船舶柴油機的基本知識

1、課題一 船舶柴油機的基本知識目的要求：1了解船舶柴油機的基本概念及優(yōu)缺點。 2掌握柴油機基本結構和主要系統(tǒng)。 3掌握柴油機主要結構參數(shù)。 4掌握四、二沖程柴油機的工作原理。 5比較四、二沖程柴油機工作原理與結構上的差別。 6了解船舶柴油機的基本分類和型號。重點難點：1柴油機與汽油機的區(qū)別。2進排氣重疊角、定時圖。教學時數(shù)：4學時教學方法：多媒體講授課外思考題：1 柴油機與汽油機有哪些區(qū)別？2 柴油機主要結構組成和作用。3壓縮比意義及對柴油機工作性能有什么影響？4四沖程柴油機各工作過程特征及特點。5二、四沖程換氣在工作上原理及結構上有什么差別？6四沖程柴油機進、排氣為什么都要提前和滯后？氣閥重疊

2、角有何作用？ 課題一 船舶柴油機的基本知識第一節(jié) 柴油機的概述及發(fā)展趨勢一、柴油機的概述1熱機 熱機是指把熱能轉換成機械能的動力機械。蒸汽機、蒸汽輪機以及柴油機、汽油機等是熱機中較典型的機型。 蒸汽機與蒸汽輪機同屬外燃機。在該類機械中，燃燒（燃料的化學能轉變成熱能）發(fā)生在汽缸外部（鍋爐），熱能轉變成機械能發(fā)生在汽缸內部。此種機械由于熱能需經某中間工質（水蒸氣）傳遞，必然存在熱損失，所以它的熱效率不高，況且整個動力裝置十分笨重。在能源問題十分突出的當前，它無法與內燃機競爭，因而已經在船舶動力裝置中消失。2內燃機 汽油機、柴油機以及燃氣輪機同屬內燃機。雖然它們的機械運動形式（往復、回轉）不同，但具

3、有相同的工作特點都是燃料在發(fā)動機的氣缸內燃燒并直接利用燃料燃燒產生的高溫高壓燃氣在氣缸中膨脹作功。從能量轉換觀點，此類機械能量損失小，具有較高的熱效率。另外，在尺寸和重量等方面也具有明顯優(yōu)勢，因而在與外燃機競爭中已經取得明顯的領先地位。 在內燃機中根據(jù)所用燃料不同，可大致分為汽油機、煤氣機、柴油機和燃氣輪機。它們都具有內燃機的共同特點，但又都具有各自的工作特點。由于這些各自不同的特點使它們在工作原理、工作經濟性以及使用范圍上均存在一定差異。如汽油機使用揮發(fā)性好的汽油做燃料，采用外部混合法（汽油與空氣在氣缸外部進氣管中的汽化器進行混合）形成可燃混合氣。缸內燃燒為電點火式（電火花塞點火）。這種工作

4、特點使汽油機不能采用高壓縮比，因而限制了汽油機的經濟性不能大幅度提高，而且也不允許作為船用發(fā)動機使用（汽油的火災危險性大）。但它廣泛應用于運輸車輛。3柴油機柴油機是一種壓縮發(fā)火的往復式內燃機。它使用揮發(fā)性較差的柴油或劣質燃料油做燃料。采用內部混合法（燃油與空氣的混合發(fā)生在氣缸內部）形成可燃混合氣；缸內燃燒采用壓縮式（靠缸內空氣壓縮形成的高溫自行發(fā)火）。這種工作特點使柴油機在熱機領域內具有最高的熱效率（已達到 55左右），而且允許作為船用發(fā)動機使用。因而，柴油機在工程界應用十分廣泛。尤其在船用發(fā)動機中，柴油機已經取得了絕對領先地位。根據(jù)英國勞氏船級社統(tǒng)計，1985年全世界制造的船舶中（2000t

5、以上）以柴油機作為推進裝置者占99.89，而到1987年100為柴油機船。船用主機經濟性、可靠性、壽命是第一位，尺寸、重量是第二位，低速機適用作船用主機，大功率四沖程中速機適用作滾裝船和集裝箱船，中、高速機適用作發(fā)電機組。柴油機通常具有以下突出優(yōu)點： （1）經濟性好。有效熱效率可達50以上，可使用廉價的重油，燃油費用低。 （2）功率范圍寬廣，單機功率從0.6kW45600kW，適用的領域廣。 （3）尺寸小，重量輕，有利于船舶機艙布置。 （4）機動性好。起動方便，加速性能好，有較寬的轉速和負荷調節(jié)范圍，可直接反轉，能適應船舶航行的各種工況要求。 同時，柴油機也具有以下缺點： （1）存在機身振動、

6、軸系扭轉振動和噪音。（2）某些部件的工作條件惡劣，承受高溫、高壓并具有沖擊性負荷。二、現(xiàn)代船用柴油機的發(fā)展趨勢 經過近幾十年尤其是近十年的發(fā)展，現(xiàn)代船用柴油機已經發(fā)展到一個較高的技術水平。今后，隨著生產力的發(fā)展，將會對船用柴油機提出更高的要求，船舶柴油機也將繼續(xù)發(fā)展改進。當前柴油機的發(fā)展可以概括為：以節(jié)能為中心，充分兼顧到排放與可靠性的要求，全面提高柴油機性能。根據(jù)此發(fā)展目標，今后的研究趨勢大致為：1）提高經濟性的研究，包括燃燒、增壓、低磨損等的研究；2）降低柴油機的排放的研究，排放是現(xiàn)代柴油機面臨的嚴重挑戰(zhàn)，隨著對船舶柴油機排放控制的限制，使得經濟性的提高更加困難，這也是船舶柴油機發(fā)展中的新

7、課題；3）提高可靠性與耐久性的研究；4）電子控制技術的研究；5）代用燃料的研究。1現(xiàn)代船用柴油機提高經濟性的主要措施現(xiàn)代船用大型低速柴油機近十多年在提高經濟性方面取得的成效超過了過去幾十年。各種節(jié)能措施相繼出現(xiàn)并日趨完善，這些措施主要有： 1）采用定壓渦輪增壓系統(tǒng)和高效率廢氣渦輪增壓器。 2）增大行程缸徑比SD。 3）提高最高爆發(fā)壓力pz與平均有效壓力pe之比pzpe。4）增大壓縮比。 5）采用可變噴油定時（VIT）機構。 6）降低摩擦損失功提高機械效率m。 7）采用動力渦輪系統(tǒng)（TCS）。 8）軸帶發(fā)電機（PTO）。 9）柴油機廢熱再利用。 10）改進噴射與燃燒技術。2現(xiàn)代船用低速柴油機的結

8、構特點 1）燃燒室部件普遍采用鉆孔冷卻結構。 2）采用旋轉式排氣閥及液壓式氣閥傳動機構。 3）噴油泵采用可變噴油定時（VIT）機構。 4）采用薄壁軸承。 5）采用獨立的氣缸潤滑系統(tǒng)。 6）曲軸上增設軸向減振器。 7）焊接曲軸。 第二節(jié) 柴油機的基本結構一、柴油機的基本工作原理 柴油機是一種壓縮發(fā)火的往復式內燃機。它的基本工作原理是使燃油直接在發(fā)動機的氣缸中燃燒，將燃油的化學能轉變成熱能，從而生成高溫高壓的燃氣，因燃氣膨脹，推動活塞運動，通過曲柄連桿對外做功，將熱能轉變?yōu)闄C械能。 柴油機必須經過進氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣五個過程才能完成了一個工作循環(huán)。然后不斷重復進行這些過程，使柴油機持續(xù)工作

9、。二、柴油機的基本結構（教材圖1-1）圖1-l 柴油機的基本結構組成l-氣缸蓋；2-活塞；3-氣缸套；4-心活塞銷；5-連桿；6-連桿螺栓；7-曲軸；8-機座；9-主軸承；10-機體；11-凸輪軸；12-噴油泵；13-頂桿；14-進氣管；15-搖臂；16-過氣閥；17-高壓油管；18-噴油器；19-排氣閥；20-氣閥彈簧；21-排氣管 （1）固定部件 主要由氣缸蓋、氣缸套、機體、機座、主軸承等構成柴油機本體和運動件的支承，并和有關運動部件配合構成柴油機的工作空間。 （2）運動部件 主要由活塞、活塞銷、連桿，連桿螺栓、曲軸等組成。它們與固定部件配合完成空氣壓縮及熱能到機械能的轉換。 （3）配氣系

10、統(tǒng) 它包括進氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)。 進氣系統(tǒng)主要由空氣濾清器、進氣管件、氣缸蓋內的進氣道、進氣閥、氣閥彈簧、搖臂、頂桿、凸輪軸和凸輪軸傳動機構等所組成，用來在規(guī)定的時間內向氣缸內充入足夠的新鮮空氣。 排氣系統(tǒng)主要由排氣閥、氣閥彈簧、搖臂、頂桿、凸輪軸和傳動機構以及排氣管、排氣消音器等組成。用來在規(guī)定時間內將氣缸內作功后的廢氣排入大氣。 （4）燃油系統(tǒng) 它包括供應和噴射兩個系統(tǒng)。前者由日用油柜、燃油濾清器，輸油泵等組成，后者由噴油泵、高壓油管和噴油器組成。其功用是供給柴油機燃燒作功所需的燃油。 （5）潤滑系統(tǒng) 主要作用是潤滑摩擦表面，以減少機件的磨損，延長使用壽命，降低摩擦功率損失，提高機械效率。

11、（6）冷卻系統(tǒng) 主要作用是維持柴油機受熱零部件在合適的溫度狀態(tài)下工作。 （7）起動系統(tǒng) 柴油機本身無自行起動能力。起動系統(tǒng)的任務就是使柴油機從停車狀態(tài)發(fā)動起來。 （8）調速裝置 調速裝置的作用是使柴油機能按外界阻力矩的變化而自動改變噴油泵的噴油量，從而使柴油機在選定轉速下穩(wěn)定運轉。 此外，船舶柴油機還設有換向裝置，并將起動、調速、換向和停車集中控制組成操縱系統(tǒng)。多數(shù)柴油機還設有增壓系統(tǒng)，用于進一步提高柴油機作功能力。 三、柴油機的基本結構參數(shù)（教材圖1-2）（1）氣缸直徑D：氣缸套的名義內徑。 （2）曲柄半徑R：曲軸的曲柄銷中心與主軸頸中心間的距離。 （3）上止點（TDC）：活塞在氣缸中運動的

12、最上端位置，也就是活塞離曲軸中心線最遠的位置。 （4）下止點（BDC）：活塞在氣缸中運動的最下端位置，也就是活塞離曲軸中心線最近的位置。 （5）沖程（S），又稱行程：活塞從上止點移動到下止點間的直線距離。它等于曲軸曲柄半徑R的兩倍（S2R）。活塞移動一個行程，相當于曲軸轉動180°（曲軸轉角）。（6）氣缸余隙容積（壓縮室容積Vc）：活塞在氣缸內上止點時，活塞頂上的全部空間（活塞頂、氣缸蓋底面與氣缸套表面之間所包圍的空間）容積。 （7）余隙高度（頂隙）：上止點時活塞最高頂面與氣缸蓋底平面之垂直距離。（8）氣缸工作容積（Vh）：活塞在氣缸中從上止點移動到下止點時所掃過的容積。 （9）氣缸

13、總容積（Va）：活塞在氣缸內位于下止點時，活塞頂以上的氣缸全部容積，亦稱氣缸最大容積。VaVcVh （10）壓縮比（）：氣缸總容積與壓縮室容積之比值，亦稱幾何壓縮比。VaVc1VhVc圖l-2 柴油機的主要幾何名稱壓縮比是柴油機主要性能參數(shù)之一，表示缸內工質被壓縮程度。愈大，被壓縮終點的壓力、溫度愈高，柴油機易起動，熱效率也高，過高使柴油機工作粗暴，機械負荷過大，磨損加劇，消耗壓縮功增大，機械效率降低，輸出功率減小?？赏ㄟ^改變Vc來調節(jié)。柴油機壓縮比約為1222。中、高速機壓縮比高于低速機。低速機：1315，中速機：1417，高速機：1522，增壓機：1114（低散熱少，增壓后Pc、Tc相應高

14、）。當氣缸直徑與活塞沖程確定后，氣缸工作容積Vh也隨著確定了，所以若要調整壓縮比，可通過改變壓縮容積Vc來實現(xiàn)。第三節(jié) 柴油機的工作原理一、四沖程柴油機工作原理（教材圖1-3）若柴油機工作循環(huán)的進氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣五個過程是通過四個沖程（即曲軸回轉兩周）來完成的，這種柴油機就叫四沖程柴油機。 第一沖程進氣沖程 這一沖程的任務是使氣缸內充滿新鮮空氣?；钊缮现裹c下行，進氣閥已打開，由于氣缸容積不斷增大，缸內壓力下降，依靠氣缸內外的氣壓差作用，新鮮空氣通過進氣閥被吸入氣缸。由于受流阻等影響，在進氣過程的大部分時間里，氣缸內壓力低于大氣壓力，到下止點時，缸內氣壓的為0.080.95Mpa，溫

15、度約為3070。這時，排氣閥和噴油器均關閉。 為了使柴油機作功更完善，必須在進氣過程盡可能多吸入新鮮空氣。進氣閥開啟始點至上上點的曲柄轉角叫做進氣提前角。下止點到進氣閥關閉位置的曲柄轉角叫做進氣延遲角（利用慣性進氣）。整個進氣過程所占的總角度約為220250°CA。第二沖程壓縮沖程 這一沖程的任務是壓縮第一沖程吸入的空氣，提高空氣的溫度與壓力，為柴油機燃燒及膨脹作功創(chuàng)造條件?；钊麖南轮裹c向上運動，自進氣閥關閉開始壓縮，一直到活塞到達上止點為止?；钊闲?，氣缸容積減少，缸內氣體壓力和溫度隨之升高，到達壓縮終點時，壓力增高到 36MPa，溫度升至 600700（柴油的自燃溫度為270左右

16、），通常壓縮終點的氣體壓力和溫度分別用Pc和tc表示。 四沖程機壓縮過程所占的總角度約為140160°CA。圖1-3 四沖程柴油機工作原理 第三沖程燃燒和膨脹沖程 這一沖程的任務是完成兩次能量轉換。在活塞到達上止點前，燃油經噴油器以霧狀噴入氣缸的高溫高壓空氣中，并與其混合，在上止點附近自燃，由于燃油強烈燃燒，使氣缸內氣體溫度迅速上升到14001800或更高些，壓力增加至58MPa，甚至13MPa以上。燃燒產生的最高壓力稱最高爆發(fā)壓力，用pz表示，最高溫度tz表示。高溫高壓燃氣（即工質）膨脹推動活塞下行作功。在上止點后的某一時刻燃燒基本結束，燃氣繼續(xù)膨脹，到排氣閥下止點前開啟時膨脹過程

17、結束。膨脹終了時氣缸內氣體壓力pb約為0.250.45MPa，溫度tb約為600700。 四沖程機燃燒膨脹過程所占的總角度約為130160°CA。 第四沖程排氣沖程 這一沖程的任務是將作功后的廢氣排出氣缸外，為下一循環(huán)新鮮空氣的進入提供條件。這一階段，要求廢氣排得越干凈越好，所以與進氣閥啟閉一樣，排氣閥也是提前開啟，延遲關閉。排氣閥開啟時，活塞尚在下行，廢氣靠氣缸內外壓力差進行自由排氣。從排氣閥開啟到下止點的曲柄轉角叫做排氣提前角。當活塞從下止點上行時，廢氣被活塞推出氣缸，此時排氣過程是在略高于大氣壓力（約1.051.1大氣壓），且在壓力基本不變的情況下進行的。排氣閥一直延遲到活塞到

18、達上止點之后才關閉，這樣可利用氣流的慣性作用，繼續(xù)排出一些廢氣。上止點到排氣閥關閉位置的曲柄轉角叫做排氣延遲角。 四沖程機排氣沖程所占的總角度約為210240°CA。二、四沖程柴油機的定時（教材圖1-4） 以上、下止點為基準，用曲柄轉角表示的進排氣閥、噴油器、起動閥開啟和完全關閉的時刻總稱為柴油機的定時（正時）。各種柴油機的定時是不同的，說明書上常用表格或定時圖來表示。氣閥啟閉時刻稱為配氣定時，噴油器開啟時刻稱為噴油定時。起動閥啟閉時刻稱為起動定時。圖l-4 6350C型柴油機定時圖 由圖可以看出，在進氣上止點前后進排氣閥同時開啟著，這段重疊的曲柄轉角稱為氣閥重疊角。適當?shù)臍忾y重疊角

19、不僅不會使廢氣倒灌入進氣管，而且還有利于廢氣的清除和新空氣的充入。因為此時廢氣因流動慣性按原方向繼續(xù)排出氣缸，進氣閥開度尚小，故不會向進氣管內倒灌，且在慣性排氣時，在燃燒室內形成低壓，造成抽吸氣體的有利條件，可將新氣吸入氣缸。新鮮氣充入后又可更好地將廢氣掃出，實行了所謂“燃燒室掃氣”。新鮮的空氣對燃燒室壁面能起到冷卻作用。三、二沖程柴油機的工作原理（教材圖1-5） 二沖程柴油機與四沖程柴油機基本結構相同，主要差異在配氣機構方面。二沖程柴油機沒有進氣閥，有的連排氣閥也沒有，而是在氣缸下部開設掃氣口、排氣口；或設掃氣口與排氣閥機構。并專門設置一個由運動件帶動的掃氣泵，及貯存壓力空氣的掃氣箱，利用活

20、塞與氣口的配合完成配氣，從而簡化了柴油機結構。 第一沖程掃氣及壓縮 活塞由下止點向上移動，活塞在遮住掃氣口之前，由掃氣泵供給儲存在掃氣箱內的空氣，通過掃氣口進入氣缸，氣缸中的殘存廢氣被進入氣缸的空氣通過排氣口f掃出氣缸?；钊^續(xù)上行，逐漸遮住掃氣口，當掃氣口完全關閉后，空氣停止充入，排氣還在進行，這階段稱為“過后排氣階段”。排氣口關閉時，氣缸中的空氣就開始被壓縮。當壓縮至上止點前時，噴油器將燃油噴入氣缸，與高溫高壓的空氣相混合，隨即在上止點附近發(fā)火，自行著火燃燒。圖l-5 二沖程柴油機工作原理示意圖 第二沖程燃燒膨脹及排氣 活塞在高溫高壓燃氣的推動下，由上止點向下運動，對外膨脹作功，活塞下行直

21、至排氣口f打開，膨脹作功結束，氣缸內大量廢氣靠自身壓力從排氣口排入到排氣管。當氣缸內的壓力降至接近掃氣壓力時（一般掃氣箱中的掃氣壓力為0.1050.140MPa），下行活塞把掃氣口打開，掃氣空氣進入氣缸，同時把氣缸內的廢氣經排氣口f趕出氣缸?；钊\行到下止點，本沖程結束，但掃氣過程一直繼續(xù)到下一個沖程排氣口關閉為止。四、二沖程柴油機與四沖程柴油機的比較二沖程柴油機與四沖程柴油機相比具有如下優(yōu)點： （1）提高了柴油機的作功能力對于兩臺氣缸直徑、活塞行程及轉速等相同的柴油機，二沖程柴油機的功率似乎應比四沖程大一倍。但實際上，由于二沖程柴油機氣缸上開有氣口而使工作容積有所減少，機械傳動的掃氣泵也要消

22、耗一定的功率等因素，二沖程柴油機的功率只能增大6080。顯然，若兩者功率相同，則二沖程柴油機的尺寸較小，重量較輕。 （2）改善了柴油機的動力性 由于二沖程柴油機曲軸每轉360°各缸作功一次，而四沖程柴油機每轉720°各缸作功一次，因而二沖程柴油機要比四沖程柴油機回轉均勻，可使用較小的飛輪。 （3）簡化了柴油機的結構 省去了進氣閥及其傳動裝置。對有些二沖程柴油機，還省去了排氣閥及其傳動裝置。所以，其維護保養(yǎng)就簡單方便得多。 二沖程柴油機雖然有以上優(yōu)點，但它也有其本身固有的缺點： （1）換氣質量差、熱效率低 因為二沖程柴油機換氣時間比四沖程柴油機短得多，且掃、排氣幾乎同時進行，

23、所以掃氣過程中新鮮空氣與廢氣滲混嚴重，還有部分新鮮空氣隨廢氣一起排出，增加了空氣消耗量，所以換氣質量差，進而影響燃油燃燒，熱能利用不充分，熱效率比四沖程柴油機低。 （2）熱負荷較高 在轉速相同時，二沖程機氣缸內每單位時間的燃燒次數(shù)是四沖程機的兩倍，因此，二沖程機與氣缸內高溫燃氣相接觸部件熱負荷比較高。二沖程柴油機的上述缺點，隨轉速的增加，會變得更加嚴重。所以，大型低速柴油機采用二沖程；小型高速柴油機采用四沖程；中型中速機，四沖程、二沖程均有采用，但以四沖程機為主。 二沖程柴油機與四沖程柴油機比較，除有以上優(yōu)缺點外，綜合而言尚有以下特點： （1）二沖程柴油機凸輪軸轉速與曲軸轉速相同；而四沖程柴油

24、機凸輪軸轉速是曲軸轉速的一半，即12。 （2）一個工作循環(huán)中，二沖程柴油機下行對外作功，上行則靠外力驅動，而四沖程機除燃燒膨脹沖程對外作功外，其它三個沖程都是耗功沖程。 （3）二沖程柴油機進排氣重疊角大約為80100°CA，四沖程柴油機的氣閥重疊角較小，約為2560°CA。第四節(jié) 船舶柴油機的分類和型號一、船舶柴油機的分類柴油機的用途極為廣泛，型號較多，但不論何種柴油機，其基本工作原理都是一樣的，只是在不同的方面各有其特點而已。下面介紹一些常見的船舶柴油機分類型式： （1）按工作循環(huán)特點分：四沖程柴油機和二沖程柴油機。 （2）按柴油機進氣方式分：增壓柴油機和非增壓柴油機。 （3）按柴油機轉速和活塞平均速度分： 柴油機的速度可以用曲軸轉速對或活塞平均速度Cm