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柴油机缸体组件的主要零件组成 |
摘要：缸体组件是柴油机的骨架，主要由气缸体、气缸与气缸套、气缸盖、气缸垫和油底壳等固定件组成。柴油机的所有运动机件和辅助系统都安装在它上面，而且其本身的许多部位又分别是柴油机曲柄连杆机构、配气机构与进排气系统、燃油供给与调速系统、润滑系统和冷却系统的组成部分。比如气缸盖上装有喷油器、气门组、摇臂和进排气管等。柴油机机体机架的作用是防止输出转矩时引起倾覆，承担整机重量，承受安装预紧力，承受气体力，承受运动惯性力。其惯性力与安装预紧力集中与贮存滑油并形成密闭空间，安放曲轴，并留有曲柄回转空间。对基座的基本要求是要有足够的刚度。
一、气缸体结构
多缸柴油机的各气缸通常铸成一个整体，称为气缸体。气缸体是柴油机的主体，是安装其他零部件和附件的支承骨架。气缸体应保证柴油机在运行中所需的强度，结构要紧凑。同时应尽可能提高其刚性，使柴油机各部分变形小，并保证主要运动件安装位置正确，运转正常。为了使气缸体在重量最轻的条件下具有最大的刚度和强度，通常在气缸体受力较大的地方设有加强筋。图1为康明斯B系列6缸柴油机气缸体及其相关组件的结构。气缸体常见的结构形式一般有以下四种形式。
1、普通式（平分式）
平分式特点是上曲轴箱的底平面与曲轴中心线在同一平面上。这种形式的优点是加工和拆装方便，但刚度差。主要用于车用汽油机，柴油机用得不多。如图2（a）所示。
2、龙门式
龙门式结构特点是曲轴箱接合面低于曲轴中心水平面，整个主轴承位于上曲轴箱内。其优点是结构刚度较好，缺点是加工不方便。中小功率柴油机多采用这种结构。如图2（b）所示。
3、隧道式
隧道式缸体结构特点是主轴承孔为整圆式，轴承采用滚动轴承。因此，这种机体结构紧凑，刚度最好。其缺点是机体显得笨重，结构较复杂。在小型单、双缸机中，为便于曲轴安装，采用这种结构为宜。对于多缸机而言，则须采用盘形滚动轴承作主轴承，较少采用这种结构。如图2（c）所示。
4、底座式
这种缸体的上曲轴箱内无主轴承，曲轴在下曲轴箱上安装，并承受主要负荷，底座式气缸体适用于大型柴油机。如图2（d）所示。
气缸体的材料一般采用优质灰铸铁。对于重量有特殊要求的发动机，有采用铝合金铸造机体的。铝合金机体的强度和刚度较差，而成本较高。
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图1 柴油机气缸体及其相关组件的结构 1-气缸体；2,14,15-定位环；3-主轴承盖；4-主轴承盖螺栓；5-凸轮轴衬套；6～9,11-碗形塞；10-机冷气腔；12-塞片；13-定位销；16-冷却喷嘴；17,18-锥形塞；19-矩形密封圈；20-水泵蜗壳；21-润滑油泵体 |
图2 柴油机气缸体的结构形式示意图 |
二、气缸套结构
气缸是用来引导活塞做往复运动的圆筒形空间。气缸内壁与活塞顶、气缸盖底面共同构成燃烧室，其表面在工作时与高温、高压燃气及温度较低的新鲜空气交替接触。由于燃气压力和温度的影响，加之活塞相对于气缸内壁的高速运动和侧压力的作用，气缸表面产生磨损。当气缸壁磨损到一定程度后，活塞环与气缸壁之间就会失去密封性，大量燃气漏入曲轴箱，使柴油机性能恶化，而且机油也较易变质。因此对气缸的材料、加工精度和表面粗糙度都有较高要求。通常柴油机的大修期限是根据气缸壁面的磨损情况来决定的。为了提高气缸的强度和耐磨性，便于维修和降低成本，通常采用较好的合金材料将气缸制成单独的气缸套镶入气缸体中。一般气缸套采用耐磨合金铸铁制造，如高磷铸铁、含硼铸铁、球墨铸铁或奥氏体铸铁等。为了使气缸套的耐磨性更好，有的气缸套还进行了表面淬火、多孔镀铬、喷钼或氮化处理等。
常用的气缸套可分为干式和湿式两种，如图3所示。
1、干式气缸套
干式气缸套［图3（a）］是壁厚为1～3mm的薄壁圆筒，其特点是缸套的外表面不与冷却水直接接触。采用干式缸套的优点是机体刚度较好，不存在冷却水密封问题；缺点是缸套的散热条件不如湿式缸套好，加工面增加，成本高，拆卸困难。
2、湿式气缸套
湿式气缸套［图3（b）］是壁厚为5～9mm的圆筒，其外壁直接与冷却水相接触。优点是装拆方便，冷却可靠，容易加工；缺点是机体的刚度较差，漏水的可能性比较大。柴油机大多采用湿式气缸套。
湿式气缸套因外壁直接与冷却水接触，所以在缸套的外表面制有两个凸出的圆环带，以保证气缸套的径向定位和密封。如图4所示，缸套的轴向定位是利用上端的凸台，凸台下面装有密封铜垫片。缸套外表面的下凸出圆环带上装有1～3个耐热耐油的橡胶密封水圈，有的发动机则把密封水圈安装在机体上。缸套装入机体后，其凸缘顶面应高于机体顶面0.06～0.15mm，以使气缸盖能压紧在气缸套上。有的发动机在气缸套下端开有切口，以保证连杆在其最大倾斜位置时不致与缸套相碰。
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图3 柴油发电机气缸套 |
图4 湿式气缸套结构参数示意图 |
三、气缸盖结构
气缸盖装于气缸体上部，用缸盖螺栓按规定力矩紧固在气缸体上。其功用是封闭气缸上平面，并与气缸和活塞顶构成燃烧室。
1、气缸盖结构形式
气缸盖的结构常见的有三种形式：
① 单缸式，即每一个气缸有一个单独气缸盖；
② 双缸式，即每两个气缸共用一个气缸盖；
③ 多缸式，即每列气缸共用一个气缸盖，又称整体式。
柴油机气缸盖的热负荷十分严重，由于它上面装有进、排气门，气门摇臂和喷油器等零部件，而且气缸盖内布置有进、排气道和机油道等，基本结构如图5所示。特别是风冷式柴油机的气缸盖，散热片的布置比较困难。如果喷油器冷却效果不好、温度过高，则喷油器针阀容易咬死或出现其他故障，由于排气门受热严重，如冷却不良也会加剧磨损而降低其使用寿命。所以对于一些重要部件均需保证有足够的冷却效果。气缸盖常用材料为高强度灰铸铁HT20-40、HT25-47。大型或强化柴油机采用合金铸铁或球墨铸铁。风冷柴油机或特殊用途柴油机常用铝合金铸铁气缸盖。
2、气缸垫
气缸垫装于气缸体和气缸盖接合面之间，其功用为补偿接合面的不平处，保证气缸体和气缸盖间的密封。它对防止“三漏”（漏水、漏气和漏油）关系甚大，其厚薄程度还会影响柴油机的压缩比和工作性能，因此，在使用和维修柴油机时应注意保证气缸垫良好，更换时应按照原来标准厚度选用。
气缸垫要求耐高温、耐腐蚀，并具有一定的弹性。同时还要求拆装方便，能多次重复使用。常用的气缸垫为金属-石棉缸垫，如图6所示。这种气缸垫的外廓尺寸与缸盖底面相同，在自由状态时，厚约3mm，压紧后约为1.5～2mm。缸垫的内部是石棉纤维（夹有碎铜丝或钢屑），外面包以铜皮或钢皮。有的气缸垫在气缸孔的周围用镍皮镶边，以防止燃气将其烧损。在过水孔和过油孔的周围用铜皮镶边。这种气缸垫的弹性好，可重复使用。
在强化或增压发动机上，常用塑性金属（如硬铝板）制成的金属衬垫作气缸垫。金属衬垫强度好，耐烧蚀能力强。
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图5 柴油机气缸盖及其相关组件的结构 1-气缸盖定位环；2-气缸盖总成；3-碗形塞；4-燃油滤清器接头；5,7-内六角锥形螺塞；5A-扩口式锥螺纹直通管接头体；6-方槽锥形螺塞；6A-直角管接头体；8-气门杆油封 |
图6 柴油发电机气缸垫示意图 |
四、油底壳结构
油底壳（又称下曲轴箱）主要用于收集和储存润滑油，同时密封曲轴箱。油底壳一般用1～2mm厚的薄钢板冲压或焊接而成，也有用铸铁或铝合金铸成的。康明斯系列柴油机均采用湿式油底壳储存机油。在4、6、12缸基本型柴油机的油底壳内，均设有油池和挡油板，可满足柴油机在纵倾小于15°时正常工作。油底壳的基本结构如图9所示。
柴油机工作时，润滑系统工作状况分别用油温表、压力表及机油标尺等进行监视。为此，在油底壳上装有油温表接头和指示机油平面位置的机油标尺，在油底壳的侧面或底部还装有放油螺塞，以便放去污油。
1、油标尺
由于油底壳形状及要求储存机油容量的不同，因此各种油底壳所采用的机油标尺也不相同。在柴油机基本保持水平状态下，标尺上的刻线“静满”表示柴油机起动前应有的机油平面；“动满”表示柴油机运转时应保持的机油平面；“险”表示应立即添加机油的最低位置。因此，在柴油机工作时，应经常用机油标尺检查油底壳内的机油平面位置，以防油面过低引起柴油机润滑故障；油面过高易引起漏油。
2、挡油板
油底壳的结构形状主要是根据机油的容量、柴油机的安装位置以及在使用中的纵横倾斜角度来决定。为了保证润滑油泵能经常吸油，其后部较深，整个底部呈斜面以保证供油充足。对于热负荷较大的柴油机，油底壳带有散热片以降低机油的温度。为防止润滑油激溅，油底壳中多设有挡油板。
通常，挡油板在油底壳的上方，如图10所示。这个挡板用来防止机油四处飞溅。如果机油四处飞溅得太多，气泡会进入机油产生泡沫。泡沫不像机油那样来润滑、冷却、清洁或密封发动机。油底壳外侧有许多肋片，这些肋片可帮助散热，有利于油温的稳定。
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图9 柴油机油底壳基本结构 |
图10 带挡板油底壳的结构示意图 |
总结：
气缸体作为一种重要的机械元件，具有传递力量、稳定运动、换向控制、位置感知和防护保养等多种功能。通过合理设计和使用，可以实现对气动组件的精确控制和稳定运行，提高柴油发电机的工作效率和可靠性。在未来的发展中，随着科技的进步和工艺的改进，相信气缸体的功能会越来越强大，应用范围也会更加广泛。
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