康明斯动力（深圳）有限公司

摘要：发动机机体零件包括汽缸体、汽缸套、汽缸盖、汽缸垫和机油盆等零件，是康明斯柴油发电机的主要固定件，曲轴连杆机构及其他机构和系统都固定在它们上面。发动机缸体是柴油发电机最重要的零件，其作用是提供各发动机及其部件的安装、支撑和保证活塞、连杆、曲轴等运动部件工作时的准确位置以及保证发动机的换气、冷却和润滑。因此，机体应具有足够的强度和刚度，且耐磨损和耐腐蚀，并应对气缸进行适当的冷却，以免机体损坏和变形。机体也是最重的零件，应该力求结构紧凑、质量轻，以减小整机的尺寸和质量。

一、气缸体的基本组成

1．汽缸体

      汽缸体是汽缸的主体。通常用铝合金或铸铁制成。多缸风冷式柴油机汽缸体一般都单个铸造，上面铸有许多散热片。水冷式柴油机缸体为整体铸造。如图1所示为直列气缸体，如图所示为W12气缸体。汽缸体上部有汽缸盖和汽缸垫，下部是曲轴箱，内有安装曲轴的轴承座及盖，曲轴箱的最下边固定有机油盆。机体前端是正时齿轮室，后端是飞轮壳，左侧是气门室。缸体的内部是汽缸，汽缸的侧面有气门座，汽缸的周围还有水套。

      多缸柴油机的汽缸排列形式有单列直立式、V形式、单列卧式和水平对置式几种。六缸以下水冷式柴油机多采用直列式，如图3所示。由于直立式不利于风冷散热，所以两缸以上风冷式柴油机，多采用水平对置式和V形式排列，如图4所示。

       发动机缸体是固定所有其他发动机零件的主要支撑结构。缸体是大型的铸铁或铸铝件。有两个主要部分：缸体部分和曲轴箱部分。

      以8缸发动机的缸体为例。缸体部分的作用是使活塞在工作过程中上下运动，其表面经过机加工，减小了活塞的磨损和摩擦。

      曲轴箱部分用来承载曲轴、油泵、油底壳和机油。冷却液通道镶嵌在缸体内。这些通道也称作水套，环绕在汽缸周围。冷却液通道使冷却液在汽缸部位循环，从而保持发动机的冷却。一些缸体上还有一些用于冷却凸轮轴的钻孔。缸体内还钻出了许多油孔，以保证发动机零件得到充分的润滑。缸体上还钻了一些其他的孔，以固定其他的零件。

2．汽缸

      汽缸是一圆柱形中空圆筒。它的功用是容纳进入发动机内部的可燃混合气，引导活塞作往复直线运动。在二冲程汽油机中，汽缸上还有进气孔、换气孔和排气孔。汽缸的工作是很繁重的，工作条件如下：

（1）它直接与燃烧气体接触，在高温高压情况下工作：同时受到高温气体的化学腐蚀作用。

（2）在工作过程中它不断与活塞摩擦，且润滑条件不好，机械磨损较大。

（3）汽缸需要及时地将热量散发出去，所以汽缸的内外层、上下端形成很大的温度差，产生热应力，水冷式尤为突出。

      因此，汽缸的材料必须具有足够的强度、耐腐蚀性和耐磨性。普通的汽缸多采用铸铁铸造，高速柴油机的汽缸，常采用合金铸铁铸造。为了提高汽缸的耐磨性，一般在汽缸表面进行多孔性镀铬。铬除了耐磨抗腐蚀外，还可以在表面形成许多细孔，这些细孔可以储存一些润滑油，形成一层油膜，改善润滑，减少机体磨损。为了提高汽缸的密封性，汽缸壁表面的加工，必须具有很高的精度和光洁度。

3．缸套

      有些发动机使用缸套。缸套不是在缸体内直接铸造出来的，而是嵌入一个机加工过的衬套。缸体在经过机加工后，再镶入衬套。采用缸套的目的是：汽缸如果损坏，可以很容易地拆卸和更新。没有缸套的缸体必须镗缸才能修复损坏部位。镗缸以后，就必须使用加大尺寸的活塞进行匹配。

（1）缸套的分类

      汽缸的形状随柴油机的种类和工作条件不同。有的是和汽缸铸在一起加工而成，有的是先制成衬套（缸套），然后再压入缸体内。汽缸套压入缸体后和冷却水直接接触的叫湿式汽缸套如图5（a）所示。汽缸套不和冷却水直接接触的叫干式汽缸套如图5（b）所示。前者冷却效果好，但缸套和缸体密封不好时，会向曲轴箱漏水。采用缸套的汽缸，其缸套可用优质材料制造，而缸体使用一般材料即可，这样可以提高发动机汽缸的质量，降低成本。同时缸套拆装方便，便于修理。

（2）缸套的镶入

      湿式汽缸套和干式气缸套其都是通过校压入缸体的孔中的。由于汽缸套自上而下都支撑在铸铁缸体上，所以可以加工得很薄。

      湿式汽缸套也是被压入缸体的。冷却液接触到汽缸套的中部，这就是将其称作湿式汽缸套的原因，如图6所示。由于它只在上部和下部有支撑，所以必须比干式汽缸套加工得厚一点。湿式汽缸套的顶部和底部必须采用密封件，以防止水从冷却系统中渗出。湿式汽缸套用在一些大型柴油机上。

4．汽缸盖

      汽缸盖又称缸头，装在缸体的上部，用螺栓紧固在汽缸体上。它的功用是与汽缸、活塞顶共同形成燃烧室。风冷式柴油机缸盖上铸有散热片，水冷式柴油机缸盖上有水套，并与缸体内水套孔相通。汽油机在缸盖上有火花塞孔。柴油机缸盖上有喷油器孔。四冲程柴油机顶置式气门机构的缸盖上，还铸有进排气门座、进排气门杆导孔和进排气道。

      汽缸盖的工作任务也很繁重，底部与燃气接触，承受高温高压，由于缸盖内外温差较大，形状又复杂，易产生不均匀的热应力。同时还要承受紧固螺栓产生的机械应力。因此，要求汽缸盖有足够的强度和刚度，与汽缸的接触面要平滑。

      汽缸盖的材料有用铸铁的，也有用铝合金的，柴油机一般用铸铁缸盖。汽油机有的用铝合金缸盖。铸铁汽缸盖的机械强度较高，铸造性和耐热性较好。铝合金缸盖导热性较好，有利于提高压缩比，但其刚度较差，容易变形。单铸的汽缸盖安装、修理比较方便，如风冷式则易于散热。水冷式则增加了出水支路，但在制造和安装上比前者复杂些。

 拆装汽缸盖时，必须注意对称的由中间向四周依次按规定的扭矩，逐步松开或拧紧螺栓，以防损坏汽缸盖和漏气、漏水。

5．汽缸垫

       可燃混合气在燃烧室膨胀时，将产生很高的燃气压力，水冷式的缸盖与缸体间又有水套连通，为防漏气、漏水，在汽缸盖和缸体之间必须安装汽缸垫。汽缸垫要具有足够的强度、耐热、耐腐蚀，密封性要好，便于拆装，使用时间长。

      目前，常用的汽缸垫是铜皮夹包石棉制成，如图7所示。在汽缸垫中各孔的周围，都有锒边，厚度较大，以增加密封的可靠性。也有紫铜或铝合金制成的垫片；这种垫片强度小，压紧时有塑性变形，可以提高密封效果，但不能多次使用。有些机温较高的风冷式柴油发电机也采用这种垫片，因为该垫片导热性好，可以使汽缸盖与缸体间的温差小一些，有利于缸盖的散热。近年来，有些发动机开始采用特种密封胶，彻底改变了传统的汽缸垫结构。

6．机油盆

      机油盆也称下曲轴箱，又称油底壳，安装位置如图8所示。其主要功能是收集和储存润滑油供润滑系统使用。同时用于密封缸体下部，并与其组成曲轴箱。

      柴油机的机油盆多用铸铁制成，机油盆内盛有机油，旁设油标尺，以测定油面的高低。油标尺上有两道刻线，上面一道表示油面的最高位置，油面过高会增加机油消耗，下面一道表示油面的最低位置，如低于此刻线即应添加机油。机油盆的最低处设有放油螺塞，用于放出变质机油和脏物。有的放油螺塞带有磁性，可以吸附机油中的铁质和磨粒。

      机油盆通过螺栓固定在汽缸体上，为防止盆中的机油漏出，接合面装有纸质或软木垫片。

二、气缸体加工部位

1．缸体的加工

      发动机号一般会在发动机缸体外表面上，缸体有一个小平面，一般是一个长方形的形状，这就是发动机号所在位置，如图9所示。在加工时，一定要注意不能销毁或磨平上面的数字，防止影响后期验证产品真伪的方法。

      制造缸体的第一步是设计模型，然后在模型周围用砂子制作砂芯。拆除模型后，模型的孔内就留下了砂芯。这些砂芯最终将成为冷却液道和汽缸。将熔化的金属倒入砂子做成的孔中。待金属冷却后，除去砂子，将砂芯敲碎后取出。这种结构称作铸造缸体。采用的金属通常是添加了几种特殊金属的灰铸铁。所添加的金属增加了缸体的强度和耐磨特性。其余的金属还有助于降低因燃烧产生的热所引起的收缩和翘曲。

      缸体在铸造完成后，要经过冷却和硬化，并对其表面进行机加工，以便其他零件能够安装在缸体上。这些表面包括汽缸、缸体上平面（台面）、凸轮轴座孔、曲轴轴孔，以及油底壳表面。缸体的前后端面和发动机的支座也要进行机加工，以使零件能够正确固定和密封，如图10所示。

      某些小型发动机也可压铸成型。就是将液态金属压入一个金属模内，而不是倒到砂芯中。这种铸件表面更加光滑，成形也更加精确。这种缸体的机加工量也较少。

2．型芯孔塞

      所有铸铁缸体都有型芯孔塞（铝制缸体没有型芯孔塞），这些孔塞也称作冰冻保护塞或膨胀塞。在缸体的加工过程中采用了砂型芯。当炽热的金属被倒入砂模时，这些砂型芯部分被破坏和熔解。但是，缸体上必须留一些孔，以便能够将内部孔道内的砂子取出来。这些孔就称作型芯孔。型芯孔经过机加工后，再将型芯孔塞塞进去。

      型芯孔塞由软金属制成。在某些情况下，型芯孔塞也可防止缸体产生裂纹。例如，如果在冬天冷却液中没有足够的防冻液，那么冷却液就可能会结冰，液体结冰就会膨胀，从而可能会导致缸体破裂。但是，如果膨胀发生在型芯孔塞附近，那么型芯孔塞就会弹出，因此可以保护缸体不致被胀裂。

3．铝制缸体与铸铁缸体的比较

      缸体可由铸铁制成，也可由铝制成。过去大多数缸体都是由铸铁制成的。铸铁改善了强度，能够调节因受热而产生的变形。但随着对发动机燃油经济性要求的不断提高，发动机制造商都在尽力减轻发动机重量。减轻发动机重量的途径之一就是减轻缸体的重量。因此，铝得到了应用。铝是一种很轻的金属。在将铝金属倒入铸模之前，要在铝金属中添加一些材料，目的是增加铝的强度，并且降低其在燃烧受热时翘曲的可能。铝制缸体还必须具有缸套或者嵌入缸体内的钢制的衬套。在将铝金属倒入铸模之前就应将钢制衬套放在铸模中。在倒入铝金属之后，钢制的衬套就无法拆下来了。

      铝金属中还要加入硅。通过特殊的工艺，硅集中在缸壁上。这种工艺减少了对钢制衬套的需要。此种设计被称为浸硅缸壁。采用这种设计的一个问题是需要使用高质量的机油。如果用户疏忽使用了低品质的机油，这种发动机通常达不到其预期的使用寿命。

4．活塞推力面

      当活塞在汽缸内上下移动时，活塞侧面存在较大和较小的两种推力。从发动机后面观察活塞时，较小的推力就是作用在活塞右侧上的压力。较小的推力产生在压缩冲程中，此时发动机顺时针转动。较大推力正好相反，当从后面观察且发动机顺时针转动时，较大的推力是作用在活塞左侧的压力。当活塞处于做功冲程时，产生较大的推力。当曲轴转过TDC时，活塞在较大和较小两种推力之间转换，此时产生活塞撞击，这就意味着活塞撞击到缸壁上。当活塞和缸壁之间的间隙过大时就会产生过量的撞击，这就会导致活塞和缸壁上产生噪声及磨损。通常通过更换活塞环或者镗缸后安装加大尺寸的活塞和活塞环来消除过量的活塞撞击。

5．汽缸磨损

      活塞和活塞环的运动使汽缸磨损均匀，逐渐变成了锥状。图11（a）说明了典型的汽缸是如何磨损的。只有在活塞环接触缸壁的地方才产生锥状。最大程度的磨损发生在汽缸顶部，最小程度的磨损发生在汽缸底部。这种磨损在汽缸孔的上部形成了隆起。大修过程中，一定要去掉隆起后再拆下活塞，如果隆起没有去掉，活塞一经拆卸就会损坏。新的活塞环在安装以后，敲打隆起的底部也可能被损坏。发电机组维修手册中所列出的制造商规范仅允许缸壁有一定量的锥度。过大的锥度会影响活塞环的端隙，如图11（b）所示。端隙过大，如缸壁顶部所示，会产生极大的活塞环端隙，这样就会产生过量窜气。

6．汽缸磨合

      当将新的活塞环放在活塞上时，活塞环以及缸壁没有完全密合，其差别如图12所示。活塞环接触汽缸的部位仅在活塞环上细微的突出部分。这就使得活塞环上细微部分和缸壁之间的密封不良。由此，活塞环和缸壁表面都被设计成略有凸凹，然后由于活塞环和缸壁开始磨损，表面上的突出部分就会先行磨损，接着这两个物体就会趋于密合。这个过程被称作发动机内的磨合。