船舶柴油機的基本知識4103

船舶柴油機的基本知識課題?船舶柴油機的基本知識?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。4．掌握四、?沖程柴油機的?作原理。5．?較四、?沖程柴油機?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?重疊?、定時圖。教學時數：4學時教學?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?。3．壓縮?ε意義及對柴油機?作性能有什么影響？4．四沖程柴油機各?作過程特征及特點。5．?、四沖程換?在?作上原理及結構上有什么差別？6．四沖程柴油機進、排?為什么都要提前和滯后？?閥重疊?有何作?？課題?船舶柴油機的基本知識第?節(jié)柴油機的概述及發(fā)展趨勢?、柴油機的概述1．熱機熱機是指把熱能轉換成機械能的動?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)?在汽缸外部（鍋爐），熱能轉變成機械能發(fā)?在汽缸內部。此種機械由于熱能需經某中間?質（?蒸?）傳遞，必然存在熱損失，所以它的熱效率不?，況且整個動?裝置?分笨重。在能源問題?分突出的當前，它?法與內燃機競爭，因?已經在船舶動?裝置中消失。2．內燃機汽油機、柴油機以及燃?輪機同屬內燃機。雖然它們的機械運動形式（往復、回轉）不同，但具有相同的?作特點──都是燃料在發(fā)動機的?缸內燃燒并直接利?燃料燃燒產?的?溫?壓燃?在?缸中膨脹作功。從能量轉換觀點，此類機械能量損失?，具有較?的熱效率。另外，在尺?和重量等??也具有明顯優(yōu)勢，因?在與外燃機競爭中已經取得明顯的領先地位。在內燃機中根據所?燃料不同，可?致分為汽油機、煤?機、柴油機和燃?輪機。它們都具有內燃機的共同特點，但?都具有各?的?作特點。由于這些各?不同的特點使它們在?作原理、?作經濟性以及使?范圍上均存在?定差異。如汽油機使?揮發(fā)性好的汽油做燃料，采?外部混合法（汽油與空?在?缸外部進?管中的汽化器進?混合）形成可燃混合?。缸內燃燒為電點?式（電?花塞點?）。這種?作特點使汽油機不能采??壓縮?，因?限制了汽油機的經濟性不能?幅度提?，?且也不允許作為船?發(fā)動機使?（汽油的?災危險性?）。但它?泛應?于運輸車輛。

3．柴油機柴油機是?種壓縮發(fā)?的往復式內燃機。它使?揮發(fā)性較差的柴油或劣質燃料油做燃料。采?內部混合法（燃油與空?的混合發(fā)?在?缸內部）形成可燃混合?；缸內燃燒采?壓縮式（靠缸內空?壓縮形成的?溫??發(fā)?）。這種?作特點使柴油機在熱機領域內具有最?的熱效率（已達到55％左右），?且允許作為船?發(fā)動機使?。因?，柴油機在?程界應??分?泛。尤其在船?發(fā)動機中，柴油機已經取得了絕對領先地位。根據英國勞?船級社統(tǒng)計，1985年全世界制造的船舶中（2000t以上）以柴油機作為推進裝置者占99.89％，?到1987年100％為柴油機船。船?主機經濟性、可靠性、壽命是第?位，尺?、重量是第?位，低速機適?作船?主機，?功率四沖程中速機適?作滾裝船和集裝箱船，中、?速機適?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?廉價的重油，燃油費?低。（2）功率范圍寬?，單機功率從0.6kW～45600kW，適?的領域?。（3）尺??，重量輕，有利于船舶機艙布置。（4）機動性好。起動?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?的各種?況要求。同時，柴油機也具有以下缺點：（1）存在機?振動、軸系扭轉振動和噪?。（2）某些部件的?作條件惡劣，承受?溫、?壓并具有沖擊性負荷。?、現(xiàn)代船?柴油機的發(fā)展趨勢經過近??年尤其是近?年的發(fā)展，現(xiàn)代船?柴油機已經發(fā)展到?個較?的技術?平。今后，隨著?產?的發(fā)展，將會對船?柴油機提出更?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?，充分兼顧到排放與可靠性的要求，全?提?柴油機性能。根據此發(fā)展?標，今后的研究趨勢?致為：1）提?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?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?更加困難，這也是船舶柴油機發(fā)展中的新課題；3）提?可靠性與耐久性的研究；4）電?控制技術的研究；5）代?燃料的研究。1．現(xiàn)代船?柴油機提?經濟性的主要措施現(xiàn)代船??型低速柴油機近?多年在提?經濟性??取得的成效超過了過去??年。各種節(jié)能措施相繼出現(xiàn)并?趨完善，這些措施主要有：1）采?定壓渦輪增壓系統(tǒng)和?效率廢?渦輪增壓器。2）增??程缸徑?S／D。3）提?最?爆發(fā)壓?pz與平均有效壓?pe之?pz／pe。4）增?壓縮?ε。5）采?可變噴油定時（VIT）機構。6）降低摩擦損失功提?機械效率ηm。7）采?動?渦輪系統(tǒng)（TCS）。8）軸帶發(fā)電機（PTO）。9）柴油機廢熱再利?。10）改進噴射與燃燒技術。2．現(xiàn)代船?低速柴油機的結構特點

1）燃燒室部件普遍采?鉆孔冷卻結構。2）采?旋轉式排?閥及液壓式?閥傳動機構。3）噴油泵采?可變噴油定時（VIT）機構。4）采?薄壁軸承。5）采?獨?的?缸潤滑系統(tǒng)。6）曲軸上增設軸向減振器。7）焊接曲軸。第?節(jié)柴油機的基本結構?、柴油機的基本?作原理柴油機是?種壓縮發(fā)?的往復式內燃機。它的基本?作原理是使燃油直接在發(fā)動機的?缸中燃燒，將燃油的化學能轉變成熱能，從??成?溫?壓的燃?，因燃?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?、壓縮、燃燒、膨脹和排?五個過程才能完成了?個?作循環(huán)。然后不斷重復進?這些過程，使柴油機持續(xù)?作。?、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-?缸蓋；2-活塞；3-?缸套；4-?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?管；15-搖臂；16-過?閥；17-?壓油管；18-噴油器；19-排?閥；20-?閥彈簧；21-排?管（1）固定部件主要由?缸蓋、?缸套、機體、機座、主軸承等構成柴油機本體和運動件的?承，并和有關運動部件配合構成柴油機的?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?壓縮及熱能到機械能的轉換。（3）配?系統(tǒng)它包括進?系統(tǒng)和排?系統(tǒng)。進?系統(tǒng)主要由空?濾清器、進?管件、?缸蓋內的進?道、進?閥、?閥彈簧、搖臂、頂桿、凸輪軸和凸輪軸傳動機構等所組成，?來在規(guī)定的時間內向?缸內充??夠的新鮮空?。排?系統(tǒng)主要由排?閥、?閥彈簧、搖臂、頂桿、凸輪軸和傳動機構以及排?管、排?消?器等組成。?來在規(guī)定時間內將?缸內作功后的廢?排???。（4）燃油系統(tǒng)它包括供應和噴射兩個系統(tǒng)。前者由??油柜、燃油濾清器，輸油泵等組成，后者由噴油泵、?壓油管和噴油器組成。其功?是供給柴油機燃燒作功所需的燃油。（5）潤滑系統(tǒng)主要作?是潤滑摩擦表?，以減少機件的磨損，延長使?壽命，降低摩擦功率損失，提?機械效率。（6）冷卻系統(tǒng)主要作?是維持柴油機受熱零部件在合適的溫度狀態(tài)下?作。（7）起動系統(tǒng)柴油機本????起動能?。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?是使柴油機能按外界阻?矩的變化??動改變噴油泵的噴油量，從?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)。多數柴油機還設有增壓系統(tǒng)，?于進?步提?柴油機作功能?。三、柴油機的基本結構參數（教材圖1-2）（1）?缸直徑D：?缸套的名義內徑。（2）曲柄半徑R：曲軸的曲柄銷中?與主軸頸中?間的距離。（3）上?點（TDC）：活塞在?缸中運動的最上端位置，也就是活塞離曲軸中?線最遠的位置。（4）下?點（BDC）：活塞在?缸中運動的最下端位置，也就是活塞離曲軸中?線最近的位置。（5）沖程（S），?稱?程：活塞從上?點移動到下?點間的直線距離。它等于曲軸曲柄半徑R的兩倍（S＝2R）?；钊苿?個?程，相當于曲軸轉動180°（曲軸轉?）。（6）?缸余隙容積（壓縮室容積Vc）：活塞在?缸內上?點時，活塞頂上的全部空間（活塞頂、?缸蓋底?與?缸套表?之間所包圍的空間）容積。（7）余隙?度（頂隙）：上?點時活塞最?頂?與?缸蓋底平?之垂直距離。（8）?缸?作容積（Vh）：活塞在?缸中從上?點移動到下?點時所掃過的容積。（9）?缸總容積（Va）：活塞在?缸內位于下?點時，活塞頂以上的?缸全部容積，亦稱?缸最?容積。Va＝Vc＋Vh（10）壓縮?（ε）：?缸總容積與壓縮室容積之?值，亦稱?何壓縮?。ε＝Va／Vc＝1＋Vh／Vc

圖l-2柴油機的主要?何名稱壓縮?ε是柴油機主要性能參數之?，表?缸內?質被壓縮程度。ε愈?，被壓縮終點的壓?、溫度愈?，柴油機易起動，熱效率也?，ε過?使柴油機?作粗暴，機械負荷過?，磨損加劇，消耗壓縮功增?，機械效率降低，輸出功率減?。ε可通過改變Vc來調節(jié)。柴油機壓縮?約為12～22。中、?速機壓縮??于低速機。低速機：13～15，中速機：14～17，?速機：15～22，增壓機：11～14（低散熱少，增壓后Pc、Tc相應?）。當?缸直徑與活塞沖程確定后，?缸?作容積Vh也隨著確定了，所以若要調整壓縮?，可通過改變壓縮容積Vc來實現(xiàn)。第三節(jié)柴油機的?作原理?、四沖程柴油機?作原理（教材圖1-3）若柴油機?作循環(huán)的進?、壓縮、燃燒、膨脹和排?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?沖程──進?沖程這?沖程的任務是使?缸內充滿新鮮空??；钊缮?點下?，進?閥已打開，由于?缸容積不斷增?，缸內壓?下降，依靠?缸內外的?壓差作?，新鮮空?通過進?閥被吸??缸。由于受流阻等影響，在進?過程的?部分時間?，?缸內壓?低于??壓?，到下?點時，缸內?壓的為0.08～0.95Mpa，溫度約為30～70℃。這時，排?閥和噴油器均關閉。為了使柴油機作功更完善，必須在進?過程盡可能多吸?新鮮空?。進?閥開啟始點?上上點的曲柄轉?叫做進?提前?。下?點到進?閥關閉位置的曲柄轉?叫做進?延遲?（利?慣性進?）。整個進?過程所占的總?度約為220～250°CA。第?沖程──壓縮沖程這?沖程的任務是壓縮第?沖程吸?的空?，提?空?的溫度與壓?，為柴油機燃燒及膨脹作功創(chuàng)造條件。活塞從下?點向上運動，?進?閥關閉開始壓縮，?直到活塞到達上?點為??；钊?，?缸容積減少，缸內?體壓?和溫度隨之升?，到達壓縮終點時，壓?增?到3～6MPa，溫度升?600～700℃（柴油的?燃溫度為270℃左右），通常壓縮終點的?體壓?和溫度分別?Pc和tc表?。四沖程機壓縮過程所占的總?度約為140～160°CA。圖1-3四沖程柴油機?作原理第三沖程──燃燒和膨脹沖程這?沖程的任務是完成兩次能量轉換。在活塞到達上?點前，燃油經噴油器以霧狀噴??缸的?溫?壓空?中，并與其混合，在上?點附近?燃，由于燃油強烈燃燒，使?缸內?體溫度迅速上升到1400～1800℃或更?些，壓?增加?5～8MPa，甚?13MPa以上。燃燒產?的最?壓?稱最?爆發(fā)壓?，?pz表?，最?溫度tz表?。?溫?壓燃?（即?質）膨脹推動活塞下?作功。在上?點后的某?時刻燃燒基本結束，燃?繼續(xù)膨脹，到排?閥下?點前開啟時膨脹過程結束。膨脹終了時?缸內?體壓?pb約為0.25～0.45MPa，溫度tb約為600～700℃。四沖程機燃燒膨脹過程所占的總?度約為130～160°CA。第四沖程──排?沖程這?沖程的任務是將作功后的廢?排出?缸外，為下?循環(huán)新鮮空?的進?提供條件。這?階段，要求廢?排得越?凈越好，所以與進?閥啟閉?樣，排?閥也是提前開啟，延遲關閉。排?閥開啟時，活塞尚在下?，廢?靠?缸內外壓?差進??由排?。從排?閥開啟到下?點的曲柄轉?叫做排?提前?。當活塞從下?點上?時，廢?被活塞推出?缸，此時排?過程是在略?于??壓?（約1.05～1.1??壓），且在壓?基本不變的情況下進?的。排?閥?直延遲到活塞到達上?點之后才關閉，這樣可利??流的慣性作?，繼續(xù)排出?些廢?。上?點到排?閥關閉位置的曲柄轉?叫做排?延遲?。四沖程機排?沖程所占的總?度約為210～240°CA。?、四沖程柴油機的定時（教材圖1-4）以上、下?點為基準，?曲柄轉?表?的進排?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?表格或定時圖來表?。?閥啟閉時刻稱為配?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-46350C型柴油機定時圖由圖可以看出，在進?上?點前后進排?閥同時開啟著，這段重疊的曲柄轉?稱為?閥重疊?。適當的?閥重疊?不僅不會使廢?倒灌?進?管，?且還有利于廢?的清除和新空?的充?。因為此時廢?因流動慣性按原?向繼續(xù)排出?缸，進?閥開度尚?，故不會向進?管內倒灌，且在慣性排?時，在燃燒室內形成低壓，造成抽吸?體的有利條件，可將新?吸??缸。新鮮?充?后?可更好地將廢?掃出，實?了所謂“燃燒室掃?”。新鮮的空?對燃燒室壁?能起到冷卻作?。三、?沖程柴油機的?作原理（教材圖1-5）?沖程柴油機與四沖程柴油機基本結構相同，主要差異在配?機構??。?沖程柴油機沒有進?閥，有的連排?閥也沒有，?是在?缸下部開設掃??、排??；或設掃??與排?閥機構。并專門設置?個由運動件帶動的掃?泵，及貯存壓?空?的掃?箱，利?活塞與??的配合完成配?，從?簡化了柴油機結構。第?沖程──掃?及壓縮活塞由下?點向上移動，活塞在遮住掃??之前，由掃?泵供給儲存在掃?箱內的空?，通過掃??進??缸，?缸中的殘存廢?被進??缸的空?通過排??f掃出?缸?；钊^續(xù)上?，逐漸遮住掃??，當掃??完全關閉后，空?停?充?，排?還在進?，這階段稱為“過后排?階段”。排??關閉時，?缸中的空?就開始被壓縮。當壓縮?上?點前時，噴油器將燃油噴??缸，與?溫?壓的空?相混合，隨即在上?點附近發(fā)?，??著?燃燒。圖l-5?沖程柴油機?作原理?意圖第?沖程──燃燒膨脹及排?活塞在?溫?壓燃?的推動下，由上?點向下運動，對外膨脹作功，活塞下?直?排??f打開，膨脹作功結束，?缸內?量廢?靠??壓?從排??排?到排?管。當?缸內的壓?降?接近掃?壓?時（?般掃?箱中的掃?壓?為0.105～0.140MPa），下?活塞把掃??打開，掃?空?進??缸，同時把?缸內的廢?經排??f趕出?缸?；钊\?到下?點，本沖程結束，但掃?過程?直繼續(xù)到下?個沖程排??關閉為?。四、?沖程柴油機與四沖程柴油機的?較?沖程柴油機與四沖程柴油機相?具有如下優(yōu)點：（1）提?了柴油機的作功能?對于兩臺?缸直徑、活塞?程及轉速等相同的柴油機，?沖程柴油機的功率似乎應?四沖程??倍。但實際上，由于?沖程柴油機?缸上開有???使?作容積有所減少，機械傳動的掃?泵也要消耗?定的功率等因素，?沖程柴油機的功率只能增?60～80％。顯然，若兩者功率相同，則?沖程柴油機的尺?較?，重量較輕。（2）改善了柴油機的動?性由于?沖程柴油機曲軸每轉360°各缸作功?次，?四沖程柴油機每轉720°各缸作功?次，因??沖程柴油機要?四沖程柴油機回轉均勻，可使?較?的飛輪。（3）簡化了柴油機的結構省去了進?閥及其傳動裝置。對有些?沖程柴油機，還省去了排?閥及其傳動裝置。所以，其維護保養(yǎng)就簡單?便得多。?沖程柴油機雖然有以上優(yōu)點，但它也有其本?固有的缺點：（1）換?質量差、熱效率低因為?沖程柴油機換?時間?四沖程柴油機短得多，且掃、排??乎同時進?，所以掃?過程中新鮮空?與廢?滲混嚴重，還有部分新鮮空?隨廢??起排出，增加了空?消耗量，所以換?質量差，進?影響燃油燃燒，熱能利?不充分，熱效率?四沖程柴油機低。（2）熱負荷較?在轉速相同時，?沖程機?缸內每單位時間的燃燒次數是四沖程機的兩倍，因此，?沖程機與?缸內?溫燃?相接觸部件熱負荷?較?。?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，?型低速柴油機采??沖程；?型?速柴油機采?四沖程；中型中速機，四沖程、?沖程均有采?，但以四沖程機為主。?沖程柴油機與四沖程柴油機?較，除有以上優(yōu)缺點外，綜合??尚有以下特點：（1）?沖程柴油機凸輪軸轉速與曲軸轉速相同；?四沖程柴油機凸輪軸轉速是曲軸轉速的?半，即1∶2。（2）?個?作循環(huán)中，?沖程柴油機下?對外作功，上?則靠外?驅動，?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）?沖程柴油機進排?重疊??約為80～100°CA，四沖程柴油機的?閥重疊?較?，約為25～60°CA。第四節(jié)船舶柴油機的分類和型號?、船舶柴油機的分類柴油機的?途極為?泛，型號較多，但不論何種柴油機，其基本?作原理都是?樣的，只是在不同的??各有其特點?已。下?介紹?些常見的船舶柴油機分類型式：（1）按?作循環(huán)特點分：四沖程柴油機和?沖程柴油機。（2）按柴油機進??式分：增壓柴油機和?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?曲軸轉速對或活塞平均速度Cm來表?。船舶柴油機可分為：低速機、中速機、?速機。低速機具有經濟性好、轉速低、功率?，結構簡單、?作可靠、可燃?劣質燃料的特點，?泛?于?型海輪主機。中速機常需經過減速器才能與螺旋槳相連，它可選擇最佳的螺旋槳轉速，另外中速機還具有重量輕、尺??，可多臺柴油機聯(lián)?等特點，它多?作河船和部分海船的主機。近年來由于中速