内燃机车柴油机讲义.ppt

铁道技术学院作息时间 上午 第一节课08 10 08 55第二节课09 05 09 50课间操 9 50 10 20第三节课10 20 11 05第四节课11 15 12 00中午 午餐11 50午休12 00 13 30 下午 预备13 20第五节课13 30 14 10第六节课14 25 15 10第七节课15 20 16 05第八节课16 15 17 00 第一讲内燃机车柴油机的基本原理一 发动机的概述 一 欧洲工业革命1 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 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 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 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 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 指把燃料 煤 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 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700 1500kw 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 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1 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36 41 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30 35 蒸汽机的工作热效率一般在16 而蒸汽机车的总效率更低6 9 内燃机车则达到27 35 是其4倍多 3 功率和转速范围宽广 能适应各种不同用途 输出功率能从0 59kw 40440kw之间 标定转速在850 1600n h内 同时品种繁多 用途广泛 结构紧凑和轻巧 适应水 陆交通工具的动力装置 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2 3m 宽在 m左右 单位气缸容积所作的功率在本世纪内13 21km 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 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 同时排放废气和产生的噪音对环境有一定的污染 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 所谓千瓦是单位时间内作功的叫功率 马力 而马力则是指在1秒钟内作75kg 米的功 1kw 1 3马力 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 防止水损耗过大而导致运动件过热 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15000 30000h之间 或者80 160万公里 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 及维修技术要求高 柴油机讲义 柴油机讲义 一 柴油机的术语气缸是柴油机燃油燃烧作功功场所缸径也是活塞的公称直径上下止点 死点 活塞在气缸内运动上下极端的位置 活塞行程 S 上下止点间的距离 也叫活塞冲程 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 压缩比气缸的总几与压缩容积之比 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1 进气冲程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2500 3500KPa D 同时温度将上升达780 1000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16 20t D 燃烧高温达二千多度 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 曲轴转角连杆传动使活塞的往复运动与曲轴的转动是相对应的 因此 通常把四冲程柴油机曲柄旋转轨迹 0 720 转角 描述活塞在气缸运动的轨迹 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 第一冲程 活塞从上止点行到下止点就是曲轴0 180 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180 360 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360 540 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540 720 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 9 2 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16V240为例 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 活塞在进气门关后开始到上止点也就是曲轴转角的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 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 活塞在下止点前段时间42 就打开 二冲程柴油机理论上讲 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0 180 这叫进气 压缩冲程 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180 360 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10LE207J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 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 9页 10E207J型柴油机配气相位图 11 柴油机讲义 四 柴油机的组成机车上使用的柴油机基本组成1 运动件2 固定件3 配气机构4 进 排气系统5 燃油系统6 功调系统7 机油系统8 冷却水系统9 辅助系统10 防护系统11 柴油机编号 国标GB725 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 系列符号 换代标志符号 中部 缸数符号 气缸排列形式 冲程符号 缸径符号 后部 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 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 区分符号 几种柴油机型号 16V240ZJB 10E207J G6300DzC 7FDL 16 12 柴油机讲义 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 ND57FDL 16柴油机 柴油机发火顺序 16V240ZJB 1 6 7 4 8 3 2 59 14 15 12 16 11 10 13 曲轴长 3775 重 1600 ND57FDL 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上曲轴 长3749 重1040 下曲轴 长3862 重1084 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 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 气体力气体力是指气缸内工质 气体压力 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1 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 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 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 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 10E207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 16V240ZJB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