第二節(jié)船用柴油機(jī)工作原理及應(yīng)用課件

第二節(jié)船用柴油機(jī)工作原理及應(yīng)用LOREMIPSUMDOLOR一、柴油機(jī)的基本概念（一）柴油機(jī)的定義基礎(chǔ)知識(shí)壹．熱機(jī)：把熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的動(dòng)力機(jī)械貳.二次能量轉(zhuǎn)換①燃料燃燒(可在機(jī)器內(nèi)部或外部),使燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成熱能;②熱能在機(jī)器內(nèi)部,轉(zhuǎn)換成機(jī)械能.

因此,所有熱機(jī)把熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能都在機(jī)器內(nèi)部,而區(qū)別外燃機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的主要標(biāo)準(zhǔn)就是①.依燃料燃燒的場(chǎng)所不同,而把熱機(jī)分成內(nèi)燃機(jī)和外燃機(jī).

1.外燃機(jī):燃料燃燒在氣缸外部，熱效率低。外燃機(jī)可分為

蒸汽機(jī)、蒸汽輪機(jī)等；2.內(nèi)燃機(jī):燃料燃燒在氣缸內(nèi)部，熱效率高。

內(nèi)燃機(jī)可分為柴油機(jī)、汽油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等。

下圖左上、右上、左下、右下依次為

柴油機(jī)、汽油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)。

3.柴油機(jī)

1)柴油機(jī)是一種在氣缸內(nèi)進(jìn)行兩次能量轉(zhuǎn)換壓縮發(fā)火的往復(fù)式內(nèi)燃機(jī),它在熱機(jī)中熱效率最高。

2)柴油機(jī)和汽油機(jī)的區(qū)別

柴油機(jī)與汽油機(jī)雖然都是內(nèi)燃機(jī)，但是它們?cè)诳扇蓟旌蠚庑纬伞l(fā)火方式、使用燃料、性能、結(jié)構(gòu)及壓縮比等方面均有區(qū)別。

比較項(xiàng)目柴油機(jī)汽油機(jī)燃料(燃燒工質(zhì))柴油或劣質(zhì)燃油（燃?xì)?空氣）汽油

點(diǎn)火方式(工作原理上最大不同)壓縮自行燃燒(壓縮發(fā)火)★這是本質(zhì)特征電火塞點(diǎn)燃供油系統(tǒng)的不同或混合氣的形成方式(結(jié)構(gòu)上的主要差異)氣缸內(nèi)混合氣缸外混合壓縮比12-226-10有效熱效率0.30-0.550.15-0.403)柴油機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)：①經(jīng)濟(jì)性好，在內(nèi)燃機(jī)中具有最高的熱效率，可達(dá)50%。②功率范圍廣。③尺寸小，重量輕。④機(jī)動(dòng)性好。⑤存在振動(dòng)，軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和噪音。⑥燃燒室部件工作條件惡劣，承受高溫高壓與沖擊性的機(jī)械負(fù)荷。(二)柴油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)1.上止點(diǎn)(T.D.C)

活塞離曲軸中心最遠(yuǎn)的位置。2.下止點(diǎn)（B.D.C.）：活塞離曲軸中心最近的位置。3.行程S：上、下止點(diǎn)間的距離。等于曲柄半徑的兩倍，即S=2R?；钊\(yùn)行一個(gè)行程，曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)半轉(zhuǎn)（180°CA）。4.氣缸直徑D：氣缸的內(nèi)徑5.余隙高度（頂隙）：活塞位于上止點(diǎn)時(shí)活塞頂與氣缸蓋之間的距離。6.燃燒室容積（余隙容積）VC：活塞位于上止點(diǎn)時(shí)活塞頂與氣缸蓋之間的氣缸容積。7.氣缸工作容積Vh：活塞從上到下止點(diǎn)間運(yùn)動(dòng)所掃過的容積。8.氣缸總?cè)莘eVa：氣缸工作容積Vh與燃燒室容積VC之和。也可以說是活塞位于下止點(diǎn)時(shí)活塞頂與氣缸蓋之間的氣缸容積。9.壓縮比：氣缸總?cè)莘eVa與燃燒室容積VC之比。

ε=Va/VC=（Vh+VC）/VC=1+Vh/VC1）壓縮比表示活塞從下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到上止點(diǎn)時(shí)，缸內(nèi)空氣被壓縮的倍數(shù)。2）壓縮比是容積之比，并非壓力之比。3）壓縮比是柴油機(jī)的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、燃燒和起動(dòng)性能以及機(jī)械負(fù)荷等有重要的影響。4）ε大說明缸內(nèi)空氣被壓縮厲害，壓縮終點(diǎn)的溫度和壓力就高，有利于燃油的燃燒和柴油機(jī)的起動(dòng)，并可提高熱效率。5）不同的機(jī)型ε不同：①小型高速機(jī)的ε＞大型低速機(jī)。②非增壓機(jī)的ε＞增壓機(jī)。③四沖程機(jī)的ε＞二沖程機(jī)。④柴油機(jī)的ε＞汽油機(jī)。6）影響ε的因素：①連桿大小端軸承嚴(yán)重磨損，使活塞組件下沉。②十字頭銷（活塞銷）與曲柄銷嚴(yán)重磨損。③活塞頂面、缸蓋底面被燒蝕或積碳，使VC改變。④船用大端桿身凸緣與大端軸承座之間的調(diào)整墊片厚度。⑤缸蓋底面密封墊片厚度。⑥連桿桿身發(fā)生彎曲。7）ε的調(diào)整方法：增減余隙高度，若余隙高度增加，VC增加，壓縮比變小。①增減氣缸頭墊片厚度。--中小型四沖程柴油機(jī)②增減連桿大端凸緣與軸承座之間的調(diào)整墊片厚度。--十字頭式柴油機(jī)可增加船用大端墊片或活塞桿平面墊片（三）柴油機(jī)基本工作過程

作功過程：進(jìn)氣、壓縮、燃燒、膨脹、排氣。包括上述五個(gè)過程的全部熱力循環(huán)過程稱為柴油機(jī)工作過程，包括上述五個(gè)過程的周而復(fù)始的循環(huán)叫工作循環(huán)。

1.進(jìn)氣行程φ1-2約為220°--250°1）作用：使氣缸充滿新鮮空氣。

2）進(jìn)氣閥啟閉時(shí)刻：上止點(diǎn)前提前開啟，下止點(diǎn)后延后關(guān)閉。2.壓縮行程φ2-3約為140°--160°1）作用：①使燃燒過程升溫，提高工作循環(huán)的熱效率②為工質(zhì)的升溫升壓，為冷車起動(dòng)和著火作準(zhǔn)備③使循環(huán)的工質(zhì)得到更大的膨脹比，對(duì)活塞做更多的功。2）壓縮終點(diǎn)：pc=3～6MPa；tc=600～700℃。燃油自燃溫度為210~270℃。3）壓縮后期，燃油與高溫空氣混合、加熱，并自行發(fā)火燃燒。

a.進(jìn)氣行程b.壓縮行程3.燃燒和膨脹過程φ3-4-51）作用：高溫高壓的燃?xì)猓üべ|(zhì)）膨脹推動(dòng)活塞作功。2）PZ=5～8MPa；TZ=1400～1800℃。Pb=0.3～0.6MPa，Tb=600～700℃4．排氣行程φ5-6約為230°--260°1）作用：將做功后的廢氣排出缸外，為下一個(gè)循環(huán)充入新氣做準(zhǔn)備。2）排氣閥啟閉時(shí)刻：下止點(diǎn)前提前開啟，上止點(diǎn)后延后關(guān)閉。c燃燒和膨脹過程d排氣行程小結(jié)在四沖程柴油機(jī)中，要經(jīng)歷進(jìn)氣、壓縮、膨脹、排氣等四個(gè)行程才完成一個(gè)工作循環(huán)；與此相應(yīng)的是曲軸回轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)，即720?曲軸轉(zhuǎn)角。進(jìn)氣和排氣沖程均大于180?CA。壓縮與膨脹沖程均小于180?CA。在四個(gè)行程中，只有膨脹行程才作功，其余三個(gè)行程都要消耗功。因此，在單缸柴油機(jī)中，必須有一個(gè)足夠大的飛輪來供給這三個(gè)行程所需的能量；而在多缸柴油機(jī)中，則借助于其他氣缸膨脹作功過程來供給。此外，柴油機(jī)由停車狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)，必須借助外源能量的驅(qū)動(dòng)使其起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，直至噴入氣缸的燃油自發(fā)火燃燒，柴油機(jī)才能自行運(yùn)轉(zhuǎn)。（四）柴油機(jī)的分類和特點(diǎn)1.按工作循環(huán)分類：四沖程柴油機(jī)和二沖程柴油機(jī)。

2.按進(jìn)氣方式分類：非增壓柴油機(jī)

增壓無中冷柴油機(jī)機(jī)械增壓柴油機(jī)增壓柴油機(jī)廢氣渦輪增壓柴油機(jī)增壓帶中冷柴油機(jī)（按壓氣機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式）復(fù)合增壓柴油機(jī)低增壓PK≤0.17MPa

（按增壓壓力PK）中增壓PK＝0.17—0.25MPa

高增壓PK＝0.25—0.35MPa

超高增壓PK＞0.35MPa3.按曲軸轉(zhuǎn)速n及活塞平均速度vm分類

低速柴油機(jī)n≤300r/min低速柴油機(jī)vm＜6m/sn中速柴油機(jī)300＜n≤1000r/minvm中速柴油機(jī)vm＝6--9m/s

高速柴油機(jī)n＞1000r/min高速柴油機(jī)vm≥9m/s

4.按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類（1）筒形活塞式柴油機(jī)與十字頭式柴油機(jī)（2）直列式柴油機(jī)與V形柴油機(jī)（3）可倒轉(zhuǎn)柴油機(jī)和不可倒轉(zhuǎn)式柴油機(jī)（4）左旋柴油機(jī)和右旋柴油機(jī)：由飛輪端（功率輸出端）向自由端看，正車時(shí)順者右旋或右型柴油機(jī)：逆者左旋或左型柴油機(jī)。（5）左單列機(jī)和右單列機(jī)5.按行程缸徑比S/D分類短行程柴油機(jī)S/D≤2.5

長(zhǎng)行程柴油機(jī)2.5＜S/D≤3.0

超長(zhǎng)行程柴油機(jī)S/D＞3.0筒形活塞式柴油機(jī)十字頭式柴油機(jī)直列式柴油機(jī)V形柴油機(jī)

二、四沖程柴油機(jī)的工作原理1.四沖程柴油機(jī)的工作過程

.活塞走一個(gè)行程，曲軸轉(zhuǎn)半轉(zhuǎn)。

.活塞走四個(gè)行程，曲軸轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)。

.四沖程柴油機(jī)完成一個(gè)工作循環(huán)（活塞走四個(gè)行程）凸輪軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)。

.所以，曲軸與凸輪軸的轉(zhuǎn)速比為2∶1。

2.四沖程柴油機(jī)的氣閥定時(shí)（1）定時(shí)圓圖：將四沖程柴油機(jī)的工作過程按曲柄位置及旋轉(zhuǎn)角度依次繪制在一個(gè)圓圖上。這個(gè)用曲軸轉(zhuǎn)角表示正時(shí)的圓圖叫定時(shí)圓圖。那么，氣閥的開啟和關(guān)閉時(shí)刻也就可以在這樣的圓圖上表示，即為氣閥定時(shí)圓圖。（2）★為了提高進(jìn)排氣量，進(jìn)排氣閥的開啟和關(guān)閉都不在上下止點(diǎn)，而是提前開啟、延后關(guān)閉（早開晚關(guān)）。1）進(jìn)氣閥：進(jìn)氣持續(xù)角是φ1+180°+φ21開，點(diǎn)1至上止點(diǎn)的角度φ1為進(jìn)氣提前角；

2關(guān)，下止點(diǎn)至點(diǎn)2的角度φ2為進(jìn)氣延后角。2）排氣閥：排氣持續(xù)角是φ3+180°+φ4

5開，點(diǎn)5至下止點(diǎn)的角度φ3為排氣提前角；

6關(guān)，上止點(diǎn)至點(diǎn)6的角度φ4為排氣延后角。

3）★無論進(jìn)排，過程均大于180度曲軸轉(zhuǎn)角；那么，壓膨過程就均小于180度曲軸轉(zhuǎn)角。換氣總角度為450°CA—500°CA.。凸輪作用角為相應(yīng)過程持續(xù)角的1/2。（曲軸與凸輪軸的轉(zhuǎn)速比為2∶1。）進(jìn)氣凸輪作用角：φ12=（φ1+180+φ2）/2；排氣凸輪作用角：φ34=（φ3+180+φ4）/2；3.四沖程柴油機(jī)的氣閥重疊角

（1）氣閥重疊角的定義：在上止點(diǎn)前后的一段的曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)，進(jìn)排氣閥有一個(gè)同時(shí)打開的角度，稱為氣閥重疊角，它等于φ1+φ4。（2）★兩個(gè)唯有：

1)★唯有在上止點(diǎn)前后存在：從氣閥定時(shí)圓圖上看，似乎在下止點(diǎn)也有一個(gè)氣閥重疊角，即φ3+φ2。這難道不也是一個(gè)氣閥重疊角嗎？這種說法是想當(dāng)然。從四沖程柴油機(jī)的工作過程可以想見，排氣閥在下止點(diǎn)前開啟時(shí)，已經(jīng)歷了壓縮、燃燒、膨脹做功諸過程，而壓縮過程開始于進(jìn)排氣閥全部關(guān)閉時(shí)，此時(shí)，進(jìn)氣閥早就關(guān)閉了。故而，在下止點(diǎn)前后根本不存在氣閥重疊角。

2）★唯有四沖程柴油機(jī)存在：二沖程柴油機(jī)有沒有氣閥重疊角呢？那是沒有的，原來，二沖程柴油機(jī)可以分為彎流和直流兩大類，直流柴油機(jī)沒有進(jìn)氣閥，彎流柴油機(jī)不僅沒有進(jìn)氣閥，連排氣閥都沒有，氣閥重疊角又從何談起？故而，唯有四沖程柴油機(jī)擁有一個(gè)、也僅此一個(gè)在上止點(diǎn)前后的氣閥重疊角。3.四沖程柴油機(jī)的氣閥重疊角（3）設(shè)置氣閥重疊角的意義：

1）在氣閥疊開期間，進(jìn)、排氣管與氣缸相通，利用廢氣流動(dòng)慣性的作用，在燃燒室內(nèi)形成一定的低壓，造成抽吸新鮮空氣的有利條件，將新氣吸入氣缸。

2）利用吸入的新氣更好地把廢氣掃出氣缸。

3）利用新氣對(duì)燃燒室部件進(jìn)行冷卻。（4）氣閥重疊角的大?。航滩腜6表1-3名稱非增壓增壓開啟關(guān)閉開啟關(guān)閉進(jìn)氣閥上止點(diǎn)前15°--30°下止點(diǎn)后10°--30°上止點(diǎn)前40°--80°下止點(diǎn)后20°--40°排氣閥下止點(diǎn)前35°--45°上止點(diǎn)后10°--20°下止點(diǎn)前40°--55°上止點(diǎn)后40°--50°重疊角25°--50°80°--130°三、二沖程柴油機(jī)的工作原理活塞走一個(gè)行程，曲軸半轉(zhuǎn)。活塞走兩個(gè)行程，曲軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)。二沖程柴油機(jī)完成一個(gè)工作循環(huán)（活塞走兩個(gè)行程），凸輪軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)。曲軸與凸輪軸的轉(zhuǎn)速比為1∶1。1.換氣-壓縮過程

活塞由下止點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)。在活塞遮住進(jìn)氣口之前，新鮮空氣充入氣缸，氣缸內(nèi)的廢氣被進(jìn)入氣缸的掃氣空氣驅(qū)除出去。當(dāng)掃、排氣口被活塞遮閉時(shí)，缸內(nèi)的空氣被壓縮，燃油在壓縮終點(diǎn)噴入氣缸燃燒。2.膨脹—換氣行程活塞由高溫高壓的燃?xì)馀蛎浲苿?dòng)下行作功。當(dāng)活塞下行將排氣口打開時(shí)，膨脹過程結(jié)束，廢氣從排氣口迅速排出，缸內(nèi)的廢氣壓力迅速降低。當(dāng)缸內(nèi)壓力下降到接近掃氣壓力時(shí)，接著掃氣口打開，新鮮空氣充入氣缸，并將氣缸內(nèi)的廢氣趕出缸外。壹燃燒和膨脹行程占90°—120°曲軸轉(zhuǎn)角；換氣過程占130°—150°曲軸轉(zhuǎn)角；壓縮行程占120°曲軸轉(zhuǎn)角。貳換氣過程活塞不做有效功，相應(yīng)這部分活塞行程容積ΔVS稱為損失容積。(ΔVS就是氣口高度乘以活塞截面積)。在這個(gè)容積中，活塞作無效功。叁換氣過程容積損失的多少通常用行程損失系數(shù)φS來表示。

（φS=ΔVS∕VS）肆有效壓縮比：εe=1+(1-φS)VS/VC

3.二沖程柴油機(jī)的換氣形式根據(jù)氣流在氣缸中的流動(dòng)路線，二沖程柴油機(jī)的換氣形式可以分為：

（1）簡(jiǎn)單橫流掃氣：掃、排在兩側(cè)

特點(diǎn)：缸蓋上沒有進(jìn)、排氣閥，掃、排氣口分別布置在氣缸兩側(cè)，排氣口高于掃氣口。（2）回流式掃氣：

掃、排下部同一側(cè)

特點(diǎn)：缸蓋上沒有進(jìn)、排氣閥，掃、排氣口分別布置在氣缸同一側(cè)，排氣口高于掃氣口，掃氣口向下傾斜，活塞制成凹頂。（