成人教育毕业设计（论文）-柴油机常见故障的分析及维修.doc

中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 i 教学单位 学生学号 XXX 大学（学院） 毕 业 设 计 (论文) 题 目： 年 级： 学 号： 姓 名： 专 业： 指导教师： 2011 年 6 月 19 日 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 ii 摘要摘要 自1897年法国德裔工程师狄塞尔发明四冲程柴油机以来，由于它明显 地提高了热效率而引起人们的重视广泛应用在工农业、交通运输、国防及 人民日常生活中。本文阐明了它的工作原理及优越性，对于其主要部件的 技术参数、结构和工作性能等作了详细的介绍。阐述了它在钻井、修井业 方面的广阔应用。本文通过建立故障树，对柴油机系统进行故障分析，使 我们能更直观的了解柴油机系统的故障机理及产生故障的具体原因，并提 出了合理的维护及维修建议。通过建立柴油机系统管理数据库，为管理和 查询柴油机系统故障提供依据。 关键词：关键词：柴油机；特点；故障分析；故障树；数据库 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 iii 目录目录 前言.1 第 1 章柴油机介绍.1 1.1 柴油机概述 .3 1.2 柴油机系统的机构及工作原理 .5 1.3 柴油机的特点 .24 第 2 章国内外柴油机发展趋势.25 2.1 柴油机的发展趋势.26 2.2 国内柴油机系统发展现状 .29 第 3 章 柴油机常见故障的分析及维修建议.32 3.1 柴油机各机构故障分析及维修建议 .32 3.1.1 柴油机曲柄连杆机构故障分析 .32 3.1.2 柴油机配气机构故障分析 .34 3.1.3 柴油机及进排气系统障分析 .35 3.2 建立故障关系树模型 .46 3.3 建立数据库查询系统 .47 结论 .48 致谢 .49 参考文献 .50 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 1 前言前言 柴油机属于压缩点火式发动机，它又常以主要发明者狄塞尔的名字被 称为狄塞尔引擎。 柴油机在工作时，吸入柴油机气缸内的空气，因活塞的运动而受到较高程 度的压缩，达到 500700的高温。然后将燃油以雾状喷入高温空气中， 与高温空气混合形成可燃混合气，自动着火燃烧。燃烧中释放的能量作用 在活塞顶面上，推动活塞并通过连杆和曲轴转换为旋转的机械功 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 2 第第 1 1 章章 柴油机的介绍柴油机的介绍 1.1 柴油机概述 柴油机是用柴油作燃料的内燃机。柴油机属于压缩点火式发动机，它 又常以主要发明者狄塞尔的名字被称为狄塞尔引擎。 柴油机在工作时，吸入柴油机气缸内的空气，因活塞的运动而受到较 高程度的压缩，达到500700的高温。然后将燃油以雾状喷入高温空气 中，与高温空气混合形成可燃混合气，自动着火燃烧。燃烧中释放的能量 作用在活塞顶面上，推动活塞并通过连杆和曲轴转换为旋转的机械功。 柴油机可按不同特征分类：按转速分为高速、中速和低速柴油机； 按燃烧室的型式分为直接喷射式、涡流室式和预燃室式柴油机等；按气缸 进气方式分为增压和非增压柴油机；按气体压力作用方式分为单作用式、 双作用式和对置活塞式柴油机等；按用途分为船用柴油机、工程机械柴油 机等。 柴油机种类繁多。按工作循环可分为四冲程和二冲程柴油机。按 冷却方式可分为水冷和风冷柴油机。按进气方式可分为增压和非增压 （自然吸气）柴油机。按转速可分为高速(大于1000转分)、中速 （3501000转分）和低速（小于350转分）柴油机。按燃烧室可分 为直接喷射式、涡流室式和预燃室式柴油机。按气体压力作用方式可分 为单作用式、双作用式和对置活塞式柴油机等。按气缸数目可分为单缸 和多缸柴油机。按汽缸直径190、150、135(mm)等按用途可分为 船用柴油机、机车柴油机、汽车柴油机、发电柴油机、农用柴油机、工程 机械用柴油机等。 柴油机燃料主要是柴油，通常高速柴油机用轻柴油；中、低速柴油机 用轻柴油或重柴油。柴油机用喷油泵和喷油器将燃油以高压喷入气缸，喷 入的燃油呈雾状，与空气混合燃烧。因此柴油机可用挥发性较差的重质燃 料或劣质燃料，如原油和渣油等。 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 3 柴油机已实施出口产品质量许可制度，未取得出口质量许可证的产品 不准出口。1 1.2 柴油机结构及工作原理 (1)、结构。柴油机的基本组成部分包括： 1、 曲柄连杆机构； 2、 配气机构及进排气系统； 3、 燃烧与燃料供给系统； 4、 润滑系统； 5、 冷却系统； 6、 起动系统； 7、 增压系统； 8、 机体组件。 如图1-1， 1-2， 1-3， 1-4，1-52分别为12V190B型柴油机右侧、左侧、 横剖，纵剖及配套后右侧视图 图1-1 12V190B型柴油机外观（右侧） 1调速器；2喷油泵；3喷油泵支架；4燃油进气接头；5硅油减震器；6机油预热管接 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 4 头； 7放油阀门； 8“高温循环”水泵；9单向阀-调压阀；10手摇机 油泵；11机体进水管；12仪表盘；13机油冷却器；14机油滤清器；15右进气管；16 中冷器 图1-2 12V190B型柴油机外观（左侧） 17左进气管；18飞轮-连接器；19通气管；20离心滤清器；21机体；22柴油滤清器； 23油底壳；24低温循环泵；25油标尺座；26柴油输油泵；27转速表传动装置； 28操纵装置；29汽缸盖；30回水管；31增压器；32总排气管 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 5 1-3 12V190B 型柴油机横剖试图 33喷油器；34活塞；35汽缸套；36机油泵支架；37机油泵；38连杆；39机体水道； 40进气门；41气门摇臂；42推杆 B 图 1-4 12V190B 型柴油机纵剖图 43排气管；44油压低自动停车装置；45滚轮摇臂；46滚轮摇臂轴；47凸轮轴；48主 油道；49曲轴；50空气分配器 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 6 图 1-5 PZ12V190B 型柴油机配套机组 1空气滤清器；2风扇；3散热水箱；4底盘 一、曲柄连杆机构 曲柄连杆机构是由活塞组，连杆组、曲轴和飞轮等部件。它是柴油机实现 能量转换和传递扭矩的核心部件之一。 1、活塞组 活塞组的一般结构如图 1-62（12V190B 型柴油机；后同）所示。它 是由活塞环（包括气环 1 和油环 2、3） 、活塞销 5 等零件所组成。 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 7 图 1-6 12V190B 型柴油机活塞组 1气环；2上片油环；3下片油环；4活塞；5活塞销；6挡圈 活塞组的主要功用有 a、与气缸盖构成工作容积和燃烧室，依靠活塞 上下移动，使气缸容积周期的改变，从而实现柴油机的进气、压缩、膨胀、 排气等过程。b、承受燃气的压力作用，并通过连杆传给曲轴。C、密封气 缸，防止燃气漏入曲轴箱内，并阻止过多的机油窜入气缸内。 2、连杆组 连杆组的组成如图 1-72所示。它是由 a、连杆体 1、连杆盖 6、连杆 螺栓 7、螺母 3、连杆轴瓦 5、小头衬套 2 等部件组成。 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 8 图 1-7 Z12V190B 型柴油机连杆 1连杆体；2小头衬套；3连杆螺母；4垫圈；5连杆轴瓦；6连杆盖；7；连杆螺 栓；8定位销；9工艺定位凸台 连杆组的主要作用是连接曲轴和活塞，把作用在活塞上的力传给曲轴， 将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动。 3、曲轴组 曲轴组的主部件和结构如图 1-82（曲轴箱内）和 1-92 (飞轮-连接器)。 曲轴组的作用是把活塞往复运动变成旋转运动，将作用在活塞上的气 体压力变成扭矩，用来驱动工作机械和柴油几个辅助系统进行工作。 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 9 图 1-8 12V190B 型柴油机曲轴组 1曲轴；2销钉；3平衡块；4平衡块螺钉；5飞轮连接盘；6、8甩油盘；7定时齿 轮；9挡油螺纹环；10、13垫圈；11圆螺母；12减震器座；14螺母；15油堵 图 1-9 12V190B 型柴油机飞轮-连接器 1齿圈；2连接盘；3飞轮；4金属橡胶座；5功率输出盘；6定位套；7单列向心 球轴承；8定位密封盘 4 其它部件 曲柄连杆机构除上述三个工作组件外还有减振器（图 1-102）和轴承。 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 10 图 1-10 12V190B 型柴油机硅油减震器 1外壳；2盖板；3橡胶密封圈；4硅油；5夹布胶水轴承；6惯性体；7螺堵 二、配齐机构及进排气系统二、配齐机构及进排气系统 1、配气机构 配齐机构分为气门式和气孔式，鉴于钻井用柴油机所用为顶置气门式， 这里只对顶置气门式配气机构进行介绍。其结构如图 1.7，主要包括凸轮 轴 11、滚轮摇臂 9、推杆 8、气门摇臂 7 摇臂横桥 5 气门弹簧 3 和气门 1 等组成。 配气机构是实现柴油机进气过程和排气过程的控制机构。它的作用是 按照柴油机的的工作次序，定时地打开或关闭气缸的进气门和排气门，是 新鲜空气进入汽缸，并把燃烧后的废气从汽缸内排除出去。 柴油机的传动系统在传动箱内排布如图 1-11-12 。 柴油机的传动系统的公用是将曲轴的旋转运动传到个辅助系统，带动 它们运转，如凸轮轴（1-11-22） 、喷油泵、空气分配器等。 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 11 图 1-11 Z12V190B 型柴油机配气机构 1气门；2气门导管；3气门弹簧；4导柱；5摇臂横桥；6调整螺钉；7气门摇臂； 8推杆；9滚轮摇臂；10摇臂轴；11凸轮轴 图 1-11-1 Z12V190B 型柴油机传动系统 1凸轮轴正时齿轮；2、3、6、9中间齿轮；4水泵齿轮；5机油泵传动齿轮；7法兰； 8曲轴正时齿轮 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 12 图 1-11-2 Z12V190B 型柴油机凸轮轴与摇臂轴 1螺帽；2定时齿轮；3钢圈；4止推法兰；5前段凸轮轴；6销钉；7后段凸轮轴；8 第一摇臂轴；9滚轮摇臂；10中间隔套；11隔环；12第二摇臂轴；13第三摇臂轴 3、进、排气系统 进气系统包括进气管（图 1-12-12）和空气滤清器（1-12-22） 、汽缸 盖中的进气气道等。 排气系统包括汽缸中的排气道、排气管（图 1-12-32）和效益灭火器 等。 图 1-12-1 Z12V190B 型柴油机进气管 1中冷进气盖；2密封连接盘；3密封接头；4增压器出气弯管；5、6进气管；7密封盘； 8进气腔 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 13 图 1-12-2 Z12V190B 型柴油机旋风式空气滤清器 1蝶形螺母；2罩盖；3离心元件；4离心元件体；5上体；6、7密封圈；8下体； 9搭扣；10支承体 图 1-12-3 Z12V190B 型柴油机排气管 1排气总管；2波纹膨胀管；3排气支管；4密封连接盘；5密封接头；6排气支管 三、柴油机燃烧过程与燃料供给系统三、柴油机燃烧过程与燃料供给系统 1、燃烧室分为统一式燃烧室（图 1-13-12 12V190B 型柴油机燃烧室） ， 半分开式燃烧室，球型油膜燃烧室，复合式燃烧室。 图 1-13-1 Z12V190B 型柴油机燃烧室 1喷油器；2燃烧室 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 14 2、喷油泵（又称高压油泵）是柴油机的心脏，燃料供给系统最重要的 一个部件。其结构如图 1-13-22，其传动装置如图 1.9-32 图 1-13-2 Z12V190B 型柴油机左喷油泵 1出油阀紧座；2放气塞；3出油阀；4柱塞偶件；5回油管接；6齿条；7齿条限位螺 钉；8弹簧；9弹簧座；10飞轮；11密封圈；12单列圆锥滚子轴承；13凸轮轴；14 滚轮体组；15下体；16前盖板；17进油管接；18上体；19油标尺 图 1-13-3 Z12V190B 型柴油机喷油泵传动装置 1轴承座；2止推套；3垫圈；4油孔；5喷油泵支架；6主动锥齿轮；7护套；8前 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 15 盖板；9传动轴；10被动锥齿轮；11推力球轴承；12油封；13齿轮联轴器 3、喷油器 4、调速器其结构如图 1-13-42 5、燃油箱，输油泵，燃油滤清器（如图 1-13-52） 图 1-13-4 Z12V190B 型柴油机全制式调速器 1调速齿轮；2放油螺钉；3支架；4转子；5固定销；6滚轮；7滑套；8飞铁；9润 滑油面高度螺钉；10滚轮；11调速杠杆；12加油塞；13调速弹簧；14拉杆螺钉； 15后 壳；16前壳；17停车摇臂；18滤清器；19紧急停车手柄；20调速弹簧摇杆； 21操纵杆 图 1-13-5 Z12V190B 型柴油机燃油滤清器 1放气螺塞；2滤清器盖；3垫片；4放气管接；5、10毛毡密封圈；6回油管接；7滤芯； 8滤清器外壳；9心杆；11弹簧；12放油螺堵；13进油管接；14出油管接；15旋阀 四、润滑系统四、润滑系统 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 16 润滑系统的作用是润滑、冷却、净化、密封、防锈等作用。 润滑系统一般是由油底壳（机油箱图 1-14-12） 、机油泵（图 1-14-22） 、机油泵支架（1-14-32） 、启动机油泵、机油滤清器（图 1-14-42） 、机 油冷却器和调压阀(图 1-14-52)等部件所组成。 图 1-14-1 12V190B 型柴油机油底壳 1壳体；2-防泡板；3-机油预热管；4-油标尺；5-预热管接头；6-放油管接头；7 油温表接头；8- 手动泵接头；9-观察盖 图 1-14-2 Z12V190B 型柴油机机油泵 1泵体；2被动齿轮；3主动齿轮；4油泵盖；5衬套；6翻遍衬套；7定位销 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 17 图 1-14-3 Z12V190B 型柴油机机油泵支架 1支架体；2花键套；3丝堵；4齿轮轴；5推力球轴承；6压板；7隔套；8传动齿轮； ；9安全阀 图 1-14-4 12V190 柴油机机油冷却器 1-通气塞；2-前盖；3-放水阀；4-外壳；5-隔板；6-芯子；7 封闭圈；8 后盖 五、冷却系统五、冷却系统 冷却系统的作用是利用冷却介质将柴油机受热零件所吸收的热量及时 传送出去，保证受热零件在允许的温度条件下正常的工作。 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 18 冷却系统的主要部件有水泵、散热水箱（图 1-15-12） 、风扇（图 1- 15-22） 、机油冷却器、空气冷却器（图 1-15-32） 。 图 1-15-1 12V190B 型柴油机散热水箱 1前排水箱加水口；2后排水箱加水口；3上罩；4膨胀水箱；5回水管；6铜管；7后 排散热器；8前排散热器；9水箱支架；10后水室；11前水室；12后排水箱出水管；13 护罩；14前排水箱出水管 图 1-15-2 12V190B 型柴油机风扇 1减震器；2挡板；3气胎离合器；4气胎离合器进气管接；5摩擦轮；6进气管；7连接盘； 8轴承座；9轴；10支架；11皮带轮；12导气装置； 13皮带轮；14风扇轴；15支承 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 19 套；16风扇；17导风罩 图 1-15-3 Z12V190B 型柴油机中冷器 1出水盖；2芯子组；3垫片；4侧盖；5进水盖；6进水口 六、启动系统六、启动系统（图 1-162） 图 1-16 压缩空气启动装置示意图 1储气瓶；2启动控制阀；3压力表；4空气分配器；5压缩空气管；6气动阀 压缩空气启动是将具有较高压力的压缩空气，按照柴油机各缸发火顺 序充入汽缸，借助于压缩空气在气缸内膨胀，推动活塞移动，带动曲轴旋 转，实现柴油机起动。 压缩空气启动系统主要包括：空气分配器、起动阀、起动控制阀。 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 20 七、机体组件七、机体组件 1、机体 机体的主要功用： a、支撑柴油机所有的运动件，使它们在工作时保持相互准确的位置； b、在机体上加工有水道与油道，保证各零件工作时必要的冷却与润滑； c、安装柴油机各辅助系统部件； d、作为柴油机使用安装时的支承，将柴油机固定在底盘或支架上。 机体的组成： 机体的组成如图 1-17-12所示，是由汽缸体和曲轴箱组成 2、气缸套 气缸套的主要功用是： a、与活塞、气缸盖构成气体压缩、燃烧和膨胀的工作空间； b、做为活塞往复运动的导向面； c、向周围冷却介质传递一部分热量，以保证活塞组件和气缸套本身在 高温、高压环境中正常地工作。 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 21 图 1-17-1 Z12V190B 型柴油机机体 1气缸套；2推杆孔；3油孔；4气缸盖螺栓；5串水孔；6密封罩壳；7启动电动机支架； 8止推片；9止推轴承盖；10通气管；11主轴承盖；12主轴瓦；13离心滤清器体；14机 体；15柴油滤清器支架；16冷却水道盖板；17、28观察孔盖；18机油出口；19自由端主轴 承盖；20主轴承螺母；21主轴承螺栓；22曲轴自由端油封法兰；23齿轮罩壳；24主油道丝 堵；25凸轮轴铜套；26滚轮摇臂轴衬套；27起重螺钉；29排气总管支架；30增压器支架 3、气缸盖（图 1-182） 图 1-18 12V190B 型柴油机气缸盖 1-气缸盖；2-冷却水腔工艺孔；3-水堵；4-取气孔；5-进气口；6-气缸盖螺栓孔；7-气门导管座孔； 8-喷油器座孔；9-气门导管；10-出水口；11-油孔 气缸盖的主要功用是： a、密封气缸，与缸套、活塞构成燃烧室空间； b、构成柴油机的进、排气通道； c、柴油机很多零部件安装在气缸盖上。 4、油底壳 油底壳的作用是封闭曲轴箱，防止赃物进入柴油机机体内。 其结构如图 1-14 2 八、增压系统八、增压系统 功用：通过提高进气压力增加充入气缸内的空气量。其结构如图 1- 192 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 22 图 1-19 20GJ 径流式涡轮增压器 1转子轴；2压气机叶轮；3扩压板；4压气机壳；5扩压器；6中间支承体；7隔 热屏；8喷嘴环；9浮动轴承；10涡轮进气壳；11涡轮端盖；12涡轮 (2)、工作原理： 柴油机是内燃机的一种，它的工作原理与内燃机中的压燃机完全相同。 内燃机的工作过程，就是按照一定的规律，不断的将燃料和空气送入气缸， 并在气缸内着火燃烧，放出热能。燃气在吸收热量后产生高温高压，推动 着活塞做功降热能转化为机械能。 燃料的燃烧，必须有充足的氧气（来自空气）和一定的温度条件下才 能实现。因此，要保证内燃机能够连续的工作，就要不断地将已燃烧做功 的废气排出气缸，然后引进新鲜空气和燃料，并通过压缩以获得着火所必 需的温度。柴油机是通过以下吸气、压缩、爆发、排气（如图 1-202）四 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 23 个 工作过程，来满足上述工作条件的。 图 1-20 单缸四冲程柴油机工作示意图 1、进气过程将新鲜空气吸入气缸，提供燃料燃烧时所需要的氧气。 燃烧公斤柴油，理论上需要 14.3 公斤空气，但由于柴油与空气的混合总 是很不均匀，为了使柴油得到充分燃烧，空气总是要供应的富裕些，一公 斤柴油往往要供给 20 多公斤空气。 2、压缩过程将吸入气缸的空气进行压缩，使其温度升高。对柴油 机来讲，压缩后的温度，必须超过柴油的自然点温度（约大于 350 摄氏度） 3、燃烧膨胀过程将燃料喷入气缸，与氧气急剧的氧化作用（即燃 烧）放出大量的热量，使气体温度和压力急剧上升，推动活塞做功。 4、排气过程将膨胀做功后的废气排出，以便再吸入新鲜空气。 上述过程周而复始的不断重复进行着，每个过程依次完成一遍称为一 个工作循环。 1.3 柴油机的特点 一、柴油机与外燃机比较。具有以下优点 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 24 1、热效率高：目前柴油机的最高效率可达46%，而往复式蒸汽机只 有11%。热效率高标志着内燃机的经济性能好，既燃料消耗小。 2、结构紧凑，重量轻，尺寸小：柴油机不需要外燃机那样庞大的锅 炉、冷疑器等辅助设备。 3、功率范围广，适应性能好：目前柴油机汽缸最小直径为55mm，最 大直径为1060mm。单机功率最小为1.1kw，最大为35300kw。 同一类的 柴油机，稍加改变，可以适应各种不同用途的需要。 4、使用操作方便，启动快：在正常情况下，柴油机能在35s内启动 起来，在很短时间内达到最大功率。在正常的运行中不需要进行复杂的操 作。 5、运行安全不易引起火灾或者暴炸事故：与汽油相比，柴油不易挥 发，着火点较高，不易因偶然情况被点燃或发生爆炸。 6、结构相对其他内燃机简单：柴油的特点是自燃温度低，所以柴油 发动机无需要火花塞之类的点火装置，它采用压缩空气的办法提高空气温 度，使空气温度超过柴油的自燃测试，这时再喷入柴油、柴油喷雾和空气 混合的同时自己点火燃烧。 二、钻井用柴油机的特点： 1、要求有足够的功率。现在钻机的功率要求11032942kw，甚至更 大。 2、负荷适应范围大，即要求内燃机超载能力强。 3、调速范围要宽，即要求内燃机最低稳定转速至最高稳定转速范围 大。 4、要求经济、可靠、持久等优点。 但是，柴油机的结构比较的复杂、精度高、造价高、操作维护技能也要 求比较的高，这是柴油机的缺点。 尽管如此，由于它具有上面的这些优点，所以得到了很广泛的的使用。 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 25 在我们的石油工业，由于工作地点偏僻，流动性大，经常搬迁，因此要求 柴油机的功率大。结构紧凑，轻便，便于搬迁和安装，燃料和水消耗少， 因此选择柴油机机作为钻井动力设备比较适应。所以，目前柴油机在石油 钻井中得到了广泛的应用。 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 26 第第2 2章章 国内外柴油机的发展现状国内外柴油机的发展现状 2.1 柴油机的的发展趋势 法国出生的德裔工程师狄塞尔，在1897年研制成功可供实用的四冲程 柴油机。由于它明显地提高了热效率而引起人们的重视。起初，柴油机用 空气喷射燃料，附属装置庞大笨重，只用于固定作业。二十世纪初，开始 用于船舶，1905年制成第一台船用二冲程柴油机。 1922年，德国的博施发明机械喷射装置，逐渐替代了空气喷射。二十 世纪20年代后期出现了高速柴油机，并开始用于钻井。到了50年代，一些 结构性能更加完善的新型系列化、通用化的柴油机发展起来，从此柴油机 进入了专业化大量生产阶段。特别是在采用了废气涡轮增压技术以后，柴 油机已成为现代动力机械中最重要的部分。 1956年由德国的莫勒所发明油膜式燃烧室。燃烧室位于活塞顶内，呈 球形。燃料喷向燃烧室壁面，大部分燃油在强涡流作用下喷涂在燃烧室壁 面上，形成很薄的油膜，小部分燃油雾化分布在燃烧室空间并首先着火， 随后即引燃从壁面上蒸发的燃料。这种燃烧室可使工作过程柔和，燃烧完 全，声轻无烟，并可使用轻质燃料；缺点是低温时起动较困难1。 现在柴油机发展过程中常见的应用技术有： 一、涡流式燃烧室由涡流室和主燃烧室组成。涡流室位于气缸盖上， 呈球形或倒钟形，占总压缩容积的 5080，有切向通道与主燃烧室 相通。在压缩行程时，压入涡流室的空气产生强烈的涡流运动，促使喷 入其中的燃料与空气混合。着火后混合物流入主燃烧室，形成二次流动， 进一步与主燃烧室内的空气混合燃烧 二、电控燃油喷射系统带来更大的功率、更少的碳烟排放、更小的 噪音和更佳的经济性。 此技术可在cat3508B型柴油机上见到应用。其 相关参数如表 2-13。 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 27 表2-1 3508B型发动机技术规格 3508B型发动机技术规格 额定转速（转 /分）1500到1800 空转转速（转 /分）650 汽缸数和 排列 60V型8缸 缸径170毫米（6.7英寸） 行程190毫米（7.5英寸） 型式4行程 压缩比 141 空气吸入方式涡轮增压式 冷却涡轮增压空气的方法单独回路后冷器 汽缸排量4.3升（263立方英寸） 总排量34.5升（2105立方英寸） 旋转方向（从飞轮端看）逆时针方向 燃油参看操作和保养手册保养部分中 “燃油技术 规格” 吸油方法电子式单体喷油器 起动方法电启动 排气系统设计背压2.5千帕（10英寸水柱） 最大容许背压5.0千帕（20英寸水柱） 进气的最大阻力6.2千帕（25英寸水柱） 空气滤清器单滤芯 进气门间隙0.50毫米（0.020英寸） 排气门间隙1.00毫米（0.039英寸） 三、一体式燃烧室比以前的预燃式燃烧室减少了热量损失，冷启动变 得更容易，以前选装的缸体加热装置也没有必要再安装了。即使在零下10 度，新加热塞设计能使加热周期缩短10秒。一体式燃烧室允许更低的压缩 比(18.5：1或19.5：1对老机型的22：1或23：1)，可以降低发动机的噪音 和震动，进而提升耐久性。 四、最后一种是高压共轨喷射系统，它的概念有点类似于汽油机喷射 系统，只不过油轨内的压力提高了1000倍。中央油泵把高压油送入油轨， 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 28 在油轨上对应每缸有相应的电磁阀控制燃油进入喷嘴。尽管说起来简单， 但超高压使系统建造并不容易。这套系统应用在180马力2.5升V6机和3.3 升V8机型上。 五、涡轮增压。涡轮增压器的作用是增加发动机的进气量，使功率和 扭矩都有较大幅度的增长。它工作起来就像一台微型航空发动机，涡轮位 于柴油机排气系统上，把排气能量转换成旋转动能，驱动压缩机把更多的 进气送入燃烧室。增压器与发动机没有任何的机械连接，因此不会消耗发 动机的能量，其润滑和冷却由发动机上引出的机油来完成。1 六、安全控制智能化。柴油机的正常运转要求有符合规格的柴油、机 油、冷却水足量的供应和进排气系统的畅通，否则在柴油机运行过程中容 易出现各种事故损坏柴油机，国外生产的柴油机如沃尔沃、卡特两款柴油 机在电控的基础上加装了智能配件，在机油不足冷却水温度过高、及进排 气系统堵塞的情况下自动停车，避免了对柴油机的损坏 柴油机具有热效率高的显著优点，其应用范围越来越广。随着强化程 度的提高，柴油机单位功率的重量也显著降低。为了节能，各国都在注重 改善燃烧过程，研究燃用低质燃油和非石油制品燃料。此外，降低摩擦损 失、广泛采用废气涡轮增压并提高增压度、进一步轻量化、高速化、低油 耗、低噪声和低污染，都是柴油机的重要发展方向。 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 29 2.2 国内柴油机发展现状 在现代钻进工业中电动钻机、顶驱钻机得到了大范围的应用，但由于 钻进行业的野外作业这一特点，柴油机做为钻进设备的动力核心的位置没 有动摇。自建国后我国开始使用转动式钻机起，柴油机就在我国钻井行业 中广泛的应用起来。由于我国重工业起步较晚，技术大多借鉴国外技术， 建国初期的柴油机多带有苏联重工业的特点粗大笨重。 1964 年由中国的史绍熙等发明复合式燃烧室，燃烧室在活塞顶内呈 深盆形，口部略有收缩，用特殊形状的进气道形成进气涡流，采用单孔轴 针式喷油器。喷油器轴线与燃烧室壁面基本平行，燃料喷向燃烧室的周边 空间。在涡流作用下，粗大的油粒散落在燃烧室壁面上形成油膜，细小的 油粒在空间与空气混合。当转速较高时，燃烧室涡流速度高，壁面上的油 膜燃料增多，具有油膜燃烧的特点；而在低转速和起动时，涡流速度低， 空间混合的燃料量增多，具有空间式燃烧的特点，能改善冷起动性能2。 现在我国柴油机在原有 12V190 基础上引进欧美先进技术做出了很大 改进，并逐步像发电机柴油机一体化发展，钻井用柴油机以济南柴油机场 生产的 16V、601、2000 三大系列为代表其相关参数如下： 16V 是我公司最新研制开发的第一代 16 缸大功率高速柴油机。该机的 设计师在总结我公司同 AVL 公司合作开发的 601 机基础上，通过和国内知 名院校、研究所合作，并运用我公司最新的研发手段，通过计算机辅助设 计、模拟计算、有限元分析等对发动机的燃烧工作过程、曲轴扭振、增压 器匹配、进排气系统等进行模拟计算、优化。采用了当今国际大功率内燃 机行业先进的技术，成熟的零部件产品，使该机在扩展原 190 系列柴油机 功率的同时，在提高平均有效压力、降低油耗排放和提高使用可靠性、安 全性方面有了较大进步。6016 型柴油机广泛适用于各种柴油发电电站、 海洋钻机平台、机车、舰船主机动力等。参数如表 2-24 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 30 表 2-2 16V190Z 柴油机参数 型号H16V190Z涡轮前排温650 型 式四冲程、水冷、增压、中冷、直喷稳定调速率 05%可调 缸径 X 冲程190mmX215mm最低稳定转速600r/min 活塞平均速度10.75m/s冷却方式强制水冷 标定功率2400kW润滑方式压力及飞溅润滑 标定转速1500r/min启动方式电马达启动 平均有效压力1.97MPa烟度1.2FSU 最高爆发压力17MPa噪音125dB 机油消耗率1g/kWh大修期25000h 601 系列柴油发电机组是以 601 系列柴油机为动力，按照国家标准 GB2820 工频柴油发电机组通用技术条件的规定，并参照IEC34-I 国际电工委员会旋转电机标准，选配国内外优质发电机所生产的柴油发电 机组。该系列机组具有调压精度高，动态性能好，电压波形畸小，效率高， 结构紧凑，维修方便，工作可靠，使用寿命长，经济性能好等特点。 601 系列柴油发电机组功率范围 10001500kW，并可由两台或两台 以上机组组成电站。可在油田、工厂、边远地区、资源开发基地等部门作 为常用或备用电源。其中自动化机组可在医院、宾馆、贸易中心、计算中 心、部队通讯设施、火车站、发电厂和中心油库等部门作为应急或保安电 源。其参数见表 2-35 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 31 表 2-3 601 系列柴油机参数 机组 型号 柴油机型 号 发电机型 号 额定功 率 （KW/K VA） 额定 电压 （V ） 额 定 频 率 （H Z） 启 动 方 式 操 纵 方 式 外形尺寸 （mm） 包装尺寸 （mm） 净 质 量 （k g） 1000G F1 H12V190P ZLD-2 1FC5562- 4LA92 1000/1 250 400/ 230 607880 x2859 x3175 8100 x3050 x3250 190 00 1200G F1 H12V190P ZLD-2 1FC6502- 4LA8 1200/1 500 400/ 230 607880 x2859 x3175 8100 x3050 x3250 191 00 1350G F H12V190P ZLD 1FC6566- 4TA42 1350/1 688 400/ 230 507880 x2859 x3175 8100 x3050 x3250 191 00 1350G F-K H12V190Z LD 1FC6566- 4TA42 1350/1 688 400/ 230 505930 x2180 x2421 6050 x2180 x2600 170 00 1350G FZ H12V190P ZLD 1FC6566- 4TA42 1350/1 688 400/ 230 507880 x2859 x3175 8100 x3050 x3250 195 00 1500G F H12V190P ZLD 1FC6566- 4TA42 1500/1 875 400/ 230 507880 x2859 x3175 8100 x3050 x3250 195 00 1500G F-K H12V190P ZLD 1FC6566- 4TA42 1500/1 875 400/ 230 505930 x2180 x2421 6050 x2180 x2600 170 00 1500G FZ H12V190P ZLD 1FC6566- 4TA42 1500/1 875 400/ 230 50 2 4 V 直 流 电 启 动 自 控 / 手 控 7880 x2859 x3175 8100 x3050 x3250 195 00 注：发电机可根据用户需要或实际生产选择。 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 32 第第 3 3 章章 柴油机系统常见故障的分析及维修建议柴油机系统常见故障的分析及维修建议 柴油机涉及范围较广，现已钻井用12v190柴油机为例进行故障分析。 3.13.1 柴油机故障现象柴油机故障现象 声音异常，如出现不正常的敲击声，放炮声，吹嘘声等 1.动作异常，如出现柴油机启动困难，拖不动负荷，工作时出现强 烈振动等 2.外观异常，如柴油机出现冒黑烟，蓝烟，或白烟现象，有漏油、 漏水或漏气现象等 3.温度异常，如机油和冷却水温度过高，排气温度过高，轴承过热 等 4.压力异常，如机油压力过低，汽缸内压缩压力降低等 5.气味异常，如出现有臭味，焦味或烟味等不正常的气味。 3.1.1 柴油机故障的原因柴油机故障的原因 柴油机故障主要是有以下原因所造成 1. 违规操作 操作者不严格按照操作规程操作，而用一些错误的习惯做发进行操作， 从而破坏了柴油机正常工作条件，使零部件遭到破坏引起柴油机故障。 常见的操作错误有 1.1 新机或大修后的柴油机，不经过充分的走合运行，而直接带高负荷 使用，造成零件严重磨损，甚至出现拉缸或活塞卡住等严重事故 1.2 冷车启动后，不经过暖车运行，而直接带高负荷运行，造成零件的 严重磨损，引起柴油机故障 1.3 机油量不足，使柴油机润滑条件恶化，造成零部件的严重磨损，甚 至使零件表面发生烧坏现象 1.4 冷却水量不足，是受热零件温度过高而烧损。在运行中发生断水现 象后，而又直接加入冷水，是受热零件产生严重变形或出现裂纹现象 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 33 1.5 长时间超负荷、超速运行，导致发生的飞车事故，造成零件严重磨 损与损坏 1.6 在运行中机油和冷却水温度维持过低，或油温过高，油压过低，加 快零件磨损 1.7 带负荷进行停车，是受热零件造成配合破坏或出现骤冷裂纹 1.8 高速运转中使用防爆装置或减压机构进行停车，使配气零件（如气 门弹簧）损坏 1.9 不预供泵油而直接起动车，是各部件摩擦表面出现干摩擦现象 2.使用维护保养不良 在柴油机使用过程中，没有严格按照维护保养要求进行检查和清洗工 作，致使有关零件产生污堵现象，破坏了柴油机正常工作条件，引起故障。 常见维护保养不良的状况有： 2.1 不及时地添加机油和定期更换机油，造成机油量不足或机油污染变 质而丧失润滑性能。不及时清洗机油滤清器，造成机油流通阻力增加，甚 至堵塞，使润滑条件恶化，引起零件严重磨损。 2.2 不按时清洗燃油滤清器和燃油箱，造成燃油系统堵塞，供油量不足， 使柴油机工作无力。同时还会使大量杂质进入各精密偶件，破坏其正常工 作。 2.3 不按时清理空气滤清器，使滤清效果降低，空气流通阻力增大，进 气量减少，造成柴油机工作无力，并引起汽缸等零件严重磨损。并引起增 压器漏油。 2.4 在环境温度较低时，柴油机停车后没有放尽内部冷却水，以至冻裂 有关零件。冷却系统没有按时清洗，使零件内部水垢、污物积覆严重，造 成冷却不良，使零件过热而损坏 2.5 不按时检查和调整气门间隙，因间隙过大，造成配气机构加速磨损 和气门弹簧断裂等故障。 2.6 不按照规定检查蓄电池充电量，并及时补充电解液，或保持压缩空 气气源具有足够的压力，使启动能源动力不足，造成启动困难等故障 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 34 3.柴油机装配和调整错误 柴油机各部件之间配合部位均有严格的装配要求，若装配时其配合性 质，相对位置关系搞错，不符合规定要求，则会对其正常工作带来不利影 响，引起故障。常遇到的装配问题有; 3.1 活塞与汽缸配合间隙不符合规定要求，活塞环上下位置装到，环开 口位置没有交错安装等，造成汽缸漏气和窜油现象 3.2 主轴承或连杆轴承没有按照装配位置标记安装，使位置颠倒或错换， 配合间隙及扭紧力矩不符合规定要求，造成严重磨损或烧瓦事故 3.3 定时齿轮没有按装配位置标记进行装配，使轮轮啮合关系错误，以 致造成活塞与气门发生碰撞。供油时间不正确，使燃烧恶化，功率不足， 排气烟大，起动困难，甚至根本不能起动。 3.4 门间隙不符合规定要求，造成气门关闭不严，引起气门等零件烧毁， 或加速配气机构零件的磨损 3.5 供油提前角不正确，各缸供油间隔和供油量不均匀，使柴油机运转 不稳定，燃烧情况恶化。 3.6 各系统中压力调节装置调整不正确，如机油压力调节阀、滤清器旁 通阀、欠压自动装停车装置、超速安全装置等。 4 柴油机零部件加工不合格 柴油机所有零部件都根据其工作性质和要求，对其材质和加工精度提 出严格要求，如果加工出来的零件不符合设计要求，装配时又没有经过严 格的检查，而被错装到柴油机上去，在工作过程中，由于不符合设计要求 而不能承受工作负荷作用、造成零件损坏，引起故障。特别是有些零件存 在内部缺陷，检查时很难发现，在作用过程中便暴露出来，引起故障。常 遇到的质量问题有： 4.1 主要铸件（如机体、气缸盖等）存在着缩松、砂眼或细小裂纹等铸 造缺陷，有些内部缺陷在加工检查时不易被发现，装到柴油机上后，短时 间也不易暴露，而经过较长时间使用后而出现漏水、漏油或裂纹现象，引 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 35 起柴油机故障。 4.2 零件在加工制造时，因没有很好的消除内应力，在使用过程中引起 零件变形，丧失了原来加工精度，破坏了正常配合关系，引起故障 4.3 零件加工精度不合格，破坏了正常配合关系，引起故障。如机体主轴孔同轴 度误差超差，引起主轴承偏磨现象，甚至造成烧瓦事故。 3.1.2 柴油机故障的判别方法 1.障判别一般步骤 1.1 弄清故障现象 柴油机发生故障后，必然会出现各种异常现象。操作者应密切注视柴 油机的运转情况，充分运用实践经验，通过看听摸嗅等直觉感觉，及时发 现柴油机的异常现象，对其进行分析，并考虑以下问题 1.1.1 在故障发生前出现过那些症状？ 1.1.2 在这之前进行过那些修理及保养工作？ 1.1.3 以前是否出现过类似故障？ 在柴油机发生故障后，如果柴油机仍在转动，上不可能造成危害时， 则应继续运转一段时间，以便于进行观察故障的现象，以进行分析。 1.2 判断故障发生部位判断故障发生部位 根据柴油机故障现象的不同情况，进行综合分析，以便初步判断故障 发生每个部位。 在实际生产中经常采用以下判别方法，以便能够及时、准确地找出发 生故障的部位。 1.2.1 异常声响判别法。用一根细长的金属棒或长螺丝刀，将尖端触到 被检查部位表面，另一端贴近耳旁，可较清晰地监听到异常声响产生的位 置，声响的大小和性质。不同位置所产生的声响各有不同，如主轴承间隙 过大时，发生冲击作用时的声响是沉闷的，而气门碰活塞的声音是清脆的 1.2.2 部分停止法。经分析怀疑故障是由某一工作部位所引起的时，可 是该部位局部停止工作，主要是观察故障是否消失，从而可断定出故障的 中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 36 发生部位。如柴油机冒黑烟或运转不均匀，分析认为某缸喷油器雾化不良 而造成的，此时可将该缸停止供油，这时若黑烟消失，运行稳定，则可证 明判断正确。 1.2.3 比较法。根据故障分析，怀疑为某部件或零件所造成的，此时可 将该零件更换一合格的新件，此后来比较更换零件前后柴油机工作状况是 否有变化，从而找出故障的原因。 1.2.4 试探法。用改变局部范围内的技术状态，观察其对柴油机工作性 能的影响，以判断故障的原因。如柴油机出现压缩压力不足的现象时，怀 疑是因为气缸套与活塞之间的密封不良而造成的此时可向气缸内加入少量 的机油，以改善气缸密封状况，若气缸内的压缩压力增加时，则证明分析 完全正确。 1.3 故障检查故障检查 通过综合分析初步确定故障部位后，因进一步具体检查以最后确定故 障原因。 故障检查时，应遵循先外后内，由表及里，从简到繁，安系分段的原 则，有顺序有步骤地进行检查，分析判断。对于那些明显的故障现象（如 油管破