內燃機車柴油機講義課件

鐵道技術學院作息時間

上午：第一節(jié)課08:10----08:55第二節(jié)課09:05----09:50課間操：9:50---10:20第三節(jié)課10:20----11:05第四節(jié)課11:15----12:00中午：午餐11:50午休12:00----13:30下午：預備13:20第五節(jié)課13:30----14:10第六節(jié)課14:25----15:10第七節(jié)課15:20----16:05第八節(jié)課16:15----17:00

鐵道技術學院作息時間

第一講內燃機車柴油機的基本原理一、發(fā)動機的概述（一）歐洲工業(yè)革命1、動力革命工業(yè)化步伐日益發(fā)展，生產力的快速提高，現(xiàn)有的機械動力越來越不適應社會的需求，人們在不斷地尋求新的更大的更好的動力來為各行各業(yè)服務。那么一場動力革命的浪潮就自然而然地在歐洲掀起了。理由：原有的蒸汽機作為動力太差人意笨重、復雜、功力小、體積大、效率低、內燃機：重量輕、體積小、功率大、效率高、操作簡便等優(yōu)點，受到人們的器重，內燃機的快速發(fā)展也就在情理之中。2、內燃機誕生(1)設想過程、理論上的準備、（圖紙設計、數據計算、工裝設備設計等）技術上準備（技術人員培養(yǎng)、各種人才的培養(yǎng)、機械設備的安裝、各種設備使用與調試）不斷探索、反復試驗、批量生產。(2)1878年英國工程師噢托制造以煤氣為燃料，電火花點燃的四沖程內燃機，人們把他的發(fā)明稱為發(fā)動機的里程碑。(3)1898年德國工程師魯道夫·狄塞爾創(chuàng)造了世界上第一臺往復活塞壓燃式內燃機。(4)與蒸汽機作為動力相比較有明顯優(yōu)越性。內燃機的廣泛應用：工農業(yè)生產的動力、陸?？战煌ㄟ\輸、軍事工業(yè)等，都廣泛使用內燃機作為動力的。（1）柴油機講義柴油機講義柴油機講義(5)發(fā)動機的定義：將某一種能量轉變?yōu)闄C械能而驅動別的機械作功的機器，稱為發(fā)動機或動力裝置（動力機械）。熱力、風力、水力、太陽能及原子能等動力裝置。外然機、內燃機的定義外然機：指把燃料（煤、油、天然氣）在鍋爐內燃燒后，再將蒸汽送到汽缸內膨脹作功的機器叫外燃機。內燃機：指將燃料（柴油、汽油、煤氣、天然氣等）直接送到氣缸內膨脹作功的機器叫內燃機。3、柴油機的廣泛用途柴油機誕生后由于它的優(yōu)越性凸顯，被廣泛地應用在各個領域中。（1）蓬勃發(fā)展的交通業(yè)：水（內河運輸、海上運輸業(yè)飛速發(fā)展）陸交通。（2）大力促進工、農業(yè)的生產發(fā)展。（3）礦山、筑路、城市建設等。（4）軍事工業(yè)大發(fā)展。艦艇、潛艇、坦克、各種裝甲車輛等。（二）機車柴油機的發(fā)展1、20世紀初柴油機首先在船上應用。2、1912年瑞士蘇爾壽公司制造736kw

（2）柴油機講義柴油機講義機車柴油機在普魯士鐵路上投入運營。3、一戰(zhàn)后1913年美、蘇制造一些內燃機車，但為了備戰(zhàn)很快就停產。4、二戰(zhàn)后，美國和西方經濟逐漸復蘇，鐵路運輸業(yè)為了適應經濟發(fā)展，內燃機車的制造也達到了迅速發(fā)展。5、50年代單機功率700~1500kw。6、60年代單機功率3000kw以上。7、現(xiàn)在單機功率5000kw以上。（三）中國柴油機發(fā)展1、1940年舊中國才向國外購買圖紙生產部門220kw（到300馬力）柴油機，年產量不到8000千瓦。2、新中國成立后，1958年開始研制，59年開始生產方式736kw（約定1000馬力）的內燃機車。70年代后可以制造業(yè)2200~3000kw的干線機車?，F(xiàn)在也可以制造5000馬力以上的內燃機車，完全可以和國外機車相媲美。二、柴油機的主要特點1、工作熱效率高，具有顯著的節(jié)能效果（１）柴油機的工作熱效率一般在36％～41％，最佳可達50％。（２）汽油機的工作熱效率一般在30%（３）燃汽輪機的工作熱效率一般在30％～35％。（４）蒸汽機的工作熱效率一般在16％；而蒸汽機車的總效率更低6％～9％；內燃機車則達到27％～35％是其4倍多。（3）

柴油機講義２、功率和轉速范圍寬廣，能適應各種不同用途。（１）輸出功率能從0,59kw~40440kw之間。（２）標定轉速在850~1600n/h內（３）同時品種繁多，用途廣泛。３、結構緊湊和輕巧，適應水、陸交通工具的動力裝置（１）體積有小到大部分。0.15到二、三層樓那么高。機車用的一般在2～3m，寬在２m左右。（２）單位氣缸容積所作的功率在本世紀內13～21km。４、啟動迅速，操縱簡便（１）能在較短的時間內完成啟動任務，并且能夠達到全負荷運轉。（２）操作簡便，安全可靠。（３）設有多功能的安全保護裝置。（４）可以自動化操作。５、燃料、機油和冷卻水的消耗量少（１）內燃機車一般只裝備９kl左右的燃油箱。（２）冬、夏使用的燃油型號不一樣。（３）機油一般是在一定的走行公里后才補加，但日常上下班是要檢查油位，防止滑油漏泄而傷害運動件。（4）柴油機講義柴油機講義８、對燃料要求苛刻，同時排放廢氣和產生的噪音對環(huán)境有一定的污染。三、柴油機的基礎知識機車柴油機是一種往復式活塞，壓燃式內燃機。通過活塞在活塞在氣缸內作上下往復運動，由連桿、曲軸機構將活塞的往運動轉變成旋轉運動，作為功率輸出。其功率大小通常是用千瓦或馬力來表示：千瓦：所謂千瓦是單位時間內作功的叫功率。馬力：而馬力則是指在1秒鐘內作75kg—米的功。1kw≈1.3馬力（5）（４）水需處理后才用，損耗也不大，一般跑完一、二個往返才補充水，但是日常上下班是要檢查水位，防止水損耗過大而導致運動件過熱。６、使用可靠，工作壽命長（１）一般是按機車走完多少萬公里來衡量（輪、架、大修來定）。（２）柴油機一般使用壽命在15000～30000h之間。或者80～160萬公里。（３）機車采用新工藝后，運營里程越來越長，使用壽命也在增加。因此，機車的使用也就效率越來越高。７、結構復雜、零部件加工、裝配、運用、及維修技術要求高。柴油機講義柴油機講義柴油機講義（一）柴油機的術語氣缸是柴油機燃油燃燒作功功場所缸徑也是活塞的公稱直徑上下止點（死點）活塞在氣缸內運動上下極端的位置?；钊谐蹋⊿）上下止點間的距離。也叫活塞沖程。氣缸容積（Vmin）活塞頂到達上止點時與氣缸壁、氣缸頭三者所構成的有效空間，氣缸最小容積或壓縮容積。工質氣缸內的工作介質。參與燃燒、吸熱并推動活塞膨脹作功的氣體。壓縮比氣缸的總幾與壓縮容積之比。工作循環(huán)完成一次能量轉換過程叫做工作循環(huán)。二沖程柴油機活塞二次沖程及曲軸旋轉一周就完成一次工作循環(huán)（能量轉換），我們就稱之為二沖程柴油機。四沖程柴油機活塞往復四次沖程及曲軸旋轉二周，完成一個工作循環(huán)，就叫做四沖程柴油機.（二）柴油機的工作原理1、進氣沖程A、活塞由上止點向下止運行。B、理論上進、排氣閥的開啟與關閉。C、內低外高氣壓關系。（6）柴油機講義D、活塞與曲柄運行和旋轉關系。E、進、排氣閥提前開啟與遲后關閉意義。2、壓縮沖程A、進、派氣閥關閉。B、活塞由下止點向上止點運行開始壓縮新鮮空氣。C、到達上止點時壓縮容積最小2500~3500KPa。D、同時溫度將上升達780~1000度左右。E、理論活塞到達上止點時噴射燃油，即刻燃燒。（氣缸頭表面每壓力平方厘米的高溫、高壓達16t）3、燃燒、膨脹作功沖程A、在上止點附近提前供油點火燃燒B、供油提前角的設計意義，太早與太遲的問題。C、最高壓力每平方厘米16~20t。D、燃燒高溫達二千多度。E、高溫、高壓的燃氣推動活塞下行作功，達下止點。4、排氣沖程A、當活塞下行到下止點前，排氣閥打開B、迅速排出的殘余高溫、高壓氣體，繼續(xù)作功，帶動增壓氣渦輪工作。（7）柴油機講義柴油機講義C、當活塞越過上止點后，上行將氣缸內殘氣排出。D、當活塞上行到上止點前某點時進氣閥開啟，為下一個工作循環(huán)做準備。E、在這個時刻進、排氣閥同時開啟，進氣壓力大于廢氣，將殘余廢氣迅速吹走。（通常叫作掃氣）（三）曲軸轉角與配氣相位圖通常是將曲軸的轉角按360o在坐標系中來劃分每個活塞沖程的行程與曲軸轉角的相互關系。曲軸轉角連桿傳動使活塞的往復運動與曲軸的轉動是相對應的。因此，通常把四沖程柴油機曲柄旋轉軌跡（0o~720o轉角）描述活塞在氣缸運動的軌跡。配氣相位圖坐標圖解形式描述活塞在氣缸中上、下止點間的運動位置，并在坐標系中以曲軸轉角，按進、排氣門啟閉位置繪制的圖叫配氣相位圖。四沖程柴油機理論上講：第一沖程：活塞從上止點行到下止點就是曲軸0o~180o（這叫進氣沖程）第二沖程：活塞從下止點行到上止點就是曲軸180o~360o（這叫壓縮沖程）第三沖程：活塞從上止點行到下止點就是曲軸360o~540o（這叫作功沖程）第四沖程：活塞從下止點行到上止點就是曲軸540o~720o（這叫排氣沖程）（8）柴油機講義柴油機講義柴油機講義排出廢氣，爾后越過下止點向上止點運行，再越過上止點42o時關閉。（活塞運行290o）此時當活塞快上止點前42o時，進氣門又提前打開了，為下一個工作循環(huán)作準備。這里又有一個進氣門開到派氣門關閉的84o的重疊角，1.9~2.0公斤壓力新鮮空氣迅速吹往廢氣集流管，使氣缸內充入新的空氣。凸輪軸的工作過程四沖程柴油機完成一個工作循環(huán)需要曲軸的兩個周期而凸輪軸配合工作則只需要轉一周就可以完成進氣、壓縮（含供油）、作功、排氣的所有工作過程。（9）實際上（以16V240為例）進氣時：活塞在離開上止點前半場42o左右打開。而到下止點遲后備干部42o時關閉，曲軸轉264o。壓縮時：活塞在進氣門關后開始到上止點也就是曲軸轉角的136o。由于燃油從噴入到高溫點燃需要時間即曲軸的轉角，故必須在上止點前邊21o時噴油。作功時：最高壓力和最高溫度是在活塞離開上止點某角10o左右是最佳點，這就是作功開始，活塞下行到下止點前段時間42o時排氣門打開，剩余的高溫、高壓迅速涌向集流管繼續(xù)作功。（活在行程135o）排氣時：活塞在下止點前段時間42o就打開柴油機講義二沖程柴油機理論上講：第一沖程：活塞從下止點往上止點運行時，越過下止點某個曲軸轉角時進、排氣閥關閉，隨著活塞的上行，活塞頂邊緣封閉進排氣門，開始壓縮空氣，在上止點前某個角度噴射燃油點火燃燒，然后到達上止點。就是曲軸0o~180o（這叫進氣、壓縮沖程）第二沖程：活塞從上止點向下止點運行高溫、高壓的燃氣推動活塞下行作功。當活塞接近進氣口時，排氣門打開，燃氣迅速排出。當活塞下行打開進氣門時，由儲氣室的壓力空氣迅速通過汽缸吹走汽缸內的殘存燃氣，使汽缸里充滿新鮮壓力空氣，為下個工作循環(huán)準備。這就是曲軸180o~360o（也叫壓縮、排氣沖程）這就是二沖程柴油機，在一個工作循環(huán)內，就完成四沖程柴油機進氣、壓縮、膨脹作功、排氣的二個循環(huán)過程，相當曲軸轉動兩周的轉角720o。而二沖程柴油機第一沖程就完成了進氣、壓縮過程；第二沖程完成膨脹作功、排氣的過程。也就是曲軸轉角的360o轉角。（10）柴油機講義柴油機講義柴油機講義東風型號10LE207J柴油機工作過程這種柴油機有上下兩根曲軸，是用垂直傳動軸將上曲軸的功率傳遞給下曲軸輸出的。為了有效的工作，下曲軸領先上曲軸12o。它分內、外止點。進、排氣口設在缸壁的上下部分。活塞相對運動時分別啟閉氣口，現(xiàn)在了解一下柴油機工作過程：1、膨脹-換氣沖程活塞離開內止點后噴入汽缸中的燃油在高溫高壓下燃燒膨脹推動上下活塞向向運動，通過曲軸旋轉作功。由于下曲軸領先12度，故率先開啟排氣口，當上活塞開啟進氣口時，1.3公斤左右的新鮮空氣沖入汽缸內將殘余氣體從排氣排出，強制驅趕廢氣的現(xiàn)象也叫掃氣。2、換氣-壓縮沖程掃氣結束后活塞越過外止點向內止點運動，下活塞首先關閉排氣口，進氣口仍然進氣，通常稱之為后充現(xiàn)象，但瞬間隨上活塞轉動就關閉進氣口，上下活塞都越過外止點后向內止點運動，開始壓縮空氣直到接近內止點時，燃油開始噴射，為下一個循環(huán)作準備。參看（9頁）10E207J型柴油機配氣相位圖

（11）柴油機講義柴油機講義（四）柴油機的組成機車上使用的柴油機基本組成1、運動件2、固定件3、配氣機構4、進、排氣系統(tǒng)5、燃油系統(tǒng)6、功調系統(tǒng)7、機油系統(tǒng)8、冷卻水系統(tǒng)9、輔助系統(tǒng)10、防護系統(tǒng)11、柴油機編號國標GB725-82規(guī)定：柴油機的型號由阿拉伯數字和漢語拼音字母組成。柴油機型號分首、中、后及尾四個部分組成。首部：系列符號、換代標志符號。中部：缸數符號、氣缸排列形式、沖程符號、缸徑符號。后部：結構特征符號：無號—水冷式、F—風冷式、N—凝氣冷卻、S—十字頭式、Dz—可逆轉（直接換向）、Z—增壓。

用途特征符號：無號—通用型、T—拖、M—摩托車用、G—工程機械用、Q—車用、J—鐵路機車用、D—發(fā)電機組用、C—船用主機右機基本型、C1—船用主機左機基本型。尾部：區(qū)分符號。幾種柴油機型號：16V240ZJB、10E207J、G6300DzC、7FDL-16、（12）柴油機講義柴油機講義（五）柴油機編號國標GB725-82規(guī)定：柴油機氣缸編號規(guī)定由輸出端看自由端，右“Ⅰ”1、2、3、4、5、6、7、8、輸出自由左“Ⅱ”9、10、11、12、13、14、15、16、柴油機轉向輸出端曲軸順時針轉為“右轉”。反之則為“左轉”。（ND5

7FDL-16柴油機）柴油機發(fā)火順序：16V240ZJB、1-6-7-4-8-3-2-59-14-15-12-16-11-10-13。曲軸長：3775㎜重：1600㎏ND57FDL-16、1-3-7-4-8-6-3-5曲軸長：14呎5吩4394㎜重：4000磅1418㎏10E207J、1-6-10-2-4-9-5-3-7-8上曲軸：長3749㎜重1040㎏下曲軸：長3862㎜重1084㎏（六）柴油機技術經濟指標對于不同型號的柴油機工作情況，所反映的問題也有所不同的，通常是從四個方面來考慮。1、動力性柴油機發(fā)出功率與功率儲備量。2、經濟性運轉工況單位功率單位時間內所消耗的燃油量。3、可靠性滿負荷情況下及工作壽命內出現(xiàn)故障的次數與性質的大小。4、耐久性以兩次廠修之間工作壽命衡量。前兩項反映柴油機工作過程完善程度。后兩項則是機器部件的材質、結構、工藝、裝配技術與保養(yǎng)等因素。（13）柴油機講義柴油機講義柴油機的經濟指標：所謂柴油機的經濟指標，一般都是指其燃油消耗量與部件的磨損量（報廢時間）。技術經濟指標一般指的是兩類指標:(1)指示指標以工質對活塞作工為基礎，通常不講各類的摩擦與機械損耗。(2)有效指標動力由活塞傳到曲軸并以曲軸的實際功率輸出實效性計算方法。

第二講柴油機的受力分析柴油機運動件在高溫、高壓氣體的作用下工作條件十分惡劣，受到不同方向的作用力沖擊是一個復雜的過程。大體上分析為1、氣體力（含高溫、高壓的燃氣）、2、運動中的部件慣性力、3、運動件的重力4、動力機械的反作用扭矩5、摩擦面的摩擦力和支承反力、6、安裝的預緊力、7、熱應力8、共振產生的復雜應力等。（14）柴油機講義柴油機講義一、氣體力氣體力是指氣缸內工質（氣體壓力）的作用力。這種氣體壓力隨著曲軸的轉動在氣缸內作往復運動。二、運動慣性力曲軸連桿機構在機體內運動，由于自身的質量產生往復運動的慣性力和曲軸旋轉的離心力。（這種慣性力的存在要消耗一定的有效能量）三、氣體力與往復運動慣性力的合力氣缸內的爆發(fā)壓力氣體力與往復運動慣性力隨時隨地都是沿著氣缸中心線方向上下運動，兩者都作用在活塞組上形成合力。四、運動慣性力對柴油機的影響1、合力對活塞組的影響：強大爆發(fā)氣體壓力對活塞產生沖擊，同時合力對活塞頂部產生形變、活塞銷發(fā)生彎曲、氣缸兩側的壓力迫使活塞變形、活塞銷的襯套也受到不同程度上抵壓變形等。2、合力對曲柄連桿組的影響：活塞的沖擊力與曲軸的反作用力，首先是曲軸的彎曲、扭曲變形，主軸瓦連桿瓦受到沖擊擠壓變形、運動中的連桿連接螺栓拉伸變形。3、合力對曲軸組的影響：連桿在活塞的推動下推動曲柄銷作圓周運動，即輸出扭矩。這時候，主軸（15）柴油機講義徑載荷加大，即受到連桿的推力與離心運動慣性力。而法向力迫使曲柄銷彎曲變形振動。四、合力對氣缸套的影響氣體壓力作用在缸壁四周，汽缸套脹大并產生較大的內應力。高溫高壓氣體破壞密封缸蓋螺栓與活塞的氣環(huán)都受到較大的擠壓應力或附加彎曲應力，同時還受到化學腐蝕和水蝕等。五、合力對機體的影響如燃氣壓力通過缸蓋螺栓作用到機體上；側壓力使機體受到一種傾覆力的作用。主軸瓦下瓦受力更加嚴峻。六、離心運動慣性力對柴油機的影響離心運動慣性力作用在曲柄銷上加大主軸頸的載荷，同時對機體產生垂向及橫向的振動。七、復雜的共振對柴油機的影響柴油機在工作中來自諸方面的振動最容易產生共振，共振對機體影響很大，尤其是對曲軸、凸輪軸等軸系影響極大。（16）柴油機講義柴油機講義柴油機講義第二講固定件柴油機的固定件是由機體、主軸承、氣缸組、汽缸蓋、機座（也稱油底殼）、曲軸箱防爆裝置等。一、機體柴油機機體是由汽缸體和曲軸箱兩部分構成的一個整體是剛性構架，安裝柴油機的大部分零部件，以各運動件之間的相互位置正確。其外，還設有氣、油、水道，滿足柴油機進、排氣；潤滑與冷卻。柴油機還要承受著各種力的力與力矩以及各種部件的緊固預緊力等負荷。因此，柴油機除具有足夠的強度和剛度外，在加工工藝方面要求很高，以提高其工作可靠性。（一）機體結構1、隧道式機體：東風16240Z、12240Z、12280Z、16240Z等。機體是鑄焊結合。凡曲軸系由主軸承蓋、主軸承螺栓吊掛在機體主軸承座上的就稱為懸掛曲軸機體，也稱為隧道式機體。2、龍門（拱門）式機體：ND5柴油機機體特殊的鑄鐵制成“V”型整體鑄件。3、10E207是箱體焊接的機體。4、汽缸體與曲軸箱汽缸體與曲軸箱分兩個獨立體，（17）柴油機講義柴油機講義由螺栓緊固在一體。（二）16V240ZJB型柴油機機體16V240ZJB型柴油機機體由鑄鋼主軸承座與低合金鋼板焊接而成。長：3594㎜

寬：1380㎜

高：1288㎜1、機體頂板2、主軸承座3、氣缸箱體4、機體夾角的利用5、凸輪軸、挺柱、曲軸箱檢查孔6、機體前后端及底座二、主軸承是用來支承曲軸，并使曲軸得到徑向和軸向定位。按作用分：徑向支承軸承和軸向止推軸承。按結構分：滑動軸承與滾動軸承。（一）滑動軸承潤滑1、相對運動件的滑動摩擦：干、半干和液體摩擦2、油膜建立對運動部件相對運動的意義（1）油楔的作用（2）油膜建立三個條件（3）油膜建立的意義（4）影響油膜的因素（18）柴油機講義柴油機講義（二）主軸承的工作條件與要求1、工作條件⑴有效載荷（高溫高壓氣體）沖擊20000~30000kp20t/cm2⑵主軸頸與軸承間的相對滑動摩擦速度10米/秒。其表面油溫達到100~150℃。⑶機體、連桿和曲軸等部件由于制造和裝配工藝方面誤差以及工作中的變形造成主軸頸的應力集中而損傷。⑷軸承表面會受到變質機油的腐蝕以及雜質、鐵屑、沙粒等加劇磨損。⑸起機時的半干摩擦也加劇磨損速度。⑹為了改善工作條件，采取相應的措施：①、結構上采用薄殼滑動、剖分形式軸瓦。②、材質上用復合型材質與瓦背低碳鋼，表面復合一層減摩性能軸承合金。③、為了改善瓦的表面性能，電鍍（鏜上）一層較薄的軟質保護合金層。2、減摩合金的要求⑴有足夠的機械強度，以抵抗疲勞破壞。⑵有良好的減摩性。⑶抗咬合性好。⑷順應性強。⑸良好的表層嵌藏性。⑹良好的導熱性。⑺既有具有較強的吸附性（親油）。⑻良好的耐腐蝕性。⑼合金層與瓦背瓦背具有足夠的粘合性。⑽工藝簡單、成本低，便于生產。（19）柴油機講義柴油機講義（三）16V240ZJB主軸承主軸承采用滑動軸承：1、9個軸瓦：8個徑向瓦，第九是止推瓦；2、組成是由主軸承座、主軸瓦、主軸承蓋、主軸承水平、垂直螺母螺栓等。3、主軸承座與橫拉螺栓主軸承座采用45CrMo，承受著巨大的機械沖擊力。水平、橫拉螺栓要求有一定的拉伸力，組裝時先緊固到規(guī)定扭矩后，再回松到一定值，以防太緊而斷裂。4、主軸瓦與止推環(huán)主軸瓦是由鋼背、高錫鋁合金和電鍍層三層合金薄壁軸瓦。主軸瓦分上下瓦，下瓦是受力瓦，上瓦則是非受力瓦。上下瓦的組裝都是要有定位銷定位，其上瓦中央設有油槽起到潤滑冷卻作用。止推環(huán)軸承兩側裝有止推環(huán)的軸承稱止推軸承。止推環(huán)由上下兩個半圓環(huán)組成，用鑄造錫青銅ZQSn10-1。5、主軸承垂直螺栓18CrNiWA合金鋼制成預緊扭矩2940N?m，螺栓的拉伸量為0?6~0?65mm。水平螺栓安裝緊固扭矩980N?m。（20）柴油機講義柴油機講義（四）氣缸組汽缸組是由汽缸套、水套和橡膠水封圈等組成。柴油機講義

鐵道技術學院作息時間

上午：第一節(jié)課08:10----08:55第二節(jié)課09:05----09:50課間操：9:50---10:20第三節(jié)課10:20----11:05第四節(jié)課11:15----12:00中午：午餐11:50午休12:00----13:30下午：預備13:20第五節(jié)課13:30----14:10第六節(jié)課14:25----15:10第七節(jié)課15:20----16:05第八節(jié)課16:15----17:00

鐵道技術學院作息時間

第一講內燃機車柴油機的基本原理一、發(fā)動機的概述（一）歐洲工業(yè)革命1、動力革命工業(yè)化步伐日益發(fā)展，生產力的快速提高，現(xiàn)有的機械動力越來越不適應社會的需求，人們在不斷地尋求新的更大的更好的動力來為各行各業(yè)服務。那么一場動力革命的浪潮就自然而然地在歐洲掀起了。理由：原有的蒸汽機作為動力太差人意笨重、復雜、功力小、體積大、效率低、內燃機：重量輕、體積小、功率大、效率高、操作簡便等優(yōu)點，受到人們的器重，內燃機的快速發(fā)展也就在情理之中。2、內燃機誕生(1)設想過程、理論上的準備、（圖紙設計、數據計算、工裝設備設計等）技術上準備（技術人員培養(yǎng)、各種人才的培養(yǎng)、機械設備的安裝、各種設備使用與調試）不斷探索、反復試驗、批量生產。(2)1878年英國工程師噢托制造以煤氣為燃料，電火花點燃的四沖程內燃機，人們把他的發(fā)明稱為發(fā)動機的里程碑。(3)1898年德國工程師魯道夫·狄塞爾創(chuàng)造了世界上第一臺往復活塞壓燃式內燃機。(4)與蒸汽機作為動力相比較有明顯優(yōu)越性。內燃機的廣泛應用：工農業(yè)生產的動力、陸?？战煌ㄟ\輸、軍事工業(yè)等，都廣泛使用內燃機作為動力的。（1）柴油機講義柴油機講義柴油機講義(5)發(fā)動機的定義：將某一種能量轉變?yōu)闄C械能而驅動別的機械作功的機器，稱為發(fā)動機或動力裝置（動力機械）。熱力、風力、水力、太陽能及原子能等動力裝置。外然機、內燃機的定義外然機：指把燃料（煤、油、天然氣）在鍋爐內燃燒后，再將蒸汽送到汽缸內膨脹作功的機器叫外燃機。內燃機：指將燃料（柴油、汽油、煤氣、天然氣等）直接送到氣缸內膨脹作功的機器叫內燃機。3、柴油機的廣泛用途柴油機誕生后由于它的優(yōu)越性凸顯，被廣泛地應用在各個領域中。（1）蓬勃發(fā)展的交通業(yè)：水（內河運輸、海上運輸業(yè)飛速發(fā)展）陸交通。（2）大力促進工、農業(yè)的生產發(fā)展。（3）礦山、筑路、城市建設等。（4）軍事工業(yè)大發(fā)展。艦艇、潛艇、坦克、各種裝甲車輛等。（二）機車柴油機的發(fā)展1、20世紀初柴油機首先在船上應用。2、1912年瑞士蘇爾壽公司制造736kw

（2）柴油機講義柴油機講義機車柴油機在普魯士鐵路上投入運營。3、一戰(zhàn)后1913年美、蘇制造一些內燃機車，但為了備戰(zhàn)很快就停產。4、二戰(zhàn)后，美國和西方經濟逐漸復蘇，鐵路運輸業(yè)為了適應經濟發(fā)展，內燃機車的制造也達到了迅速發(fā)展。5、50年代單機功率700~1500kw。6、60年代單機功率3000kw以上。7、現(xiàn)在單機功率5000kw以上。（三）中國柴油機發(fā)展1、1940年舊中國才向國外購買圖紙生產部門220kw（到300馬力）柴油機，年產量不到8000千瓦。2、新中國成立后，1958年開始研制，59年開始生產方式736kw（約定1000馬力）的內燃機車。70年代后可以制造業(yè)2200~3000kw的干線機車?，F(xiàn)在也可以制造5000馬力以上的內燃機車，完全可以和國外機車相媲美。二、柴油機的主要特點1、工作熱效率高，具有顯著的節(jié)能效果（１）柴油機的工作熱效率一般在36％～41％，最佳可達50％。（２）汽油機的工作熱效率一般在30%（３）燃汽輪機的工作熱效率一般在30％～35％。（４）蒸汽機的工作熱效率一般在16％；而蒸汽機車的總效率更低6％～9％；內燃機車則達到27％～35％是其4倍多。（3）

柴油機講義２、功率和轉速范圍寬廣，能適應各種不同用途。（１）輸出功率能從0,59kw~40440kw之間。（２）標定轉速在850~1600n/h內（３）同時品種繁多，用途廣泛。３、結構緊湊和輕巧，適應水、陸交通工具的動力裝置（１）體積有小到大部分。0.15到二、三層樓那么高。機車用的一般在2～3m，寬在２m左右。（２）單位氣缸容積所作的功率在本世紀內13～21km。４、啟動迅速，操縱簡便（１）能在較短的時間內完成啟動任務，并且能夠達到全負荷運轉。（２）操作簡便，安全可靠。（３）設有多功能的安全保護裝置。（４）可以自動化操作。５、燃料、機油和冷卻水的消耗量少（１）內燃機車一般只裝備９kl左右的燃油箱。（２）冬、夏使用的燃油型號不一樣。（３）機油一般是在一定的走行公里后才補加，但日常上下班是要檢查油位，防止滑油漏泄而傷害運動件。（4）柴油機講義柴油機講義８、對燃料要求苛刻，同時排放廢氣和產生的噪音對環(huán)境有一定的污染。三、柴油機的基礎知識機車柴油機是一種往復式活塞，壓燃式內燃機。通過活塞在活塞在氣缸內作上下往復運動，由連桿、曲軸機構將活塞的往運動轉變成旋轉運動，作為功率輸出。其功率大小通常是用千瓦或馬力來表示：千瓦：所謂千瓦是單位時間內作功的叫功率。馬力：而馬力則是指在1秒鐘內作75kg—米的功。1kw≈1.3馬力（5）（４）水需處理后才用，損耗也不大，一般跑完一、二個往返才補充水，但是日常上下班是要檢查水位，防止水損耗過大而導致運動件過熱。６、使用可靠，工作壽命長（１）一般是按機車走完多少萬公里來衡量（輪、架、大修來定）。（２）柴油機一般使用壽命在15000～30000h之間?；蛘?0～160萬公里。（３）機車采用新工藝后，運營里程越來越長，使用壽命也在增加。因此，機車的使用也就效率越來越高。７、結構復雜、零部件加工、裝配、運用、及維修技術要求高。柴油機講義柴油機講義柴油機講義（一）柴油機的術語氣缸是柴油機燃油燃燒作功功場所缸徑也是活塞的公稱直徑上下止點（死點）活塞在氣缸內運動上下極端的位置?；钊谐蹋⊿）上下止點間的距離。也叫活塞沖程。氣缸容積（Vmin）活塞頂到達上止點時與氣缸壁、氣缸頭三者所構成的有效空間，氣缸最小容積或壓縮容積。工質氣缸內的工作介質。參與燃燒、吸熱并推動活塞膨脹作功的氣體。壓縮比氣缸的總幾與壓縮容積之比。工作循環(huán)完成一次能量轉換過程叫做工作循環(huán)。二沖程柴油機活塞二次沖程及曲軸旋轉一周就完成一次工作循環(huán)（能量轉換），我們就稱之為二沖程柴油機。四沖程柴油機活塞往復四次沖程及曲軸旋轉二周，完成一個工作循環(huán)，就叫做四沖程柴油機.（二）柴油機的工作原理1、進氣沖程A、活塞由上止點向下止運行。B、理論上進、排氣閥的開啟與關閉。C、內低外高氣壓關系。（6）柴油機講義D、活塞與曲柄運行和旋轉關系。E、進、排氣閥提前開啟與遲后關閉意義。2、壓縮沖程A、進、派氣閥關閉。B、活塞由下止點向上止點運行開始壓縮新鮮空氣。C、到達上止點時壓縮容積最小2500~3500KPa。D、同時溫度將上升達780~1000度左右。E、理論活塞到達上止點時噴射燃油，即刻燃燒。（氣缸頭表面每壓力平方厘米的高溫、高壓達16t）3、燃燒、膨脹作功沖程A、在上止點附近提前供油點火燃燒B、供油提前角的設計意義，太早與太遲的問題。C、最高壓力每平方厘米16~20t。D、燃燒高溫達二千多度。E、高溫、高壓的燃氣推動活塞下行作功，達下止點。4、排氣沖程A、當活塞下行到下止點前，排氣閥打開B、迅速排出的殘余高溫、高壓氣體，繼續(xù)作功，帶動增壓氣渦輪工作。（7）柴油機講義柴油機講義C、當活塞越過上止點后，上行將氣缸內殘氣排出。D、當活塞上行到上止點前某點時進氣閥開啟，為下一個工作循環(huán)做準備。E、在這個時刻進、排氣閥同時開啟，進氣壓力大于廢氣，將殘余廢氣迅速吹走。（通常叫作掃氣）（三）曲軸轉角與配氣相位圖通常是將曲軸的轉角按360o在坐標系中來劃分每個活塞沖程的行程與曲軸轉角的相互關系。曲軸轉角連桿傳動使活塞的往復運動與曲軸的轉動是相對應的。因此，通常把四沖程柴油機曲柄旋轉軌跡（0o~720o轉角）描述活塞在氣缸運動的軌跡。配氣相位圖坐標圖解形式描述活塞在氣缸中上、下止點間的運動位置，并在坐標系中以曲軸轉角，按進、排氣門啟閉位置繪制的圖叫配氣相位圖。四沖程柴油機理論上講：第一沖程：活塞從上止點行到下止點就是曲軸0o~180o（這叫進氣沖程）第二沖程：活塞從下止點行到上止點就是曲軸180o~360o（這叫壓縮沖程）第三沖程：活塞從上止點行到下止點就是曲軸360o~540o（這叫作功沖程）第四沖程：活塞從下止點行到上止點就是曲軸540o~720o（這叫排氣沖程）（8）柴油機講義柴油機講義柴油機講義排出廢氣，爾后越過下止點向上止點運行，再越過上止點42o時關閉。（活塞運行290o）此時當活塞快上止點前42o時，進氣門又提前打開了，為下一個工作循環(huán)作準備。這里又有一個進氣門開到派氣門關閉的84o的重疊角，1.9~2.0公斤壓力新鮮空氣迅速吹往廢氣集流管，使氣缸內充入新的空氣。凸輪軸的工作過程四沖程柴油機完成一個工作循環(huán)需要曲軸的兩個周期而凸輪軸配合工作則只需要轉一周就可以完成進氣、壓縮（含供油）、作功、排氣的所有工作過程。（9）實際上（以16V240為例）進氣時：活塞在離開上止點前半場42o左右打開。而到下止點遲后備干部42o時關閉，曲軸轉264o。壓縮時：活塞在進氣門關后開始到上止點也就是曲軸轉角的136o。由于燃油從噴入到高溫點燃需要時間即曲軸的轉角，故必須在上止點前邊21o時噴油。作功時：最高壓力和最高溫度是在活塞離開上止點某角10o左右是最佳點，這就是作功開始，活塞下行到下止點前段時間42o時排氣門打開，剩余的高溫、高壓迅速涌向集流管繼續(xù)作功。（活在行程135o）排氣時：活塞在下止點前段時間42o就打開柴油機講義二沖程柴油機理論上講：第一沖程：活塞從下止點往上止點運行時，越過下止點某個曲軸轉角時進、排氣閥關閉，隨著活塞的上行，活塞頂邊緣封閉進排氣門，開始壓縮空氣，在上止點前某個角度噴射燃油點火燃燒，然后到達上止點。就是曲軸0o~180o（這叫進氣、壓縮沖程）第二沖程：活塞從上止點向下止點運行高溫、高壓的燃氣推動活塞下行作功。當活塞接近進氣口時，排氣門打開，燃氣迅速排出。當活塞下行打開進氣門時，由儲氣室的壓力空氣迅速通過汽缸吹走汽缸內的殘存燃氣，使汽缸里充滿新鮮壓力空氣，為下個工作循環(huán)準備。這就是曲軸180o~360o（也叫壓縮、排氣沖程）這就是二沖程柴油機，在一個工作循環(huán)內，就完成四沖程柴油機進氣、壓縮、膨脹作功、排氣的二個循環(huán)過程，相當曲軸轉動兩周的轉角720o。而二沖程柴油機第一沖程就完成了進氣、壓縮過程；第二沖程完成膨脹作功、排氣的過程。也就是曲軸轉角的360o轉角。（10）柴油機講義柴油機講義柴油機講義東風型號10LE207J柴油機工作過程這種柴油機有上下兩根曲軸，是用垂直傳動軸將上曲軸的功率傳遞給下曲軸輸出的。為了有效的工作，下曲軸領先上曲軸12o。它分內、外止點。進、排氣口設在缸壁的上下部分?；钊鄬\動時分別啟閉氣口，現(xiàn)在了解一下柴油機工作過程：1、膨脹-換氣沖程活塞離開內止點后噴入汽缸中的燃油在高溫高壓下燃燒膨脹推動上下活塞向向運動，通過曲軸旋轉作功。由于下曲軸領先12度，故率先開啟排氣口，當上活塞開啟進氣口時，1.3公斤左右的新鮮空氣沖入汽缸內將殘余氣體從排氣排出，強制驅趕廢氣的現(xiàn)象也叫掃氣。2、換氣-壓縮沖程掃氣結束后活塞越過外止點向內止點運動，下活塞首先關閉排氣口，進氣口仍然進氣，通常稱之為后充現(xiàn)象，但瞬間隨上活塞轉動就關閉進氣口，上下活塞都越過外止點后向內止點運動，開始壓縮空氣直到接近內止點時，燃油開始噴射，為下一個循環(huán)作準備。參看（9頁）10E207J型柴油機配氣相位圖

（11）柴油機講義柴油機講義（四）柴油機的組成機車上使用的柴油機基本組成1、運動件2、固定件3、配氣機構4、進、排氣系統(tǒng)5、燃油系統(tǒng)6、功調系統(tǒng)7、機油系統(tǒng)8、冷卻水系統(tǒng)9、輔助系統(tǒng)10、防護系統(tǒng)11、柴油機編號國標GB725-82規(guī)定：柴油機的型號由阿拉伯數字和漢語拼音字母組成。柴油機型號分首、中、后及尾四個部分組成。首部：系列符號、換代標志符號。中部：缸數符號、氣缸排列形式、沖程符號、缸徑符號。后部：結構特征符號：無號—水冷式、F—風冷式、N—凝氣冷卻、S—十字頭式、Dz—可逆轉（直接換向）、Z—增壓。

用途特征符號：無號—通用型、T—拖、M—摩托車用、G—工程機械用、Q—車用、J—鐵路機車用、D—發(fā)電機組用、C—船用主機右機基本型、C1—船用主機左機基本型。尾部：區(qū)分符號。幾種柴油機型號：16V240ZJB、10E207J、G6300DzC、7FDL-16、（12）柴油機講義柴油機講義（五）柴油機編號國標GB725-82規(guī)定：柴油機氣缸編號規(guī)定由輸出端看自由端，右“Ⅰ”1、2、3、4、5、6、7、8、輸出自由左“Ⅱ”9、10、11、12、13、14、15、16、柴油機轉向輸出端曲軸順時針轉為“右轉”。反之則為“左轉”。（ND5

7FDL-16柴油機）柴油機發(fā)火順序：16V240ZJB、1-6-7-4-8-3-2-59-14-15-12-16-11-10-13。曲軸長：3775㎜重：1600㎏ND57FDL-16、1-3-7-4-8-6-3-5曲軸長：14呎5吩4394㎜重：4000磅1418㎏10E207J、1-6-10-2-4-9-5-3-7-8上曲軸：長3749㎜重1040㎏下曲軸：長3862㎜重1084㎏（六）柴油機技術經濟指標對于不同型號的柴油機工作情況，所反映的問題也有所不同的，通常是從四個方面來考慮。1、動力性柴油機發(fā)出功率與功率儲備量。2、經濟性運轉工況單位功率單位時間內所消耗的燃油量。3、可靠性滿負荷情況下及工作壽命內出現(xiàn)故障的次數與性質的大小。4、耐久性以兩次廠修之間工作壽命衡量。前兩項反映柴油機工作過程完善程度。后兩項則是機器部件的材質、結構、工藝、裝配技術與保養(yǎng)等因素。（13）柴油機講義柴油機講義柴油機的經濟指標：所謂柴油機的經濟指標，一般都是指其燃油消耗量與部件的磨損量（報廢時間）。技術經濟指標一般指的是兩類指標:(1)指示指標以工質對活塞作工為基礎，通常不講各類的摩擦與機械損耗。(2)有效指標動力由活塞傳到曲軸并以曲軸的實際功率輸出實效性計算方法。

第二講柴油機的受力分析柴油機運動件在高溫、高壓氣體的作用下工作條件十分惡劣，受到不同方向的作用力沖擊是一個復雜的過程。大體上分析為1、氣體力（含高溫、高壓的燃氣）、2、運動中的部件慣性力、3、運動件的重力4、動力機械的反作用扭矩5、摩擦面的摩擦力和支承反力、6、安裝的預緊力、7、熱應力8、共振產生的復雜應力等。（14）柴油機講義柴油機講義一、氣體力氣體力是指氣缸內工質（氣體壓力）的作用力。這種氣體壓力隨著曲軸的轉動在氣缸內作往復運動。二、運動慣性力曲軸連桿機構在機體內運動，由于自身的質量產生往復運動的慣性力和曲軸旋轉的離心力。（這種慣性力的存在要消耗一定的有效能量）三、氣體力與往復運動慣性力的合力氣缸內的爆發(fā)壓力氣體力與往復運動慣性力隨時隨地都是沿著氣缸中心線方向上下運動，兩者都作用在活塞組上形成合力。四、運動慣性力對柴油機的影響1、合力對活塞組的影響：強大爆發(fā)氣體壓力對活塞產生沖擊，同時合力對活塞頂部產生形變、活塞銷發(fā)生彎曲、氣缸兩側的壓力迫使活塞變形、活塞銷的襯套也受到不同程度上抵壓變形等。2、合力對曲柄連桿組的影響：活塞的沖擊力與曲軸的反作用力，首先是曲軸的彎曲、扭曲變形，主軸瓦連桿瓦受到沖擊擠壓變形、運動中的連桿連接螺栓拉伸變形。3、合力對曲軸組的影響：連桿在活塞的推動下推動曲柄銷作圓周運動，即輸出扭矩。這時候，主軸（15）柴油機講義徑載荷加大，即受到連桿的推力與離心運動慣性力。而法向力迫使曲柄銷彎曲變形振動。四、合力對氣缸套的影響氣體壓力作用在缸壁四周，汽缸套脹大并產生較大的內應力。高溫高壓氣體破壞密封缸蓋螺栓與活塞的氣環(huán)都受到較大的擠壓應力或附加彎曲應力，同時還受到化學腐蝕和水蝕等。五、合力對機體的影響如燃氣壓力通過缸蓋螺栓作用到機體上；側壓力使機體受到一種傾覆力的