钻井平台柴油机教材Word文件下载.docx

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3、按照缸数分类可分为单缸、多缸。

单缸是指一台内燃机只有一个汽缸。

多缸是指一台内燃机具有两个或两个以上汽缸。

多缸内燃机根据汽缸排列方式不同，又可分为以下几种型式：

1）直列立式是指所有汽缸中心线在同一垂直平面内；

2）直列卧式是指所有汽缸中心线在同一水平平面内；

3）“V”形式是指汽缸中心线分别在两个平面内，并且两平面相交呈“V”形；

4）“W”形式是指汽缸中心线分别在三个平面内，并且三平面相交呈“W”形。

4、按照冷却方式分类可分为风冷、水冷。

风冷是利用空气作为冷却介质。

水冷是利用水作为冷却介质。

5、按照进气方式分类可分为增压、非增压。

非增压是指内燃机上没有增压器，空气是靠活塞的抽吸作用进入汽缸。

增压是指在内燃机上安装有增压器，空气通过增压器提高压力，然后进入汽缸。

增压内燃机根据进入汽缸内的空气压力不同，又可分为低增压、中增压和高增压。

6、按照点火方式分类可分为点燃式、压燃式。

点燃式是利用外界热源点燃燃料，使其着火燃烧。

汽油机、天然气机就属于点燃式。

压燃式是利用汽缸内的空气被高度压缩后所产生的高温，使燃料自行着火燃烧。

柴油机就属于压燃式。

7、按照转速分类可分为高速（1000r／min以上）、中速（600～1000r／min）和低速（600r／min以下）。

8、按照用途分类可分为固定式（发电）、移动式（船舶、工程机械、机车）等。

二、内燃机的名称和型号

为了便于对内燃机的管理和使用，国家对内燃机的名称和型号的编制方法做了统一规定，主要有以下几项内容。

1．内燃机的名称

内燃机的名称一般按照所使用的燃料来命名，如柴油机、汽油机、天然气机等。

2．内燃机的型号

内燃机的型号应能反映出它的主要结构及性能，其主要内容有以下四项：

1）汽缸数用数字表示每台机器具有的汽缸数目，一般放在型号的首部，如4、6、12分别表示4缸、6缸、12缸。

2）机型系列汽缸直径和冲程数，一般标注在中部，汽缸直径用数字表示，其单位为mm，如160、190表示其汽缸直径为160mm、190mm，二冲程用E表示，四冲程不加标记。

3）3500系列柴油机命名

3：

Caterpillar柴油发动机代号

5：

Caterpillar柴油发动机缸径大小代号如：

34系列、35系列、36系列

00：

代表气缸数量，如8缸、12缸、16缸等

由于柴油机具有功率大、结构紧凑、轻巧、便于搬动和安装、燃料和水消耗较小等特点，目前在石油钻井中，多数采用它作为动力机械，因此在这里仅对柴油机进行分析。

一、柴油机工作条件及过程

燃料的燃烧必须具备两个条件：

一是要有充足的氧气；

二是要达到一定的温度。

柴油机是通过吸入新鲜空气并使之压缩来满足上述条件的。

要保证柴油机能够连续地对外做功仅此是不够的，还要有对外做功和排除废气的过程。

因此，柴油机是通过以下四个过程来实现由燃料燃烧产生热能到对外做功的：

1、进气过程将新鲜空气吸入汽缸，提供燃料燃烧所需的氧气；

2、压缩过程将吸入汽缸的空气进行压缩，使其温度升高，达到燃料燃烧所需的温度；

3、燃烧膨胀过程燃料燃烧，气体膨胀，推动活塞下行对外做功；

4、排气过程将废气排出，为再吸人新鲜空气做准备。

柴油机通过上述过程的周而复始，不断完成由燃料燃烧产生热能到对外做功。

柴油机每个过程完成一遍称为一个工作循环。

二、四冲程柴油机工作原理

在活塞连续运行四个冲程（曲柄旋转两周）的过程中完成一个工作循环的柴油机叫做四冲程柴油机。

四冲程柴油机的工作原理如图1-2所示。

图1-1

第一冲程：

进气冲程。

活塞在旋转曲柄的带动下从上止点移动到下止点，这时进气门开启、排气门关闭。

随着活塞的不断下移、汽缸容积逐渐变大，致使汽缸内的气压低于外面的空气压力，在汽缸内、外压差的作用下，外面的新鲜空气通过进气门进入汽缸。

第二冲程：

压缩冲程。

活塞在旋转曲柄的带动下从下止点移动到上止点，在此期间，进、排气门都处于关闭状态。

随着活塞的不断上移、汽缸容积逐渐变小，第一冲程吸人的新鲜空气不断被压缩，压力和温度不断升高。

到压缩终了时，缸内气体温度可达到500～700℃，柴油喷入后即可自行燃烧（柴油的自燃温度约为200～300℃）。

第三冲程：

做功冲程。

在压缩冲程接近终了时，安装在汽缸顶部的喷油器将柴油以雾状喷入汽缸。

雾状柴油迅速与压缩空气混合，形成可燃混合气体后立即燃烧。

燃料燃烧使汽缸内空气的温度和压力急剧升高，推动活塞由上止点往下止点运行，通过连杆带动曲轴旋转而对外做功。

第四冲程：

排气冲程。

活塞在旋转曲轴的带动下，又从下止点移动到上止点，此时进气门关闭、排气门开启。

随着活塞的不断上移、汽缸容积逐渐变小，迫使燃烧后的废气排出汽缸，为下一个工作循环做好准备。

当排气终了时，活塞又回到了上止点。

至此，在曲轴旋转720°

之内，柴油机完成了一个工作循环。

随后，曲轴依靠飞轮的惯性（单缸）继续旋转，工作循环不断进行，实现四冲程柴油机连续的对外做功。

三、二冲程柴油机工作原理

二冲程柴油机工作时同样要完成进气、压缩、燃烧膨胀、排气四个过程。

与四冲程柴油机所不同的是完成这四个过程活塞只需运行两个冲程（曲柄旋转一周）。

其工作原理如下：

进气和压缩冲程。

活塞在曲柄的带动下由下止点移动到上止点。

当活塞由下止点向上止点移动而未遮盖住扫气口前，由扫气泵送来的空气经扫气口进入汽缸形成一个回流路线清扫废气。

在清扫废气的同时，新鲜空气也充满了汽缸。

当活塞上移遮盖了进气口时，汽缸内的空气被逐渐压缩，开始了压缩过程。

到压缩终了时，汽缸内的温度就达到了柴油自燃的温度。

做功排气冲程。

压缩终了时，燃油喷入汽缸立即燃烧，汽缸内空气的温度和压力急剧升高，推动活塞由上止点往下止点运行，通过连杆带动曲轴旋转而对外做功。

当活塞移动一段距离后，排气门打开，燃烧后的废气利用自身的压力自行排气。

当活塞运行到进气口显露位置后，扫气泵将新鲜空气压入汽缸再进行扫气。

直到活塞到达下止点时，第二冲程便结束。

同四冲程柴油机一样，上述过程的周而复始，使二冲程柴油机连续对外做功。

从二冲程柴油机与四冲程柴油机的工作过程相比较中，我们可以看出：

二冲程柴油机大大缩短了辅助过程所占用的时间，当曲轴旋转一圈，便完成一个工作循环。

从理论上讲，当两种类型的柴油机工作容积与转速都完全相同的情况下，二冲程柴油机应比四冲程柴油机功率大一倍，但实际上达不到这一水平。

其原因是：

1、二冲程柴油机必须借助于扫气泵进行扫气，扫气泵工作时要消耗掉一部分功率；

2、二冲程柴油机的换气过程，达不到像四冲程柴油机那样的完善，残余废气量较大。

同时，由于进气孔的存在，缩短了有效冲程。

因此，二冲程柴油机的功率，实际上只能达到相同工作容积和转速的四冲程柴油机功率的1.5～1.7倍。

四、多缸柴油机的工作特点

在柴油机的一个工作循环过程中，我们可以看到只有燃烧膨胀过程是做功的，而进气、压缩、排气三个辅助过程是不做功的。

它们不仅不做功，而且还要消耗一部分能量用来克服进、排气和压缩气体时产生的阻力。

因此，在柴油机运行时，由于各冲程中能量的消耗和获得不同，从而造成了柴油机运转的不均匀。

柴油机运转的不均匀既满足不了生产的需要，又使各运动件承受冲击载荷，引起运动件的严重磨损，甚至造成破坏。

因而，提高柴油机运转的均匀性是十分必要的。

要提高柴油机运转的均匀性通常采用的方法有两种：

一是在曲轴上安装飞轮；

二是采取多缸结构。

安装在曲轴上的飞轮利用其转动惯性，可以将柴油机燃烧膨胀过程中的部分能量储存起来，而当其他三个过程需要能量时再释放出来，这样就可缓和柴油机运转的不均匀性。

要保证单缸柴油机的正常运转，就必须安装一个尺寸与重量相当大的飞轮，这样势必造成柴油机结构庞大，重量增加。

此外，对单机功率要求较大的柴油机，若仍采用单缸型式，就必须将汽缸直径做得很大。

为了解决这一难题，人们采用了多缸柴油机。

多缸柴油机是指在同一台机器上安装两只或两只以上的汽缸。

采取多缸结构的柴油机可以利用安装在同一根曲轴上的活塞连杆，把处于不同工作过程中的汽缸相互联系起来，平衡产生能量与消耗能量的冲程给柴油机带来的运转不均匀，使柴油机的运转平稳。

常见的多缸柴油机有2、4、6、8、12、16缸等类型。

多缸柴油机在工作时，同一时刻各缸的工作过程并不相同，它是按照一定的工作顺序，以一定的曲轴间隔角来进行的。

若柴油机有i个汽缸，则每个汽缸的工作间隔角（φ）为：

多缸柴油机根据各缸排列的方式不同，可分为直列式和“V”形式两类。

为了方便使用和管理，国家标准对汽缸编号进行了规定。

主要的内容如下：

1、同一台柴油机连续编号；

2、直列式柴油机从自由端开始依次向功率输出端编号；

3、“V”形式柴油机从自由端看先分左右列，后从右列自由端向功率输出端编号，再从左列自由端向功率输出端依次编号。

钻井平台常用的3512B型柴油机有12只“V”形排列的汽缸，工作间隔角为60°

，发火顺序为：

1—12—9—4—5—8—11—2—3—10—7—6。

柴油机常用名词术语

1）上止点：

活塞离开曲轴中心最远位置时活塞顶相对于汽缸的位置。

（2）下止点：

活塞离开曲轴中心最近位置时活塞顶相对于汽缸的位置。

（3）冲程：

也叫行程，是活塞从一个止点移动到另一个止点时所经过的距离，用S表示，单位为mm。

（4）缸径：

汽缸的直径，用D表示，单位为mm。

（5）汽缸工作容积：

活塞从一个止点移动到另一个止点时所扫过的空间容积，用VS表示，单位为m3。

（6）燃烧室容积：

活塞位于上止点时，其顶以上的空间容积，用VC表示，单位为m3。

（7）汽缸容积：

活塞位于下止点时其顶以上的空间容积，用Va表示，单位为m3。

（8）压缩比：

汽缸容积与燃烧室容积之比，用ε表示，表达式为

压缩比的大小标志着柴油机工作时汽缸内气体被压缩的程度，压缩比越大，压缩终了时汽缸内温度和压力就越高，喷人柴油后越易燃烧，柴油机启动就越容易。

一般柴油机的压缩比限定在13～20之间。

（9）最大爆发压力：

燃料燃烧时汽缸内产生压力的最大值，用Px表示，单位为MPa。

（10）发动机排量：

各缸工作容积之和，用V表示，若用i表示汽缸数，则v=iVs，单位为m3。

（11）供油提前角：

在压缩冲程上止点前，喷油泵出油阀刚刚开始出油时所对应的曲轴转角。

（12）配气相位：

用曲轴转角来表示进排气门的开关时刻与持续时间。

（13）进气门提前角：

进气门在上止点前提前打开的时间所对应的曲轴转角。

（14）进气门迟闭角：

进气门在下止点后延迟关闭的时间所对应的曲轴转角。

（15）排气门提前角：

排气门在下止点前提前打开的时间所对应的曲轴转角。

（16）排气门迟闭角:

排气门在上止点后延迟关闭的时间所对应的曲轴转角。

（17）气门间隙：

气门在完全关闭状态下，气门杆端面与摇臂端面间的间隙。

（18）临界转速：

柴油机曲轴发生共振时的转速。

各平台柴油机型号

B4-----------------------------------------CAT3516A×

4发动机组

B5-----------------------------------------CAT3516A×

5发动机组

B7-----------------------------------------TBD620V12×

B9-----------------------------------------CAT3512B×

B10----------------------------------------CAT3516A×

B12----------------------------------------CAT3516A×

N1-----------------------------------------CAT3516A×

N2-----------------------------------------WarF312V×

3发动机组

N4-----------------------------------------EMD3900PS×

N5-----------------------------------------KVGB-12×

N6-----------------------------------------F312V×

935----------------------------------------CATD399×

931----------------------------------------CAT3600×

941----------------------------------------CAT3516B×

942----------------------------------------CAT3516B×

COSL1--------------------------------------CAT3512B×

COSL2--------------------------------------CATD399×

COSL3--------------------------------------CAT3512B×

COSL4--------------------------------------CAT3512B×

COSLLR5001---------------------------------CAT3512B×

COSLLR5002---------------------------------CAT3512B×

COSLLR7001---------------------------------CAT3512B×

COSLLR7002---------------------------------CAT3512B×

COSLLR7003---------------------------------CAT3512B×

COSLLR7004---------------------------------CAT3512B×

表1-23500B型柴油机技术规格

续表

基本型号

项目

3508A

3512B

3516B

额定转速

1000－1800

气缸及排列

60度V8

60度V12

60度V16

缸径

170mm（6.7inch）

冲程

190mm（7.5inch）

类型

四冲程循环

压缩比

14：

1

吸气类型

涡轮增压式

冷却涡轮增压后的空气方法

独立回路后冷（可选）

水套水后冷

每缸排量

4.3L（263in）

总排量

34.5L（2105in）

51.8L（3158in）

69.1L（4210in）

旋转方向（从飞轮端看）

标准旋转方向：

反时针方向

可选旋转方向：

顺时针方向

燃油喷射方式

机械燃油喷油器电子燃油喷射器

启动方式

空气启动马达/电启动马达

排气背压（设计）

2.5kpa

最大允许背压

6kpa

进气门间隙

0.5mm

排气门间隙

1mm

燃油喷射器高度

64.34mm

净质量（kg）

6882

5554

7795

最低空载稳定转速（r／min）

300-900

润滑油加注量

标准油底壳

227L

318L

405L

深油底壳

443L

625L

807L

冷却液加注量（机体）

114L

160L

235L

发火顺序

1－2－7－3－4－5－6－8

1－12－9－4－5－8－11－2－3－10－7－6

1－2－5－6－3－4－9－10－15－16－11－12－13－14－7－8

燃油消耗率（g/kw·

h）

230

199

208

润滑方式

压力和飞溅润滑

4.1.1.柴油机的机构、系统及技术规格包括部件

一、柴油机的机构与系统

对于四冲程柴油机来讲，要完成工作循环、实现变热为功的工作过程，一般要有以下机构与系统。

1、机体组件：

构成柴油机的骨架，支承所有的运动件和辅助系统。

2、曲柄连杆机构：

完成柴油机活塞往复运动向曲轴旋转运动的转换，实现对外做功。

3、配气机构与进、排气系统：

实现柴油机换气过程，提供燃料燃烧所需的氧气。

4、燃料供给系统：

提供柴油机燃烧所需的燃料，创造燃烧条件、满足燃烧过程的需要。

5、润滑系统：

将机油送到各摩擦表面，实现润滑。

6、冷却系统：

将受热零件的热量传递出去，保证柴油机正常工作。

7、启动系统：

实现柴油机由静止到运转的过程。

8、增压系统：

提高进气压力，增加柴油机有效功率。

4.1.2.柴油机的机体与气缸盖图1－2

①机体的结构形式

②气缸套

③油底壳

④气缸盖

⑤气缸盖螺栓

6气缸垫

图1－2

柴机体组件包括机体、汽缸套、汽缸盖等零部件，是柴油机的固定部分。

一、机体

1、功用

1）支持运动件，使它们工作时保持相互正确位置。

2）加工有油道、水道，保证有关零件在工作时必要的冷却与润滑。

3）安装柴油机各辅助系统。

4）作为柴油机使用和安装时的支承。

2、结构型式

机体一般采用铸铁制成，也有的采用铝合金铸造或钢板焊接制成。

机体是由汽缸体和曲轴箱两部分组成。

按其两者结合的型式不同，可分为整体式和分开式两种型式。

1）整体式

汽缸体与曲轴箱制成一个整体，如Z12V190B、4135、4125型柴油机的机体就属于这种型式。

整体式机体的特点是结构紧凑、刚性好，但加工制造困难。

2）分开式

汽缸体与曲轴箱分开制造，然后安装在一起，如3500型柴油机就属于这种型式。

分开式机体的特点是加工制造方便，但结构复杂，刚性差。

二、汽缸体

汽缸体部分的作用是用来安装汽缸套。

根据其冷却方式的不同，可分为风冷式和水冷式汽缸体两种，石油矿场所使用的柴油机大多数是水冷式。

1、风冷式汽缸体

依靠流经汽缸体外表面的空气，带走汽缸所吸收的热量。

为了增加汽缸体表面的散热面积、提高冷却效果，风冷式柴油机的汽缸体一般都制做成单体型式，并在汽缸体外表面上铸有许多皱折状的散热片，钻井平台使用的应急空压机的柴油机驱动部分一般都采用这种形式。

2、水冷式汽缸体

依靠流经汽缸体内部的冷却水进行冷却。

这种型式的汽缸体内部都铸有冷却水腔。

冷却水腔构成型式有两种：

一种是整个汽缸套座孔内为一整个空腔，与汽缸套外壁构成一个环行空间；

另一种是围绕汽缸座孔周围，铸有一个封闭的环行空间，冷却水从环行空间流过，将汽缸套所吸收的热量带走。

水冷式柴油机汽缸体部分，通常做成整体结构，一个汽缸体上加工有多个汽缸套座孔，每个汽缸套座孔内的冷却水腔互相贯通。

三、曲轴箱

曲轴箱部分的作用是支承曲轴，使柴油机各运动部件保持一定的相对位置；

它有三种基本型式：

悬挂式、隧道式和底座式。

石油矿场所使用的柴油机大多数是悬挂式曲轴箱。

四、汽缸套

1）与活塞、汽缸盖组成气体压缩、燃料燃烧、气体膨胀的空间。

2）作为活塞来回运动的导向面。

3）向周围介质散发部分热量。

2、工作条件及要求

汽缸套所处的工作环境十分恶劣，内表面直接受到高温、高压燃气作用，工作过程中温度变化剧烈，燃烧过程中燃气温度最高可达2000℃，而进气过程中冷空气温度只有几十度。

汽缸套外壁还受到冷却水的作用，产生严重的腐蚀作用。

活塞往复运动时，又会造成汽缸套严重地磨损，是柴油机上最易损坏的零件之一。

汽缸套的使用可靠性，在很大程度上决定着柴油机的使用期限。

为了保证汽缸套工作的可靠性，汽缸套必须满足下列要求：

1）要有足够的强度，能承受热负荷和机械负荷的作用；

2）缸套内壁要具有高的精度、低的粗糙度，要有耐磨、抗腐蚀的能力；

3）外表面对冷却水应有一定抗腐蚀能力；

4）能保证对汽缸工作容积及冷却水具有可靠的密封。

汽缸套一般采用优质铸铁离心浇铸加工而成。

铸铁材料除了具有成本低、制造方便和具有足够的强度性能外，它的耐磨性也较好。

3、结构型式

现场上，常见的汽缸套有干式与湿式两种型式。

1）干式汽缸套：

缸套外壁不与冷却水相接触。

冷却水是在汽缸体封闭空间内流动，不需要特殊的密封装置，避免了冷却水对汽缸套外壁的腐蚀，但散热效果较差。

2）湿式汽缸套：

缸套外壁直接与冷却水相接触。

特点是散热效果好，但冷却水腔密封困难，冷却水对汽缸套外壁腐蚀严重。

五、汽缸盖

1）密封汽缸，与活塞、汽缸套组成气体压缩、燃料燃烧、气体膨胀的空间。

2）构成进、排气通道。

3）安装有关零件。

汽缸盖结构必须满足下列要求：

1）具有足够的强度和刚度，以保证在气体压力和热应力作用下可靠地工作，并与汽缸套结合面具有良好的密封性；

2）汽缸盖内进、排气道应使气体通过时流动阻力最小；

3）具有可靠的冷却，以保证安装在汽缸盖上面的各零件可靠地工作。

汽缸盖一般采用铸铁制成，常见的型式有单缸、双缸及多缸式等结构型式。

单缸式是每个汽缸有独立的汽缸盖；

双缸式是两个汽缸共用一个汽缸盖；

多缸式是每排汽缸共用一个汽缸盖。

汽缸盖底平面压在汽缸套上凸缘平面上（在两者之