中，由于活塞的往复惯性力较大，将造成柴油机振动加剧。

由于活塞对柴油机的动力性、经济性和可靠性影响很大，因此要求活塞强度高、刚度大、密封可靠、散热性好、冷却效果好、摩擦损失小、耐磨损。

对中、高速柴油机还要求活塞重量轻，惯性小。

活塞所用的材料主要有三种：铸铁（合金铸铁、球墨铸铁）、钢（碳钢、耐热合金钢）和铝合金。

铸铁的耐磨性好，机械强度高，线膨胀系数小，活塞与气缸之间允许有较小的间隙，价格也相对便宜，是应用最多的、最基本的材料。

缺点是密度大、导热性比铝合金差；
钢的机械强度高，但耐磨性差，成本较高，主要用于大功率中低速柴油机活塞头；铝合金的比重小，导热系数高，但高温强度差，线膨胀系数大，活塞与气缸之间的冷态间隙较大，会造成冷车起动困难，耐磨性也较差，成本较高，仅用于中小型高速柴油机。

2．筒形活塞式柴油机活塞的构造
图2-3 筒型活塞(Wärtsilä 32)
1-活塞裙;2-卡簧;3-活塞销;4-刮油环槽;5-压缩环槽;6-活塞头;A-冷却腔;B-避让坑;C-注油孔
筒形活塞式柴油机活塞由活塞头、活塞裙和活塞销组成。

对于中型强载柴油机，活塞头部和裙部是分开制造的；而对于强化程度不大的柴油机及小型柴油机，通常将活塞头和活塞裙制成一体，称之为活塞本体。

如图2-3所示为Wärtsilä 32型柴油机的活塞。

此种柴油机活塞头部由铸钢制造，活塞裙由球墨铸铁制造，并用柔性长螺栓连接在一起。

浅盆型活塞顶与气缸盖的平底面相配合，形成一定形状的空间，以适应喷油器所喷出的油束形状，利于油、气混合和燃烧。

活塞顶部四周突起，在与气阀开启相干涉的部位铣出避让坑。

活塞头的环带上车有两道压缩环槽和一道刮油环槽。

活塞头和活塞裙之间的空间为冷却腔。

活塞采用滑油冷却，滑油由曲轴、连杆、活塞裙和活塞销中的通道送至环形冷却腔，再由此流入中央冷却腔，最后由冷却腔的中央孔泄至曲轴箱中。

中央孔的位置高低及孔径大小的设置，保证了振荡冷却（关于“振荡冷却”见后“活塞的冷却”叙述）的实现。

活塞头是钢制的，活塞顶板和侧壁较薄，冷却腔较大，使冷却油振荡作用加强，提高了传热效果。

活塞顶的这种结构解决了“欲降低燃烧室机械负荷就应采用厚壁结构”与“欲降燃烧室热负荷就应采用薄壁结构”二者之间的矛盾，即：燃烧室壁面薄可以减少热应力，在薄壁的背面设置强有力的支撑（厚壁）可以降低机械应力。

这种结构就是“薄壁强背”结构。

Wärtsilä 32型柴油机的活塞的裙部设有四个润滑油孔，其贮油作用确保了活塞环和活塞裙的可靠润滑并使摩擦损失降低到最小。

每个活塞上的压缩环及刮油环数量减少且第一道环设有特殊的耐磨层，这使得摩擦损失达到最小。

筒型活塞式柴油机活塞的活塞裙，除承受气体力的作用外，还受到较大的侧推力的作用，所以要坚韧耐磨。

对于圆筒形的活塞裙，活塞销处金属较多，当受热时会使活塞销轴线方向的膨胀较大；活塞裙在侧推力作用下也会使活塞销沿轴线方向伸长，这样，在工作时活塞裙变成了椭圆形，使活塞和气缸发生卡阻。

为了避免这种现象，Wärtsilä 32型柴油机的活塞裙在设计阶段就除去了这部分金属。

有的筒形机活塞裙部设计成椭圆形，长轴在垂直活塞销轴线方向，短轴在活塞销轴线方向，也是为了避免运行中活塞和气缸卡阻。

3．十字头式柴油机活塞的构造
十字头式柴油机活塞
由活塞头、活塞裙、活塞环、
活塞杆和活塞冷却机构组
成。

如图2-4所示为MAN B&W
的S50MC-C 型柴油机活塞。

十字头式柴油机活塞
用于大型低速柴油机，活塞
主要由活塞头和活塞裙两部
分组成。

活塞头用螺栓固定
在活塞杆的顶部，活塞裙由
螺栓固定在活塞头上。

由于
活塞头部与燃气接触(其相
对散热面积F/V h 很小)，承
受高温和高压，活塞裙部与
气缸套接触，产生摩擦和磨
损，为了合理使用材料、方
便制造及满足不同工作条件，活塞头和活塞裙分别用耐热合金钢和耐磨铸铁制造。

活塞头的顶部呈下凹形，以利于燃油和空气混合。

活塞头的内部支撑也体现了薄壁强背
图2-4 十字头式柴油机活塞
1-活塞杆；2-冷却油管；3-活塞裙；4-活塞环；5-活塞头
的设计原则。

活塞头的侧面有四道镀铬的活塞环槽构成活塞环带，以装配活塞环密封燃烧室。

由于第一、二道环承受的气体压力较高，环的高度较高。

第一道环采用压力释放环，为重叠搭口，其上有6个释压槽，可以使第一、二道环承受的气体压力更加均匀。

第二、三、四道环为斜搭口。

活塞头的顶部环槽在吊缸时用于安装起吊工具。

该活塞环在结构上采用了低置活塞环组，提高活塞顶岸（活塞顶至第一道环的距离）高度，这对于柴油机气缸工作是非常有利的。

由于活塞环位置的降低，活塞环处于温度较低的区域，离燃气区较远，使燃烧产物不易进入摩擦面，活塞环工作条件和润滑性能改善，活塞环组的工作性能提高，活塞的磨损大大减轻。

因十字头式活塞不受侧推力的作用，活塞裙为圆筒状。

对于直流扫气柴油机，活塞裙做得较短。

活塞杆由锻钢制造，表面经硬化处理。

工作中活塞杆承受气体力和惯性力的作用，一般不受拉力只受压力，因而应有足够的抗压强度。

又因它的长度与直径的比值较大，所以还要满足压杆稳定性的要求。

活塞杆的底部与十字头连接，并由十字头上的凹槽定位。

为了适应不同工况，可在活塞杆与十字头之间装配调整垫片，用以调整压缩比。

活塞杆用4个螺栓与十字头固紧。

活塞采用滑油冷却，在空心活塞杆顶端固定着滑油管。

冷却油由固定在十字头上的套管供入，经十字头与活塞杆底部的钻孔进入活塞杆中的滑油管内部，再进入活塞头的冷却油腔，通过活塞头支撑部分的油孔到达外部环形油腔，冷却活塞后经滑油管外的环形空间和十字头流出。

4．活塞环
根据所起的作用不同分为压缩环（也叫气环）、刮油环和承磨环三种。

压缩环的主要作用是用来保证活塞和气缸之间在相对运动条件下的密封，在两种形式的柴油机上都采用；刮油环的主要作用是除去气缸套表面过多的滑油，通常用于筒形活塞式柴油机；承磨环的主要是专为活塞与气缸的磨合而设置的，一般应用在十字头式柴油机活塞裙比较长的活塞上。

活塞环的工作条件十分恶劣，第一道活塞环直接受到高温高压燃气的作用，其它环由于燃气经环的搭口、气缸壁面和环槽处漏泄，也受到燃气的不同程度的作用。

由于受到气体压力、活塞环往复运动的惯性力和与气缸套间产生的摩擦力、活塞横向振动和气口挂壁等作用，活塞环在环槽中产生十分复杂的运动，如轴向运动和轴向振动、径向运动和径向振动，回转运动、扭曲振动等。

另外，由于气缸套在磨损后上下有一定的圆柱度误差，使活塞环在上下往复运动过程中在自身弹力作用下产生张合、收缩的交变运动。

这种严重的摩擦与磨损、振动、弹性张缩以及与气口挂碰等作用可能使活塞环产生裂纹与折断。

柴油机在运行中，还会因燃烧不良、滑油过多将活塞环粘着在环槽中使活塞环失去密封作用，造成燃烧室窜气而烧损活塞环。

因此要求活塞环应有良好的密封性能，且要耐磨，特别是抗熔着磨损的性能要好；要有适当的弹性、足够的强度和热稳定性。

活塞环的材料要弹性较好、摩擦系数小、耐磨、耐高温；要有良好的初期磨合性、贮油性和耐酸腐蚀能力。

一般可采用合金铸铁（加硼、高硅）、可锻铸铁、球墨铸铁。

为了提高活塞环的工作性能常采用的结构措施和制造工艺有：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以利润滑；环外表面镀铜以利磨合；环外表面喷钼以降低粘着磨损等。

（1）压缩环（气环）
压缩环的主要作用是防止气缸中的气体漏泄和将活塞上的部分热量传给气缸。

压缩环的密封作用是依靠本身的弹性和作用在它上面以及漏到环内侧的气体压力，使环紧紧贴合到气缸壁和环槽下壁上，如图2-5所示。

这样就阻止了气体通过活塞与气缸壁之间的间隙漏至气缸下部空间。

但由于活塞环在气缸中要留有搭口间隙，因此正常工作的压缩环也不能完全
阻断燃气的漏泄，另外活塞环还可能出现失效，因此为了提高密封效果，一个活塞上要设多道活塞环。

但活塞环越多，活塞环与缸套之间的摩擦
损失也就越大，通常高速柴油机安装4-6道环，低速
柴油机装2~4道环（现代低速柴油机随着技术的改进，
其活塞环数量也越来越少）。

第一道活塞环由于高温高
压燃气的直接作用，承受的负荷最大，向下依次减弱，
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4~6道压力释放槽，以
使第一、二道环的负荷更加均匀，如图2-4所示。

压缩环的结构形式多种多样，根据其断面形状可
分为矩形环、梯形环、倒角环、扭曲环等，如图2-6所示。

(a)为矩形环，(b)为梯形环，(c)为倒角环，(d)、
(e)为扭曲环。

矩形环制造简单，应用最广，但温度超过200℃时容易结焦卡死；梯形环因间隙可变促进了磨合，防止了烧结，允许环槽温度较高；倒角环在工作初期承压面积少，容易磨合，但因在高压气体下会被推向槽内，因此不宜作第一、二道环；扭曲环是环的棱边与环槽壁和缸壁接触，提高了密封性。

梯形环、倒角环和扭曲环用在中、高速柴油机中。

压缩环根据其搭口形状可分为直搭口、斜搭口和重叠搭口，如图2-7所示。

直搭口和斜搭口结构简单，加工方便。

把直搭口改为斜搭口的目的是为了改善其密封性，斜搭口倾角
通常为300~450，以450为多。

重叠搭口气密性好，但容易折断。

为了减少通过搭口的漏气，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。

气环的泵油作用是由活塞环在缸壁上的刮油作用和
在环槽中的挤油作用引起的。

活塞环在环槽中的运动是
由气体力、惯性力和摩擦力的合力决定的。

在进气过程
中，如图2-8(a)所示，如果合力向上，环就紧压在环槽
顶面上，环在运动中把缸壁上的油刮到环槽中。

当活塞
经过下止点回行时，环所受的合力向下，环由槽的顶面
移向底面，把环槽中的油由下方挤到上方，如图2-8(b)
所示。

而第一道环槽上方的油被挤入燃烧室。

气环在其
他工作过程中也有类似的运动，随着柴油机工作循环的
进行，滑油就从一道环到另一道环逐渐泵上去，最后被图2-8 气环的泵油原理
图2-5 压缩环的密封作用
图2-6 气环的断面形状
图2-7 气环的搭口形式。