石油钻井柴油机教案.docx

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石油钻井柴油机教案

第一章绪论

§1.1内燃机概述

一、内燃机的基本概念

1、发动机：

将某种形式的能量→机械能的装置。

（如：

风力发动机、水力发动机、电力发动机、热力发动机、原子能发动机等。

）

2、热机（热力发动机）：

热能→机械能的装置。

（1）内燃机：

指燃料在热机内部燃烧的热机。

分为：

汽油机、柴油机、煤气机等。

柴油机：

指将柴油燃烧所产生的热能通过一定方式转变为

机械能，带动其他机械工作的热机。

（2）外燃机：

指燃料在热机外部燃烧的热机。

柴油机是当前石油勘探的主要动力设备

带动钻机：

PZ12V190B、8V190

井场发电机组：

4125、4135、12V135和6160

二、内燃机的发展

三、内燃机的分类

1、按所用燃料不同分：

柴油机、汽油机、天燃气机等

2、按点火方式不同分：

压燃式、点燃式。

3、按冲程数不同分：

二冲程、四冲程内燃机

4、按气缸数目不同分：

单缸、多缸内燃机

5、按冷却方式不同分：

水冷、风冷式。

6、按转速高低不同分：

高速、中速、低速。

四、构成柴油机的机构和系统

1、曲柄连杆机构：

热能→机械能

2、配气机构与进排气系统：

定时地排出废气，吸入新鲜空

气，提供燃料燃烧所需的充足氧气

3、燃料供给系统：

定时定量地向气缸内供应一定压力的柴油，满足燃烧过程的需要。

4、润滑系统：

将机油送到柴油机运动部件的摩擦表面，以减少运动动部件的磨损和摩擦阻力。

5、冷却系统：

利用冷却介质（水或空气），将受热无零件所吸收的热量及时传送出去，以保证柴油机各零件在高温环境中正常工作

6、启动系统：

借助外部能源（如压缩空气、电力）带动柴油机转动，使柴油机实现第一次着火。

7、机体组件：

构成柴油机骨架，支承所有运动件和辅助系统。

小结

发动机

水力发动机

风力发动机

原子能发动机

热力发动机（热机）

电力发动机

外燃机

内燃机

………

柴油机

汽油机

天燃气机

2、内燃机的分类方式

3、构成柴油机的两大机构、五大系统

1、内燃机和柴油机的概念

§1.2柴油机的工作原理

一、钻井工作对柴油机的要求

1、具有足够的功率；在1103～2942Kw之间

2、具有良好的超载性能；

3、具有较宽的调速范围；

4、要求经济、可靠、耐用、维修方便、操作简单等。

二、柴油机的工作原理和工作过程

1、基本工作原理

使柴油在汽缸内燃烧，将燃料的化学能转变为热能，并利用燃气为介质，再将热能转变为机械能。

2、工作过程：

进气→压缩→燃烧膨胀（工作过程）→排气过程

三、柴油机常用名词术语

1、上止点（上死点）

2、下止点（下死点）

3、冲程（行程）：

S=2rr—曲柄半径

4、缸径：

指汽缸的直径

5、汽缸工作容积（活塞排量）：

Vh=π／4D²S×10

6、燃烧室容积：

Vc

7、汽缸总容积：

Va=Vh+Vc

8、压缩比：

ε=Va／Vc,

柴油机：

ε=12～22；汽油机：

ε=5～9

上止点

下止点

行程

汽缸工作容积

燃烧室容积

汽缸总容积

9、压缩室高度（余隙高度或上量）：

活塞位于上止点时，活塞顶平面与汽缸盖底平面之间的距离。

10、最大爆发压力：

燃料燃烧时产生的气体压力的最大值

11、平均有效压力：

假定一个在整个活塞行程内大小不变的压力作用在活塞

上，使活塞在一个行程内所做的功与整个工作循环所做的

有效功相等。

这个假定的压力就叫平均有效压力。

12、活塞平均速度：

活塞速度的平均值。

13、强化指标：

活塞平均速度与平均有效压力的乘积。

四、单缸四冲程柴油机工作原理

四冲程柴油机：

指每完成一个工作循环（即完成进气、压

缩、工作、排气四个过程）活塞要连续运

行四个冲程（曲轴转两圈）的柴油机。

第一冲程：

进气冲程。

活塞由上止点→下止点

第二冲程：

压缩冲程。

活塞由下止点→上止点

第三冲程：

工作冲程（燃烧膨胀冲程）

活塞由上止点→下止点

第四冲程：

排气冲程。

活塞由下止点→上止点

提问：

（1）怎样实现柴油机的连续工作循环呢？

（2）二冲程柴油机完成一个工作循环，曲轴转几圈？

实际中：

进、排气门早开，晚关

五、多缸柴油机的工作

1、多缸柴油机：

指由若干个（2个以上）相同的单缸排在一个

机体上共用一根曲轴输出动力的柴油机。

常用：

四缸、六缸、八缸及十二缸四冲程柴油机。

分为：

（1）直列式柴油机

（2）V型柴油机

常用柴油机气缸编号：

左

右

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

1

2

3

4

右

左

功率输出端

1

2

3

4

5

6

左

右

2、多缸柴油机工作顺序（点火顺序）

指各缸工作冲程（燃烧膨胀冲程）发生的顺序。

点火间隔角：

φ=720°／i；式中i—气缸数

（1）4125型柴油机：

φ=720°／4=180°

点火顺序为：

1-3-4-2或1-2-4-3

（2）6135型柴油机：

φ=720°／6=120°

点火顺序为：

1-5-3-6-2-4或1-4-2-6-5.

（3）Z12V190B柴油机：

φ=720°／12=60°

点火顺序为：

1-8-5-10-3-7-6-11-2-9-4-12

各缸工作情况：

表1-1

§1.3柴油机的主要性能指标及

型号编制规则

一、主要性能指标

1、功率：

单位时间内所作的功，用¡°N¡±表示。

指示功率：

Ni

有效功率：

Ne,柴油机从曲轴上向外输出的净功率。

（1）15分钟功率

（2）1小时功率

（3）12小时功率（额定功率）

（4）持续功率（持久功率）

PZ12V190B型柴油机

额定功率：

882.6Kw

持久功率：

794Kw

2、有效燃油消耗率（ge）

指单位有效功率在单位时间内所消耗的燃油量。

ge=Gr∕Ne×10³g∕（kw.h）

式中：

Gr—柴油机每小时的燃油消耗率，公斤／小时

3、有效扭矩（Me）

指柴油机飞轮端对外输出的扭矩，单位为N·m

4、有效热效率（ηe）：

ηe=0.3～0.45之间。

5、机械效率（ηm）：

ηm=Ne∕Ni

二、内燃机名称和型号编制规则

1、内燃机的名称

按所采用的燃料来命名。

如柴油机、汽油机、天燃气机、煤气机、沼气机、双燃料发动机等。

2、内燃机型号

由数字和汉语拼音字母及GB1883中关于气缸布置所规定的象形字符号组成。

包括气缸数、机型系列、变型符号及用途和结构特点等内容组成。

GB725-91规定主要内容如下：

首部+中部+后部+尾部

系列代号

换代符号

地方企业代号

首部

缸数符号（、、）

汽缸布置形式符号

冲程符号（四冲程不标、E-二冲程）

缸径符号（气缸直径mm）

中部

4

6

12

用途特征符号（基本型略）

结构特征符号（水冷略、F-风冷、Z-增压）

后部

区分符号（标定转速符号）

尾部

气缸直径135mm

（2）Z12V190B柴油机

（3）Z8V190MD-1柴油机

表示转速为1200r／min、沙漠地区发电机组用、八缸四冲程V型、缸径190mm的增压柴油机

总结

1、内燃机和柴油机的概念

2、柴油机的基本名词术语（上、下止点，冲程和压缩比）

3、单缸四冲程柴油机的工作原理和过程

4、多缸柴油机的点火顺序和发火间隔角

5、柴油机的型号含义：

4135、6135、PZ12V190B

6、组成PZ12V190B型柴油机的机构、系统及作用

§2.3配气机构与进排气系统

一、配气机构

1、功用

按照柴油机各缸工作顺序，定时地打开和关闭进、排气门，以保证吸足新鲜空气，并把燃烧后的废气排出。

2、组成及原理

由凸轮轴、挺柱、推杆、气门摇臂、气门组件等组成。

挺柱

推杆

凸轮轴

气门

气门导管

气门弹簧

3、Z12V190B型柴油机配气机构（顶置式）

（1）气门组件

①气门：

控制进、排气道的开启和关闭。

分进、排气门

使用中进、排气门不能互换，其中进气门杆顶部加工有一细环形槽以区别。

②气门导管：

控制气门运动，保证气门落座准确

③气门弹簧及锁紧装置

保证气门驱动机构不因运动件的质量灌性力使各构件在接触处分离；气门关闭时保持气门与气门座之间严密密封。

图2-30

（2）气门驱动机构

①凸轮轴：

通过传动件准确地按一定时间控制气门的开启

与关闭，保证按一定规律进行换气。

②挺柱：

将凸轮的推力通过推杆和摇臂传到气门。

结构：

平面、滚子、摇臂滚子。

③推杆：

中空细长杆，一端球头、一端球状凹坑

④摇臂：

长臂、短臂。

二、配气相位与气门间隙

1、配气相位

用曲轴转角来表示进、排气门的开闭时刻和持续时间称配气相位。

2、气门间隙：

一般指气门杆顶端与摇臂之间的间隙。

用c

表示。

气门间隙不宜过大或过小。

一般c=0.25～0.45。

排气门间隙略比进气门大些

Z12V190B柴油机：

进气门：

c1=0.43mm，排气门：

c1=0.48mm

小结

（1）配气机构的组成及功用

Z12V190B柴油机配气机构：

顶置式，四气门：

两进两排

（2）Z12V190B柴油机进、排气门的区别方法

进、排气门不能互换

（3）Z12V190B柴油机的气门间隙及测量

进气门：

0.43mm，排气门：

0.48mm。

（4）配气相位：

进、排气门要早开晚闭

三、齿轮系与进排气系统

1、齿轮系（柴油机的传动系统）

（1）功用：

将曲轴的运动传到各辅助系统（如凸轮轴、

喷油泵、机油泵、水泵等）带动他们运转。

（2）组成：

图2-38.（胶片）

2、进气系统

（1）功用：

把新鲜空气经过滤清净化后，送入气缸内，

以满足柴油机工作所需的空气。

（2）组成：

由空气滤清器、进气菅及气缸盖中的进气道

等零部件组成。

Z12V190B柴油机进气系统（增压、中冷形式）：

（1）空气滤清器（复合式）

图2-40

至气缸

进气管

空气滤清器

压风机

中冷器

（2）防爆装置：

当柴油机发生机械故障或在工作环境中出现可燃气体时，能够迅速切断柴油机进气通路，使柴油机紧急停车。

图2-41

3、排气系统

功用：

排出柴油机燃烧后的废气，降低噪音，增加安全性

组成：

包括气缸盖中的排气道、排气管和消音灭火器等组成

§2.4燃料供给系统

一、燃料供给系统的作用、组成

1、作用：

根据柴油机的工况要求，定时、定量、定压的

将柴油喷入燃烧室内，并使其雾化且与空气充

分混合，以实现燃烧、做功过程；同时，通过

系统内的喷油泵及调速器的作用，以控制柴油

机在给定工况下稳定运行。

2、组成：

由燃油箱、输油泵、柴油滤清器、喷油泵、喷

油调速器和燃油输送管系等组成。

3、Z12V190B柴油机燃油路线：

输油泵

滤清器

高压油泵

喷油器

燃油箱

二、Z12190B柴油机燃料供给系统零部件

1、低压油路部件

①油箱：

贮存燃油，容量为柴油机能工作8～10小时

②输油泵：

保证连续向喷油泵供燃油。

摆线转子输油泵

③柴油滤清器：

清除柴油中的杂质，保证燃料供给系统正常

工作。

2、高压油路部件

①高压油泵（喷油泵）：

柴油机的心脏，常用柱塞式喷油泵

②调速器：

机械式、气动式、液压式。

常用机械式。

③喷油器：

将燃油雾化成较细的油滴以利着火燃烧，同时使

喷柱的形状同燃烧室形状适当配合。

Z12V190B型柴油机润滑系统

一、润滑系统的作用

向柴油机各摩擦表面提供充足的机油，以减小磨损，保证其正常工作。

同时还具有散热、清洁、密封和防腐蚀作用

二、润滑方式

飞濺润滑、压力润滑、复合润滑、滴油润滑四种方式。

复合润滑：

飞濺润滑+压力润滑

三、润滑系统主要部件

1、预供油泵：

在柴油机启动前，将机油压送到各摩擦表面。

以保证柴油机在启动过程中各摩擦表面具有必要的润滑。

手动油泵、气动油泵两种

5、油底壳

封闭曲轴箱、防止脏物进入柴油机内部，收集和储存机油。

分为：

干式—只收集机油用,湿式—可收集和储存机油

190系列柴油机采用湿式油底壳、整体焊接结构。

6、油压低自动停车装置

防止工作过程中因机油压力过低，使润滑条件恶化，造成柴油机重大事故。

图2-75

Z12V190B柴油机的冷却系统

一、冷却系统的作用

用水对柴油机进行冷却，使柴油机处于正常的工作温度范围。

190系列柴油机采用强制、水冷却方式。

二、主要零部件及功用

包括：

水泵、风扇、机油冷却器、节温装置、冷却管系、空气中间冷却器等。

三、冷却系统的组成

1、高温循环系统：

用来冷却气缸套、气缸盖等高温件。

冷却水温较高。

2、低温冷却系统：

用来冷却空气、机油。

冷却水温较低,传热少。

Z12V190B柴油机启动系统

一、启动系统的功用

借助外部能源，实现柴油机由静止到工作状态的转换。

即实现柴油机的启动过程。

启动的条件：

一定的外力

必要的启动转速

二、启动方式：

人力启动、电动启动、压缩空气启动、辅助发动机启动（即小汽油机启动）

Z12V190B柴油机采用气马达启动和电动机启动。

Z12V190B柴油机增压系统

一、增压系统的功用

在汽缸容积不变的情况下，通过提高进气压力增加充入汽缸内的空气量，加之喷入相应多的燃油达到增加柴油机输出功率的目的。

二、增压器的各类

①机械增压式②废气增压式③复合增压式

三、Z12V190B柴油机增压器

1、废气涡轮增压器的组成及工作原理

由相连在一起的压气机和涡轮机两大部分组成。

（1）离心式压气机工作原理：

图2-91

（2）涡轮机工作原理：

图2-92

2、废气涡轮增压器结构：

图2-93

水箱

水泵

机油冷却器

中冷器

Z12V190B柴油机低温循环系统