1.柴油機(jī)的基本知識(shí).doc

281柴油機(jī)的基本知識(shí)就目前來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)的動(dòng)力裝置有：柴油機(jī)、汽油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)、蒸汽機(jī)、核動(dòng)力裝置等。廣義而言，按照燃料的燃燒形式，可分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是內(nèi)燃機(jī)，一類(lèi)是外燃機(jī)。1熱機(jī) 熱機(jī)是指把熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的動(dòng)力機(jī)械。蒸汽機(jī)、蒸汽輪機(jī)以及柴油機(jī)、汽油機(jī)等是熱機(jī)中較典型的機(jī)型。 蒸汽機(jī)與蒸汽輪機(jī)同屬外燃機(jī)。在該類(lèi)機(jī)械中，燃燒（燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成熱能）發(fā)生在汽缸外部（鍋爐），熱能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能發(fā)生在汽缸內(nèi)部。此種機(jī)械由于熱能需經(jīng)某中間工質(zhì)（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(gè)動(dòng)力裝置十分笨重。在能源問(wèn)題十分突出的當(dāng)前，它無(wú)法與內(nèi)燃機(jī)競(jìng)爭(zhēng)，因而已經(jīng)在船舶動(dòng)力裝置中消失。2內(nèi)燃機(jī) 汽油機(jī)、柴油機(jī)以及燃?xì)廨啓C(jī)同屬內(nèi)燃機(jī)。雖然它們的機(jī)械運(yùn)動(dòng)形式（往復(fù)、回轉(zhuǎn)）不同，但具有相同的工作特點(diǎn)都是燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸內(nèi)燃燒并直接利用燃料燃燒產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)庠跉飧字信蛎涀鞴?。從能量轉(zhuǎn)換觀點(diǎn)，此類(lèi)機(jī)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(shì)，因而在與外燃機(jī)競(jìng)爭(zhēng)中已經(jīng)取得明顯的領(lǐng)先地位。在內(nèi)燃機(jī)中根據(jù)所用燃料不同，可大致分為汽油機(jī)、煤氣機(jī)、柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)。它們都具有內(nèi)燃機(jī)的共同特點(diǎn)，但又都具有各自的工作特點(diǎn)。由于這些各自不同的特點(diǎn)使它們?cè)诠ぷ髟怼⒐ぷ鹘?jīng)濟(jì)性以及使用范圍上均存在一定差異。如汽油機(jī)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(jìn)氣管中的汽化器進(jìn)行混合）形成可燃混合氣。缸內(nèi)燃燒為電點(diǎn)火式（電火花塞點(diǎn)火）。這種工作特點(diǎn)使汽油機(jī)不能采用高壓縮比，因而限制了汽油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性不能大幅度提高，而且也不允許作為船用發(fā)動(dòng)機(jī)使用（汽油的火災(zāi)危險(xiǎn)性大）。但它廣泛應(yīng)用于運(yùn)輸車(chē)輛。各種內(nèi)燃機(jī)如：圖1-1 (a)柴油機(jī) (b)汽油機(jī) (c)燃?xì)廨啓C(jī) (d)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī) 圖1-1 各種內(nèi)燃機(jī)1.3 各種內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用范圍內(nèi)燃機(jī)特點(diǎn)：熱效率高、適應(yīng)性好、功率范圍廣，已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)和國(guó)防建設(shè)事業(yè)等方面。由于內(nèi)燃機(jī)的使用范圍如此的廣泛，世界各國(guó)的需求量十分巨大并不斷增長(zhǎng)。在各經(jīng)濟(jì)部門(mén)和國(guó)防工業(yè)中，內(nèi)燃機(jī)都占有極其重要的地位。1.3.1 航空動(dòng)力方面燃?xì)廨啓C(jī)和噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎是唯一的動(dòng)力裝置。優(yōu)點(diǎn)：重量輕，尺寸小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，扭矩特性好，振動(dòng)小及排氣中有害氣體少。缺點(diǎn)：熱效率低，燃料消耗高。圖1-6為噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的原理圖和渦扇9型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。 （a）噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 (b)渦扇9型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī) *圖1-6 噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)1.3.2陸路交通方面內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展，使得人類(lèi)的陸路交通產(chǎn)生了一個(gè)質(zhì)的飛躍，從此，“以車(chē)代步”對(duì)許多人來(lái)說(shuō)都不再是一個(gè)不企及跡的愿望如：圖1-7。 （a）小汽車(chē) (b)摩托車(chē) *圖1-7 陸路交通工具1.3.3內(nèi)河船舶、工程機(jī)械柴油機(jī)應(yīng)用 (a)客船 (b)起重機(jī) *圖1-8 內(nèi)燃機(jī)在內(nèi)和船舶和工程機(jī)械上的應(yīng)用1.3.4 在遠(yuǎn)洋方面在遠(yuǎn)洋海輪方面柴油機(jī)也是主要?jiǎng)恿?，原因是最?jīng)濟(jì)。 （a）客貨兩用船 (b)大型運(yùn)輸船*圖1-9 遠(yuǎn)洋運(yùn)輸海輪上柴油機(jī)也是主要?jiǎng)恿?.3.5在軍用艦艇方面雖然各國(guó)均在大力發(fā)展核能機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置，但在輕型艦艇上，柴油機(jī)仍占優(yōu)勢(shì)。核潛艇、導(dǎo)彈快艇、魚(yú)雷快艇、巡邏艇、掃雷艇、登陸艇及大部分常規(guī)潛艇和軍輔船仍以柴油機(jī)為主要?jiǎng)恿?。只有少?shù)水面艦艇則采用柴燃聯(lián)合動(dòng)力動(dòng)力裝置。CODOG，CODOD，Diesel, gas turbine, corporation，如：圖1-10 (a)軍艦 (b)潛艇 * 圖1-10 在均用艦艇上柴油機(jī)仍占優(yōu)勢(shì)小資料：“小鷹”航母 由“福萊斯特”級(jí)脫胎換骨而來(lái)的“小鷹”級(jí)航空母艦，是美國(guó)海軍建造的最后一級(jí)，也是最大的一級(jí)常規(guī)動(dòng)力航空母艦。該級(jí)航空母艦的性能雖不及核動(dòng)力航空母艦，但也不失為美海軍航空母艦中的骨干力量?！靶→棥奔?jí)航空母艦自服役后經(jīng)過(guò)多次較大規(guī)模的大修或改裝。在反復(fù)“手術(shù)”之后，4艘“小鷹”級(jí)不僅反潛能力大為提高，而且防空能力和海上補(bǔ)給能力均更上一層。該級(jí)艦標(biāo)準(zhǔn)排水量 60100噸，滿(mǎn)載排水量 79700噸；艦長(zhǎng)319.3米，寬 39.6米，吃水 l1.4米；動(dòng)力裝置為 4臺(tái)蒸汽輪機(jī)，最大功率 28萬(wàn)馬力，最大航速 32節(jié)（一節(jié)為1.852公里/小時(shí)）。艦上共搭載 80余架各型固定翼飛機(jī)和直升機(jī)。“小鷹”級(jí)航空母艦是美國(guó)海上軍事行動(dòng)的急先鋒，在多次海上局部戰(zhàn)爭(zhēng)或沖突(如 1986年美利錫德拉灣沖突和1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng))中都參與了作戰(zhàn)行。1.3.6 備用電站方面“三遙”自動(dòng)化柴油機(jī)組是能用計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)組進(jìn)行遙控、遙測(cè)、遙信的新型智能柴油發(fā)電機(jī)組。它的控制屏采用遠(yuǎn)程通訊接口，可經(jīng)MODEN和電話線與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)“三遙”。機(jī)組采用閉式風(fēng)扇水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，可在各種環(huán)境中可靠工作，特別適用于郵電系統(tǒng)和智能大廈作應(yīng)急電源、部隊(duì)?wèi)?zhàn)備無(wú)人值守電源，如：圖1-11。 （a）柴油發(fā)電機(jī)組 （b）汽油發(fā)電機(jī)組*圖1-11 電站內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用廣泛1.3.7 農(nóng)用機(jī)械方面內(nèi)燃機(jī)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用是農(nóng)業(yè)走向機(jī)械化、集約化的一個(gè)重要推動(dòng)力，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)如：圖1-12。 (a)插秧機(jī) (b)拖拉機(jī)*圖1-12 柴油機(jī)在農(nóng)業(yè)方面不可缺少3柴油機(jī)柴油機(jī)是一種壓縮發(fā)火的往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)。它使用揮發(fā)性較差的柴油或劣質(zhì)燃料油做燃料。采用內(nèi)部混合法（燃油與空氣的混合發(fā)生在氣缸內(nèi)部）形成可燃混合氣；缸內(nèi)燃燒采用壓縮式（靠缸內(nèi)空氣壓縮形成的高溫自行發(fā)火）。這種工作特點(diǎn)使柴油機(jī)在熱機(jī)領(lǐng)域內(nèi)具有最高的熱效率（已達(dá)到 55左右），而且允許作為船用發(fā)動(dòng)機(jī)使用。因而，柴油機(jī)在工程界應(yīng)用十分廣泛。尤其在船用發(fā)動(dòng)機(jī)中，柴油機(jī)已經(jīng)取得了絕對(duì)領(lǐng)先地位。根據(jù)英國(guó)勞氏船級(jí)社統(tǒng)計(jì)，1985年全世界制造的船舶中（2000t以上）以柴油機(jī)作為推進(jìn)裝置者占99.89，而到1987年100為柴油機(jī)船。船用主機(jī)經(jīng)濟(jì)性、可靠性、壽命是第一位，尺寸、重量是第二位，低速機(jī)適用作船用主機(jī)，大功率四沖程中速機(jī)適用作滾裝船和集裝箱船，中、高速機(jī)適用作發(fā)電機(jī)組。柴油機(jī)的工作原理 柴油機(jī)是以柴油作燃料的壓燃式內(nèi)燃機(jī)。工作時(shí)，空氣在氣缸內(nèi)被壓縮而產(chǎn)生高溫，使噴入的柴油自行著火燃燒，產(chǎn)生高溫、高壓的燃?xì)猓細(xì)馀蛎浲苿?dòng)活塞作功，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功。柴油機(jī)的工作循環(huán)由進(jìn)氣、壓縮、噴油著火燃燒、膨脹作功和排氣等過(guò)程組成。這些過(guò)程可以由四沖程柴油機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可由二沖程柴油機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。111 柴油機(jī)的基本概念（定義、分類(lèi)、主要優(yōu)缺點(diǎn)、基本結(jié)構(gòu)參數(shù)及基本工作過(guò)程）一柴油機(jī)的基本構(gòu)造 圖1-l 柴油機(jī)的基本構(gòu)造組成l-氣缸蓋；2-活塞；3-氣缸套；4-心活塞銷(xiāo)；5-連桿；6-連桿螺栓；7-曲軸；8-機(jī)座；9-主軸承；10-機(jī)體；11-凸輪軸；12-噴油泵；13-頂桿；14-進(jìn)氣管；15-搖臂；16-過(guò)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(jī)體、機(jī)座、主軸承等構(gòu)成柴油機(jī)本體和運(yùn)動(dòng)件的支承，并和有關(guān)運(yùn)動(dòng)部件配合構(gòu)成柴油機(jī)的工作空間。 （2）運(yùn)動(dòng)部件 主要由活塞、活塞銷(xiāo)、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(jī)械能的轉(zhuǎn)換。 （3）配氣系統(tǒng) 它包括進(jìn)氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)。 進(jìn)氣系統(tǒng)主要由空氣濾清器、進(jìn)氣管件、氣缸蓋內(nèi)的進(jìn)氣道、進(jìn)氣閥、氣閥彈簧、搖臂、頂桿、凸輪軸和凸輪軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等所組成，用來(lái)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)向氣缸內(nèi)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(dòng)機(jī)構(gòu)以及排氣管、排氣消音器等組成。用來(lái)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)將氣缸內(nèi)作功后的廢氣排入大氣。 （4）燃油系統(tǒng) 它包括供應(yīng)和噴射兩個(gè)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(jī)燃燒作功所需的燃油。 （5）潤(rùn)滑系統(tǒng) 主要作用是潤(rùn)滑摩擦表面，以減少機(jī)件的磨損，延長(zhǎng)使用壽命，降低摩擦功率損失，提高機(jī)械效率。 （6）冷卻系統(tǒng) 主要作用是維持柴油機(jī)受熱零部件在合適的溫度狀態(tài)下工作。 （7）起動(dòng)系統(tǒng) 柴油機(jī)本身無(wú)自行起動(dòng)能力。起動(dòng)系統(tǒng)的任務(wù)就是使柴油機(jī)從停車(chē)狀態(tài)發(fā)動(dòng)起來(lái)。 （8）調(diào)速裝置 調(diào)速裝置的作用是使柴油機(jī)能按外界阻力矩的變化而自動(dòng)改變噴油泵的噴油量，從而使柴油機(jī)在選定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。 此外，船舶柴油機(jī)還設(shè)有換向裝置，并將起動(dòng)、調(diào)速、換向和停車(chē)集中控制組成操縱系統(tǒng)。多數(shù)柴油機(jī)還設(shè)有增壓系統(tǒng)，用于進(jìn)一步提高柴油機(jī)作功能力。 圖l-2 柴油機(jī)的主要幾何名稱(chēng)二柴油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)（1）氣缸直徑D：氣缸套的名義內(nèi)徑。 （2）曲柄半徑R：曲軸的曲柄銷(xiāo)中心與主軸頸中心間的距離。 （3）上止點(diǎn)（TDC）：活塞在氣缸中運(yùn)動(dòng)的最上端位置，也就是活塞離曲軸中心線最遠(yuǎn)的位置。 （4）下止點(diǎn)（BDC）：活塞在氣缸中運(yùn)動(dòng)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(chēng)行程：活塞從上止點(diǎn)移動(dòng)到下止點(diǎn)間的直線距離。它等于曲軸曲柄半徑R的兩倍（S2R）。活塞移動(dòng)一個(gè)行程，相當(dāng)于曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)180（曲軸轉(zhuǎn)角）。（6）氣缸余隙容積（壓縮室容積Vc）：活塞在氣缸內(nèi)上止點(diǎn)時(shí)，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(diǎn)時(shí)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(diǎn)移動(dòng)到下止點(diǎn)時(shí)所掃過(guò)的容積。 （9）氣缸總?cè)莘e（Va）：活塞在氣缸內(nèi)位于下止點(diǎn)時(shí)，活塞頂以上的氣缸全部容積，亦稱(chēng)氣缸最大容積。VaVcVh （10）壓縮比（）：氣缸總?cè)莘e與壓縮室容積之比值，亦稱(chēng)幾何壓縮比。VaVc1VhVc壓縮比是柴油機(jī)主要性能參數(shù)之一，表示缸內(nèi)工質(zhì)被壓縮程度。愈大，被壓縮終點(diǎn)的壓力、溫度愈高，柴油機(jī)易起動(dòng)，熱效率也高，過(guò)高使柴油機(jī)工作粗暴，機(jī)械負(fù)荷過(guò)大，磨損加劇，消耗壓縮功增大，機(jī)械效率降低，輸出功率減小。柴油機(jī)壓縮比約為1222。中、高速機(jī)壓縮比高于低速機(jī)。低速機(jī)：1315，中速機(jī)：1417，高速機(jī)：1522，增壓機(jī)：1114（低散熱少，增壓后Pc、Tc相應(yīng)高）。當(dāng)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(diào)整壓縮比，可通過(guò)改變壓縮容積Vc來(lái)實(shí)現(xiàn)。三柴油機(jī)的類(lèi)型 由于柴油機(jī)的應(yīng)用廣泛，因此，為滿(mǎn)足各種不同的使用要求，柴油機(jī)的類(lèi)型也就多種多樣。根據(jù)柴油機(jī)的各種不同特點(diǎn)以及不同的分類(lèi)方法，船舶柴油機(jī)大體上有以下類(lèi)型： （1）按工作循環(huán)分類(lèi)。有四沖程柴油機(jī)和二沖程柴油機(jī)。 （2）按進(jìn)氣方式分類(lèi)。有增壓柴油機(jī)和非增壓柴油機(jī)。 （3）按曲軸轉(zhuǎn)速分類(lèi)。有高速、中速和低速柴油機(jī)。高速柴油機(jī)：n1000r/min；中速柴油機(jī)：300n1000r/min；低速柴油機(jī)：n300r/min。 低速機(jī)具有經(jīng)濟(jì)性好、轉(zhuǎn)速低、功率大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、可燃用劣質(zhì)燃料的特點(diǎn)，廣泛用于大型海輪主機(jī)。中速機(jī)常需經(jīng)過(guò)減速器才能與螺旋槳相連，它可選擇最佳的螺旋槳轉(zhuǎn)速，另外中速機(jī)還具有重量輕、尺寸小，可多臺(tái)柴油機(jī)聯(lián)用等特點(diǎn)，它多用作河船和部分海船的主機(jī)。近年來(lái)由于中速機(jī)單機(jī)功率提高，用作海船主機(jī)的數(shù)量有了明顯增加。高速柴油機(jī)在船上常用作應(yīng)急發(fā)電機(jī)、應(yīng)急救火泵、救生艇等的原動(dòng)機(jī)，或作為河船、機(jī)帆船等小型船舶的主機(jī)。圖1-3 筒狀活塞和十字頭式柴油機(jī)的構(gòu)造示意圖1-活塞；2-活塞桿；3-滑塊；4-連桿；5-十字頭；6-導(dǎo)板 （4）按柴油機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類(lèi)。有筒狀活塞式和十字頭式柴油機(jī)；有單列氣缸和多列氣缸式柴油機(jī)。圖1-3-是筒狀活塞和十字頭式柴油機(jī)的構(gòu)造示意圖。筒狀活塞式柴油機(jī)的活塞直接與連桿連接，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向作用和工作過(guò)程中所產(chǎn)生的側(cè)推力都是由活塞本身承擔(dān)。十字頭式柴油機(jī)的活塞是通過(guò)活塞桿和十字頭與連桿連接，活塞的導(dǎo)向作用和側(cè)壓力由十字頭滑塊與導(dǎo)板承擔(dān)。圖1-4 直列式氣缸排列的柴油機(jī)圖1-5 V型氣缸排列的柴油機(jī)這兩種柴油機(jī)各有其特點(diǎn)，十字頭式柴油機(jī)由于活塞不起導(dǎo)向作用，同時(shí)與缸套之間沒(méi)有側(cè)推力N的作用，因而兩者之間的磨損減小，擦傷和卡死的可能性減小。此外，由于活塞桿只在垂直方向作直線運(yùn)動(dòng)，因而可在氣缸下部加設(shè)一橫隔板，把氣缸與曲軸箱隔開(kāi)，以免氣缸中的污油、結(jié)炭或燃?xì)饴┤肭S箱污染滑油。這也為十字頭機(jī)燃用劣質(zhì)燃料創(chuàng)造了有利條件。十字頭式柴油機(jī)可靠性較筒形活塞式高。但十字頭機(jī)的重量和高度增大，結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜，不具備筒形活塞式柴油機(jī)體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。 因氣缸排列方式的不同柴油機(jī)還可分為單列氣缸和多列氣缸式柴油機(jī)。圖1-4所示為氣缸排成一列的直列式柴油機(jī)簡(jiǎn)圖。為了提高柴油機(jī)的單位長(zhǎng)度的功率，擴(kuò)大單機(jī)功率范圍，以及降低柴油機(jī)的重量指標(biāo)，也有將柴油機(jī)設(shè)計(jì)成如圖1-5所示的V型，另外還有H型、輻射式或?qū)χ脷飧资降榷嗔袣飧椎男问?。在民用船舶柴油機(jī)中，主要是直列式和V型。（5）按柴油機(jī)的轉(zhuǎn)向、排氣管的位置分類(lèi)。有右機(jī)或左機(jī)。 某些船舶的推進(jìn)裝置（如客輪）采用雙機(jī)雙槳推進(jìn)裝置。在這種船舶上，由船艉向船艏看，布置在機(jī)艙右舷的柴油機(jī)為右旋柴油機(jī)，亦稱(chēng)右機(jī)；布置在機(jī)艙左舷的柴油機(jī)為左旋柴油機(jī)，亦稱(chēng)左機(jī)。在這種動(dòng)力裝置中，為便于操縱管理，右機(jī)的操縱側(cè)即凸輪軸側(cè)布置在柴油機(jī)左側(cè)（即內(nèi)側(cè)），而排氣側(cè)布置在其右側(cè)；左機(jī)的操縱側(cè)在柴油機(jī)的右側(cè)（即內(nèi)側(cè)）。右旋柴油機(jī)曲軸的旋轉(zhuǎn)方向是：由飛輪端（功率輸出端）向自由端看，為順時(shí)針?lè)较?。左旋柴油機(jī)曲軸的旋轉(zhuǎn)方向則相反。單臺(tái)布置的船舶主柴油機(jī)通常均為右旋柴油機(jī)。（6）按柴油機(jī)可否逆轉(zhuǎn)分類(lèi)。曲軸僅能按同一方向旋轉(zhuǎn)的柴油機(jī)稱(chēng)不可逆轉(zhuǎn)柴油機(jī)；可由操縱機(jī)構(gòu)改變其曲軸轉(zhuǎn)向的稱(chēng)可逆轉(zhuǎn)柴油機(jī)。四柴油機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn) 柴油機(jī)能在動(dòng)力機(jī)械以及船舶動(dòng)力裝置中占據(jù)極為重要的地位，是因?yàn)樗哂性S多優(yōu)越的條件。與其它熱機(jī)相比，它具有如下優(yōu)點(diǎn)： （1）熱效率高。大型低速柴油機(jī)的有效效率已達(dá)到50%53%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他熱機(jī)；而且柴油機(jī)在全工況范圍內(nèi)的熱效率都較其它熱機(jī)高。熱效率高，也就是燃料消耗量小；柴油機(jī)又能燃用重油，甚至劣質(zhì)重油；而且柴油機(jī)在停車(chē)狀態(tài)時(shí)不需要消耗燃料。故燃料費(fèi)用低，船舶的續(xù)航力大。 （2）功率范圍大。柴油機(jī)的單機(jī)功率自0.6至80080kW，因此其適應(yīng)的領(lǐng)域?qū)拸V。 （3）機(jī)動(dòng)性好。正常起動(dòng)只需35s，并能很快達(dá)到全負(fù)荷。有寬廣的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍，能適應(yīng)船舶航行的各種要求，而且操作簡(jiǎn)便。 （4）尺寸小，重量輕。柴油機(jī)不需要鍋爐等大型附屬設(shè)備，使柴油機(jī)動(dòng)力裝置的尺寸小、重量輕，特別適合于在交通運(yùn)輸?shù)葎?dòng)力裝置中應(yīng)用。（5）可直接反轉(zhuǎn)。柴油機(jī)可設(shè)計(jì)成直接反轉(zhuǎn)的換向柴油機(jī)，而且倒車(chē)性能好，使裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 同時(shí)，柴油機(jī)也具有以下缺點(diǎn)： （1）存在機(jī)身振動(dòng)、軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)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(fù)荷。五船舶柴油機(jī)的型號(hào)解釋每種柴油機(jī)都有自己特定的代號(hào)，稱(chēng)為柴油機(jī)的型號(hào)。（一） 國(guó)產(chǎn)船用柴油機(jī)命名方法國(guó)產(chǎn)柴油機(jī)型號(hào)由數(shù)字和表征柴油機(jī)特征的漢語(yǔ)拼音字頭組成。但中小型柴油機(jī)的型號(hào)也有例外，此時(shí)應(yīng)以產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)為準(zhǔn)?，F(xiàn)將幾種主要型號(hào)列于表1-1。表1-1 國(guó)產(chǎn)柴油機(jī)命名代號(hào)的意義代號(hào)意義柴油機(jī)型號(hào)氣缸數(shù)氣缸直徑cm活塞行程cm二沖程船用增壓高增壓可倒轉(zhuǎn)十字頭第一次改進(jìn)第二次改進(jìn)V型機(jī)12V135ZC1213.5CZV6E150C615.0EC6250GZC625.0CZG8E350ZCD835.0ECZD6ESDZ43/82A64382EZDSA6ESDZ75/160B675160EZDSB （二）幾種常見(jiàn)國(guó)外機(jī)型型號(hào)解釋 關(guān)干柴油機(jī)的型號(hào)表示，國(guó)際上沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，通常由若干字母和數(shù)字組成，但各國(guó)柴油機(jī)制造廠有自行的規(guī)定和說(shuō)明。現(xiàn)列舉常見(jiàn)幾個(gè)國(guó)外廠家的船用低速柴油機(jī)型號(hào)。112 四沖程柴油機(jī)的工作原理（工作過(guò)程、氣閥正時(shí)、氣閥重疊角）一四沖程柴油機(jī)工作過(guò)程若柴油機(jī)工作循環(huán)的進(jìn)氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣五個(gè)過(guò)程是通過(guò)四個(gè)沖程（即曲軸回轉(zhuǎn)兩周）來(lái)完成的，這種柴油機(jī)就叫四沖程柴油機(jī)。四沖程柴油機(jī)的工作原理如圖1-6所示。 第一沖程進(jìn)氣沖程 這一沖程的任務(wù)是使氣缸內(nèi)充滿(mǎn)新鮮空氣?；钊缮现裹c(diǎn)下行，進(jìn)氣閥已打開(kāi)，由于氣缸容積不斷增大，缸內(nèi)壓力下降，依靠氣缸內(nèi)外的氣壓差作用，新鮮空氣通過(guò)進(jìn)氣閥被吸入氣缸。由于受流阻等影響，在進(jìn)氣過(guò)程的大部分時(shí)間里，氣缸內(nèi)壓力低于大氣壓力，到下止點(diǎn)時(shí)，缸內(nèi)氣壓的為0.080.95Mpa，溫度約為3070。這時(shí)，排氣閥和噴油器均關(guān)閉。為了使柴油機(jī)作功更完善，必須在進(jìn)氣過(guò)程盡可能多吸入新鮮空氣。進(jìn)氣閥開(kāi)啟始點(diǎn)至上上點(diǎn)的曲柄轉(zhuǎn)角叫做進(jìn)氣提前角。下止點(diǎn)到進(jìn)氣閥關(guān)閉位置的曲柄轉(zhuǎn)角叫做進(jìn)氣延遲角（利用慣性進(jìn)氣）。整個(gè)進(jìn)氣過(guò)程所占的總角度約為220250CA。圖1-6 四沖程柴油機(jī)工作原理第二沖程壓縮沖程 這一沖程的任務(wù)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(jī)燃燒及膨脹作功創(chuàng)造條件。活塞從下止點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)，自進(jìn)氣閥關(guān)閉開(kāi)始?jí)嚎s，一直到活塞到達(dá)上止點(diǎn)為止。活塞上行，氣缸容積減少，缸內(nèi)氣體壓力和溫度隨之升高，到達(dá)壓縮終點(diǎn)時(shí)，壓力增高到 36MPa，溫度升至 600700（柴油的自燃溫度為270左右），通常壓縮終點(diǎn)的氣體壓力和溫度分別用Pc和tc表示。四沖程機(jī)壓縮過(guò)程所占的總角度約為140160CA。 第三沖程燃燒和膨脹沖程 這一沖程的任務(wù)是完成兩次能量轉(zhuǎn)換。在活塞到達(dá)上止點(diǎn)前，燃油經(jīng)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(diǎn)附近自燃，由于燃油強(qiáng)烈燃燒，使氣缸內(nèi)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(chǎn)生的最高壓力稱(chēng)最高爆發(fā)壓力，用pz表示，最高溫度tz表示。高溫高壓燃?xì)猓垂べ|(zhì)）膨脹推動(dòng)活塞下行作功。在上止點(diǎn)后的某一時(shí)刻燃燒基本結(jié)束，燃?xì)饫^續(xù)膨脹，到排氣閥下止點(diǎn)前開(kāi)啟時(shí)膨脹過(guò)程結(jié)束。膨脹終了時(shí)氣缸內(nèi)氣體壓力pb約為0.250.45MPa，溫度tb約為600700。四沖程機(jī)燃燒膨脹過(guò)程所占的總角度約為130160CA。 第四沖程排氣沖程這一沖程的任務(wù)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(jìn)入提供條件。這一階段，要求廢氣排得越干凈越好，所以與進(jìn)氣閥啟閉一樣，排氣閥也是提前開(kāi)啟，延遲關(guān)閉。排氣閥開(kāi)啟時(shí)，活塞尚在下行，廢氣靠氣缸內(nèi)外壓力差進(jìn)行自由排氣。從排氣閥開(kāi)啟到下止點(diǎn)的曲柄轉(zhuǎn)角叫做排氣提前角。當(dāng)活塞從下止點(diǎn)上行時(shí)，廢氣被活塞推出氣缸，此時(shí)排氣過(guò)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(jìn)行的。排氣閥一直延遲到活塞到達(dá)上止點(diǎn)之后才關(guān)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(diǎn)到排氣閥關(guān)閉位置的曲柄轉(zhuǎn)角叫做排氣延遲角。四沖程機(jī)排氣沖程所占的總角度約為210240CA。二四沖程柴油機(jī)的定時(shí)圖l-8 6350C型柴油機(jī)定時(shí)圖圖1-7 四沖程柴油機(jī)氣閥正時(shí)圓圖四沖程柴油機(jī)的進(jìn)、排氣閥的啟閉都不正好在上、下止點(diǎn)，而是在上、下止點(diǎn)前后某一時(shí)刻。它們的開(kāi)啟持續(xù)角均大于180CA。進(jìn)、排氣閥在上、下止點(diǎn)前后啟閉的時(shí)刻稱(chēng)為氣閥正時(shí)（定時(shí)），通常氣閥正時(shí)用距相應(yīng)止點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角（CA）表示。用曲軸轉(zhuǎn)角表示氣閥正時(shí)的圓圖稱(chēng)氣閥正時(shí)（定時(shí)）圓圖，如圖1-7所示。在圖1-7中，進(jìn)氣閥在上止點(diǎn)前點(diǎn)1開(kāi)啟，在下止點(diǎn)后點(diǎn)2關(guān)閉。其與相應(yīng)止點(diǎn)的夾角1、2分別稱(chēng)進(jìn)氣提前角、進(jìn)氣滯后角。排氣閥在下止點(diǎn)前點(diǎn)5開(kāi)啟，在上止點(diǎn)后點(diǎn)6關(guān)閉，其與相應(yīng)止點(diǎn)的夾角3、4分別稱(chēng)為排氣提前角、排氣滯后角。（1）排氣閥提前開(kāi)：排氣閥開(kāi)啟初期其通道截面積很小，流動(dòng)阻力很大。如果排氣閥太接近下止點(diǎn)時(shí)才開(kāi)啟，提前開(kāi)啟的角度太小，廢氣排出不暢，會(huì)造成活塞上行推出廢氣消耗的功增大。殘余廢氣量增加。但排氣閥提前開(kāi)啟角也不能太大，否則會(huì)使氣體膨脹功損失過(guò)大。 （2）排氣閥滯后關(guān)：排氣閥的滯后關(guān)一方面使活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)，排氣閥仍有足夠通道截面，有利于廢氣的排出；另一方面，由于利用了排氣流的慣性，可使廢氣排得更干凈。 （3）進(jìn)氣閥提前開(kāi)：進(jìn)氣閥提前開(kāi)除了使進(jìn)氣沖程開(kāi)始時(shí)有較大的通道截面，以減少進(jìn)氣阻力，增加進(jìn)氣量，還可形成進(jìn)排氣閥疊開(kāi)，對(duì)燃燒室進(jìn)行掃氣，減少剩余廢氣量，增加進(jìn)氣量。 （4）進(jìn)氣閥滯后關(guān)：進(jìn)氣閥延遲在下止點(diǎn)后關(guān)閉，一方面使活塞在下止點(diǎn)附近時(shí)進(jìn)氣閥仍有足夠開(kāi)度。另一方面還可充分利用進(jìn)氣流的慣性而吸入更多空氣?？傊瑲忾y提前開(kāi)啟與延后關(guān)閉是為了將廢氣排除干凈并增加空氣的吸入量，以利于燃油的燃燒，另外排氣提前還可減少排氣耗功。因此，各機(jī)型（對(duì)應(yīng)常用轉(zhuǎn)速）有一最佳正時(shí)。按此正時(shí)工作，柴油機(jī)充入新氣最多，性能最好。機(jī)型不同，正時(shí)也不同。正時(shí)圓圖在柴油機(jī)使用說(shuō)明書(shū)中均有給出，不允許任意改變，經(jīng)常要以它為依據(jù)檢查調(diào)整氣閥正時(shí)。燃油噴射也有正時(shí)要求，也可畫(huà)在這個(gè)圖上，如圖l-8所表示的國(guó)產(chǎn)6350C型柴油機(jī)定時(shí)圖。由圖1-7還可看出，在上止點(diǎn)前后進(jìn)氣閥與排氣閥同時(shí)開(kāi)啟著，同一氣缸的進(jìn)、排氣閥同時(shí)開(kāi)啟的曲軸轉(zhuǎn)角稱(chēng)為氣閥重疊角。在氣閥疊開(kāi)期間，進(jìn)氣管、氣缸、排氣管連通，這樣有助于廢氣的排出和新氣的流入。此時(shí)利用廢氣流動(dòng)慣性的抽吸作用，除可避免廢氣倒沖入進(jìn)氣管外，尚可將新鮮空氣吸進(jìn)氣缸，并利用此壓力差用新氣將燃燒室內(nèi)的廢氣掃出氣缸，實(shí)現(xiàn)所謂燃燒室掃氣。此時(shí)不但可提高換氣質(zhì)量，還可利用進(jìn)氣冷卻燃燒室零件的高溫表面。因而，四沖程柴油機(jī)均有一定的氣閥重疊角，而且增壓柴油機(jī)的氣閥重疊角均大于非增壓機(jī)，如表1-2所示。表1-2 四沖程柴油機(jī)氣閥重疊角名稱(chēng)非增壓增壓開(kāi)啟關(guān)閉開(kāi)啟關(guān)閉進(jìn)氣閥上止點(diǎn)前1530下止點(diǎn)后1030上止點(diǎn)前4080下止點(diǎn)后2040排氣閥下止點(diǎn)前3545上止點(diǎn)后1020下止點(diǎn)前4055上止點(diǎn)后4050重疊角255080130 以上、下止點(diǎn)為基準(zhǔn)，用曲柄轉(zhuǎn)角表示的進(jìn)排氣閥、噴油器、起動(dòng)閥開(kāi)啟和完全關(guān)閉的時(shí)刻總稱(chēng)為柴油機(jī)的定時(shí)（正時(shí)）。氣閥啟閉時(shí)刻稱(chēng)為配氣定時(shí)，噴油器開(kāi)啟時(shí)刻稱(chēng)為噴油定時(shí)。起動(dòng)閥啟閉時(shí)刻稱(chēng)為起動(dòng)定時(shí)。各種柴油機(jī)的定時(shí)是不同的，說(shuō)明書(shū)上常用表格或定時(shí)圖來(lái)表示，圖l-8表示6350C型柴油機(jī)定時(shí)圖。113 二沖程柴油機(jī)的工作原理（必要條件） 用兩個(gè)行程（曲軸回轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)）完成一個(gè)工作循環(huán)的柴油機(jī)稱(chēng)二沖程柴油機(jī)。 二沖程柴油機(jī)與四沖程柴油機(jī)不同，其氣缸上設(shè)有氣口，圖1-9中氣缸右側(cè)為排氣口，左側(cè)為進(jìn)氣口。排氣口比進(jìn)氣口略高，進(jìn)排氣口的開(kāi)關(guān)均由活塞控制。此外，二沖程柴油機(jī)設(shè)有掃氣泵。掃氣泵預(yù)先將空氣壓縮并送入掃氣箱中，掃氣箱中的空氣壓力（掃氣壓力）要比大氣壓力稍高。 1換氣壓縮行程 活塞由下止點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)。在活塞遮住進(jìn)氣口之前，新鮮空氣通過(guò)進(jìn)氣口不斷充入氣缸并將氣缸內(nèi)的廢氣經(jīng)排氣口驅(qū)除出去。當(dāng)活塞上行到將進(jìn)氣口全部遮閉時(shí)（點(diǎn)l），新鮮空氣停止進(jìn)入氣缸。當(dāng)排氣口被活塞遮閉后（點(diǎn)2），氣缸內(nèi)的空氣就被上行的活塞壓縮，壓力和溫度亦隨之升高。在活塞到達(dá)上止點(diǎn)前的某一時(shí)刻（點(diǎn)2），柴油經(jīng)噴油器噴入氣缸，并與高溫高壓空氣混合后著火燃燒。在這一行程中，進(jìn)行了換氣（曲線0-1-2）、壓縮（曲線2-3）和噴油著火燃燒諸過(guò)程。圖1-9 二沖程柴油機(jī)工作原理圖 2膨脹換氣行程 活塞由上止點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)。在此行程的初期，燃燒仍在猛烈地進(jìn)行，到點(diǎn)4才基本結(jié)束。高溫高壓的燃?xì)馀蛎浲苿?dòng)活塞下行作功。當(dāng)活塞下行將排氣口打開(kāi)時(shí)（點(diǎn)5），由于此時(shí)缸內(nèi)的燃?xì)獾膲毫蜏囟热暂^高，分別為0.250.6MPa和600800，因而氣缸內(nèi)燃?xì)饨逯跉飧變?nèi)外的壓差經(jīng)排氣口高速排出，缸內(nèi)的壓力也隨之下降。當(dāng)缸內(nèi)壓力下降到接近掃氣壓力時(shí)，下行的活塞將進(jìn)氣口打開(kāi)（點(diǎn)6），新鮮空氣便通過(guò)進(jìn)氣口充入氣缸，并對(duì)氣缸內(nèi)進(jìn)行掃氣，將氣缸內(nèi)的廢氣經(jīng)排氣口驅(qū)除出去。這個(gè)過(guò)程一直要延續(xù)到下一個(gè)循環(huán)活塞再次上行將進(jìn)氣口關(guān)閉時(shí)為止，稱(chēng)為掃氣過(guò)程。在這一行程中，進(jìn)行了燃燒與膨脹（曲線3-4-5）、排氣（曲線5- 6）和部分掃氣（曲線6-0）過(guò)程。114 二、四沖程柴油機(jī)的比較二沖程柴油機(jī)與四沖程柴油機(jī)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)： （1）提高了柴油機(jī)的作功能力對(duì)于兩臺(tái)氣缸直徑、活塞行程及轉(zhuǎn)速等相同的柴油機(jī)，二沖程柴油機(jī)的功率似乎應(yīng)比四沖程大一倍。但實(shí)際上，由于二沖程柴油機(jī)氣缸上開(kāi)有氣口而使工作容積有所減少，機(jī)械傳動(dòng)的掃氣泵也要消耗一定的功率等因素，二沖程柴油機(jī)的功率只能增大6080。顯然，若兩者功率相同，則二沖程柴油機(jī)的尺寸較小，重量較輕。 （2）改善了柴油機(jī)的動(dòng)力性 由于二沖程柴油機(jī)曲軸每轉(zhuǎn)360各缸作功一次，而四沖程柴油機(jī)每轉(zhuǎn)720各缸作功一次，因而二沖程柴油機(jī)要比四沖程柴油機(jī)回轉(zhuǎn)均勻，可使用較小的飛輪。 （3）簡(jiǎn)化了柴油機(jī)的結(jié)構(gòu) 省去了進(jìn)氣閥及其傳動(dòng)裝置。對(duì)有些二沖程柴油機(jī)，還省去了排氣閥及其傳動(dòng)裝置。所以，其維護(hù)保養(yǎng)就簡(jiǎn)單方便得多。 二沖程柴油機(jī)雖然有以上優(yōu)點(diǎn)，但它也有其本身固有的缺點(diǎn)： （1）換氣質(zhì)量差、熱效率低 因?yàn)槎_程柴油機(jī)換氣時(shí)間比四沖程柴油機(jī)短得多，且掃、排氣幾乎同時(shí)進(jìn)行，所以掃氣過(guò)程中新鮮空氣與廢氣滲混嚴(yán)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(zhì)量差，進(jìn)而影響燃油燃燒，熱能利用不充分，熱效率比四沖程柴油機(jī)低。 （2）熱負(fù)荷較高 在轉(zhuǎn)速相同時(shí)，二沖程機(jī)氣缸內(nèi)每單位時(shí)間的燃燒次數(shù)是四沖程機(jī)的兩倍，因此，二沖程機(jī)與氣缸內(nèi)高溫燃?xì)庀嘟佑|部件熱負(fù)荷比較高。二沖程柴油機(jī)的上述缺點(diǎn)，隨轉(zhuǎn)速的增加，會(huì)變得更加嚴(yán)重。所以，大型低速柴油機(jī)采用二沖程；小型高速柴油機(jī)采用四沖程；中型中速機(jī)，四沖程、二沖程均有采用，但以四沖程機(jī)為主。 二沖程柴油機(jī)與四沖程柴油機(jī)比較，除有以上優(yōu)缺點(diǎn)外，綜合而言尚有以下特點(diǎn)： （1）二沖程柴油機(jī)凸輪軸轉(zhuǎn)速與曲軸轉(zhuǎn)速相同；而四沖程柴油機(jī)凸輪軸轉(zhuǎn)速是曲軸轉(zhuǎn)速的一半，即12。 （2）一個(gè)工作循環(huán)中，二沖程柴油機(jī)下行對(duì)外作功，上行則靠外力驅(qū)動(dòng)，而四沖程機(jī)除燃燒膨脹沖程對(duì)外作功外，其它三個(gè)沖程都是耗功沖程。 （3）二沖程柴油機(jī)進(jìn)排氣重疊角大約為80100CA，四沖程柴油機(jī)的氣閥重疊角較小，約為2560CA。115 柴油機(jī)增壓的概念（定義、目的、 增壓的形式、增壓的分類(lèi)) 一增壓的定義和目的所謂增壓，就是用提高氣缸進(jìn)氣壓力的方法，使進(jìn)入氣缸的空氣密度增加，從而可以增加噴入氣缸的燃油量，以提高柴油機(jī)的平均指示壓力pi和柴油機(jī)的平均有效壓力pe。柴油機(jī)的增壓程度一般以增壓度來(lái)表示，增壓度是柴油機(jī)增壓后標(biāo)定功率與增壓前標(biāo)定功率之差值與增壓前標(biāo)定功率的比值。由于空氣在增壓器中被壓縮時(shí)壓力和溫度是同時(shí)升高的，這就影響了空氣密度的增加和增壓的效果。因此，在增壓器后都設(shè)有中冷器以降低空氣溫度，提高空氣密度。通常中冷器都目的：提高柴油機(jī)的進(jìn)氣壓力，可使進(jìn)氣的密度增加，從而達(dá)到在同樣的氣缸容積中充進(jìn)更多的空氣量，以便噴入燃燒更多的燃油，作出更多的功來(lái)。二廢氣渦輪增壓的兩種基本形式l定壓渦輪增壓（圖1-10和圖1-11）定壓渦輪增壓的特點(diǎn)是進(jìn)入廢氣渦輪增壓器的廢氣壓力基本上是穩(wěn)定狀態(tài)。柴油機(jī)各缸的排氣管連接到一根共用的容積足夠大的排氣總管上，渦輪就裝在排氣總管后面。因?yàn)閺U氣以基本不變的速度和壓力進(jìn)入渦輪，所以這種增壓方式渦輪工作穩(wěn)定，效率高。 定壓增壓只利用了廢氣能量中的定壓能E2，而沒(méi)有利用廢氣中的脈沖動(dòng)能E1。脈沖動(dòng)能E1在排氣流動(dòng)中由于排氣口（閥）的嚴(yán)重節(jié)流和在排氣管中膨脹渦旋，大部分損失掉。只有小部分脈沖動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，使排氣管中的廢氣溫度略有升高。因此廢氣渦輪增壓所能利用的廢氣能量就少些。尤其是當(dāng)柴油機(jī)在低負(fù)荷時(shí)或起動(dòng)時(shí)，因排氣管壓力低，廢氣的能量少，使渦輪發(fā)出的功率滿(mǎn)足不了壓氣機(jī)所需的功率，柴油機(jī)必需另設(shè)輔助風(fēng)機(jī)來(lái)滿(mǎn)足低負(fù)荷時(shí)的掃氣需要。2脈沖渦輪增壓（圖1-12和圖1-13） 脈沖渦輪增壓的特點(diǎn)是進(jìn)入廢氣渦輪增壓器的廢氣壓力為脈動(dòng)狀態(tài)。在結(jié)構(gòu)上把各缸排氣管經(jīng)過(guò)分組直接與一個(gè)或幾個(gè)廢氣渦輪相連，排氣管短而細(xì)。脈沖增壓除了可以利用脈沖能外，還能較好地利用廢氣的定壓能，故廢氣的能量利用增多。這有利于渦輪機(jī)和壓氣機(jī)之間的功率平衡。此外，掃氣階段正好是排氣管中的低壓階段，掃氣箱與排氣管間壓差較大，故有利于掃氣，即使柴油機(jī)低負(fù)荷時(shí)也是如此。但由于渦輪在不穩(wěn)定工況下工作，效率較低。 在多缸柴油機(jī)的脈沖增壓系統(tǒng)中，如果各缸的排氣均排入一根排氣管，那就會(huì)產(chǎn)生掃、排氣的相互干擾。即當(dāng)某缸進(jìn)行掃氣而相鄰缸正好在排氣時(shí)，排氣壓力波就會(huì)傳到掃氣缸的排氣口處，使該缸排氣背壓升高，從而嚴(yán)重影響該缸掃氣的正常進(jìn)行。如果每缸各自向單獨(dú)的排氣管排氣，雖然消除了各缸間的排氣干擾，但會(huì)使渦輪供氣間斷，效率降低。這一問(wèn)題必須依靠對(duì)排氣管進(jìn)行合理分組來(lái)解決。分組的原則是避免同組內(nèi)各缸的排、掃氣互相干擾。排氣管分組是脈沖增壓所必須采取的措施。 圖1-12 脈沖廢氣渦輪增壓系統(tǒng)圖 圖1-13 排氣脈沖波所以脈沖增壓最適合于氣缸數(shù)是3的倍數(shù)的柴油機(jī)。例如某二沖程六缸柴油機(jī)的發(fā)火順序?yàn)?-6-2-4-3-5，各缸發(fā)火間隔角為60，則可把1、2、3缸分為一組，4、5、6缸分為另一組。 一般來(lái)說(shuō)，大型低速二沖程柴油機(jī)的脈沖增壓系統(tǒng)采用多臺(tái)增壓器。而四沖程柴油機(jī)為使結(jié)構(gòu)布置緊湊，往往只采用一臺(tái)脈沖渦輪增壓器。為了防止排氣干擾，往往將廢氣渦輪的噴嘴環(huán)分隔開(kāi)，采用多進(jìn)口的布置方案。3兩種增壓方式比較 在不同的增壓壓力下應(yīng)當(dāng)采用不同的增壓方式。在低、中增壓時(shí)，即當(dāng)pk介于0.130.20 MPa之間時(shí)，采用脈沖增壓可以更多地利用廢氣能量。雖然在結(jié)構(gòu)、管理、渦輪效率等方面有缺點(diǎn)，但與其優(yōu)點(diǎn)相比還是屬于第二位的。所以，在這個(gè)增壓壓力范圍內(nèi)的柴油機(jī)絕大多數(shù)采用脈沖增壓。而隨著增壓壓力的提高，定壓能的比例也隨之增高，脈沖增壓在廢氣能量利用方面的優(yōu)勢(shì)不存在了，而在結(jié)構(gòu)、布置、渦輪效率等方面的問(wèn)題上升為第一位的。因此，在高增壓時(shí)均采用定壓增壓。如Sulzer公司 RND型以后的新機(jī)型、BW公司 KGF型以后的新機(jī)型，均采用定壓渦輪增壓。定壓增壓也是目前增壓系統(tǒng)的發(fā)展方向。 三柴油機(jī)增壓系統(tǒng)分類(lèi)1機(jī)械增壓（圖1-14）增壓器5直接由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)。顯然這種增壓形式將消耗柴油機(jī)的有效功率。隨著增壓壓力的提高，柴油機(jī)所消耗的功率隨之增大。因此機(jī)械增壓只適于增壓壓力小于（0.150.17）MPa的低增壓柴油機(jī)。2廢氣渦輪增壓（圖1-15）利用柴油機(jī)排出的廢氣吹動(dòng)渦輪機(jī)5，由渦輪機(jī)帶動(dòng)壓氣機(jī)3。顯然，這種增壓形式可以從廢氣中回收部分能量，不僅提高了柴油機(jī)的功率，還提高了動(dòng)力裝置的經(jīng)濟(jì)性，因而獲得廣泛應(yīng)用。3復(fù)合增壓這種增壓形式既采用渦輪增壓，又采用機(jī)械增壓。根據(jù)兩種增壓器的不同布置方案，可分為串聯(lián)增壓和并聯(lián)增壓。 圖1-l4 機(jī)械增壓系統(tǒng)圖 圖1-15 廢氣渦輪增壓系統(tǒng)1）串聯(lián)增壓系統(tǒng)（圖1-16） 串聯(lián)增壓系統(tǒng)是采用廢氣渦輪增壓器2和主機(jī)帶動(dòng)的往復(fù)式掃氣泵4串聯(lián)工作。在這種串聯(lián)增壓系統(tǒng)中，增壓空氣經(jīng)過(guò)兩級(jí)壓縮。渦輪增壓器2為第一級(jí)，壓氣機(jī)從大氣中吸入空氣進(jìn)入中間冷卻器3進(jìn)行冷卻，然后進(jìn)入與增壓器串聯(lián)的往復(fù)壓氣機(jī)4中進(jìn)行第二級(jí)壓縮，以達(dá)到規(guī)定的增壓壓力?？諝饨?jīng)第二級(jí)壓縮后，再送入第二級(jí)空氣冷卻器5冷卻，最后送入柴油機(jī)掃氣箱。 采用串聯(lián)增壓系統(tǒng)使柴油機(jī)起動(dòng)容易，低負(fù)荷性能好。當(dāng)渦輪增壓器損壞時(shí)，依靠第二級(jí)往復(fù)式壓氣機(jī)仍可使柴油機(jī)達(dá)到7080的標(biāo)定轉(zhuǎn)速，因此不須另設(shè)應(yīng)急鼓風(fēng)機(jī)。然而這種增壓系統(tǒng)使柴油機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量增加。 圖1-16 串連增壓系統(tǒng) 圖1-17 串聯(lián)旁通增壓系統(tǒng)2）串聯(lián)旁通增壓系統(tǒng)（圖1-17） 串聯(lián)旁通增壓系統(tǒng)的特點(diǎn)是部分串聯(lián)增壓，在掃氣前期為串聯(lián)增壓，在換氣后期串聯(lián)失效，由渦輪增壓器單獨(dú)供氣。這種增壓系統(tǒng)利用柴油機(jī)活塞的下部空間4作為輔助壓氣機(jī)，并與渦輪增壓器串聯(lián)作為第二級(jí)增壓泵，渦輪增壓器為第一級(jí)增壓泵。其掃氣箱分成內(nèi)外兩部分。外側(cè)空間各缸共用，與渦輪增壓器相通；內(nèi)側(cè)空間各缸分開(kāi)，并與活塞下部空間相連通組成單缸掃氣室。兩者之間以單向閥連接。 串聯(lián)旁通增壓系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是利用掃氣室中空氣的壓力變化防止廢氣倒沖，掃氣效果好。對(duì)于彎流掃氣柴油機(jī)可以減小排氣口高度。活塞下部的增壓泵可以改善柴油機(jī)的低負(fù)荷性能，而且結(jié)構(gòu)比串聯(lián)增壓系統(tǒng)簡(jiǎn)單。在采用定壓增壓時(shí)，由于在起動(dòng)和低負(fù)荷時(shí)廢氣渦輪增壓器供氣不足，采用電動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)與之串聯(lián)工作。 瑞士Sulzer RNDM型、RL和 RTA型柴油機(jī)采用這種串聯(lián)旁通增壓系統(tǒng)。（3）并聯(lián)增壓系統(tǒng)（圖1-18） 并聯(lián)增壓系統(tǒng)就是使渦輪增壓器與活塞下部空間并聯(lián)工作。在這種增壓系統(tǒng)中，廢氣渦輪增壓器和活塞下部輔助增壓泵分別從機(jī)艙吸入空氣并在其中壓縮，然后經(jīng)空氣冷卻器冷卻再共同送入掃氣箱。一般渦輪增壓器所供應(yīng)的空氣約為增壓空氣量的7580，其余空氣量由活塞下部輔助增壓泵供給。由于輔助增壓泵只供給一小部分空氣，則只需將柴油機(jī)的部分氣缸下部作為輔助增壓泵。 并聯(lián)增壓系統(tǒng)在低負(fù)荷時(shí)因渦輪增壓器供氣顯著下降，而輔助增壓泵的供氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，故柴油機(jī)在低負(fù)荷時(shí)的工作性能差，增壓器在低負(fù)荷時(shí)易發(fā)生喘振。為了防止在低負(fù)荷時(shí)增壓器發(fā)生喘振和改善柴油機(jī)的性能，并聯(lián)增壓系統(tǒng)幾經(jīng)改進(jìn)，取消了活塞下部輔助增壓泵，變成了單獨(dú)增壓系統(tǒng)，并附設(shè)電動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)與增壓器串聯(lián)供氣。MAN公司生產(chǎn)的KZ型、KSZ型柴油機(jī)采用并聯(lián)增壓系統(tǒng)。圖1-18 并聯(lián)增壓系統(tǒng) 圖1-19 廢氣渦輪中廢氣能量的利用圖2 柴油機(jī)的熱力循環(huán)211 內(nèi)燃機(jī)理論循環(huán)的基本形式及其特點(diǎn)212 柴油機(jī)的理論循環(huán)和實(shí)際循環(huán)的差別3 柴油機(jī)的性能指標(biāo)柴油機(jī)的主要性能指標(biāo)包括動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性?xún)蓚€(gè)方面的指標(biāo)，它們既是反映柴油機(jī)工作循環(huán)完善程度的參數(shù)，更是評(píng)估柴油機(jī)性能的主要依據(jù)。動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)分別從量和質(zhì)兩個(gè)方面來(lái)評(píng)價(jià)柴油機(jī)的性能。它們又可以分成指示指標(biāo)和有效指標(biāo)兩類(lèi)見(jiàn)表1-3。表1-3 動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)指示指標(biāo)有效指標(biāo)動(dòng)力性pi平均指示壓力pe平均有效壓力Ni指示功率Ne有效功率經(jīng)濟(jì)性i指示熱效率e有效熱效率gi指示燃油消耗率ge有效燃油消耗率 31 指示指標(biāo)和有效指標(biāo)定義、平均指示壓力和指示功率、指示效率和指示耗油率、機(jī)械損失功率和機(jī)械效率、有效功率和平均有效壓力、有效效率和有效耗油率 指示指標(biāo)是以實(shí)測(cè)的示功圖所表示的一個(gè)循環(huán)所作的功指示功為基礎(chǔ)的（從示功圖求出來(lái)的），它們表征氣缸內(nèi)部工作情況，其優(yōu)劣取決于氣缸內(nèi)部實(shí)際工作循環(huán)進(jìn)行的完善程度（包括不完全燃燒、燃燒延遲、氣體泄漏、氣缸壁傳熱損失等）。有效指標(biāo)是以在柴油機(jī)輸出軸上所得到的有效功為基礎(chǔ)的，它扣除了柴油機(jī)內(nèi)的一切損失，其優(yōu)劣取決于工作循環(huán)進(jìn)行的完善程度外，還得取決于機(jī)械損失的大小，它是評(píng)定柴油機(jī)工作性能的最終指標(biāo)。1. 指示指標(biāo)圖1-20 平均指示壓力pi示意圖1） 平均指示壓力pi 如果我們已測(cè)得示功圖如圖1-20所示，燃燒膨脹過(guò)程曲線與壓縮過(guò)程曲線所包圍的面積即表示指示功Li。泵氣功（泵氣損失）示功圖上測(cè)不出，指示指標(biāo)不考慮，放在有效指標(biāo)考慮。平均指示壓力pi：是一個(gè)假想的作用在活塞上的數(shù)值不變的壓力，它推動(dòng)活塞一個(gè)行程所作的功與一個(gè)工作循環(huán)的指示功Li相等（如圖1-20）。即： （Nm或J）所以： （N/m2或Pa） 式中：pi平均指示壓力，Pa； F活塞面積，m2； S活塞行程，m； VS氣缸工作容積，m3。由式（1-7）可見(jiàn)，平均指示壓力pi 又可以看成單位氣缸工作容積每一工作循環(huán)的指示功。它消去了柴油機(jī)氣缸工作容積的因素，所以它的數(shù)值與氣缸工作容積的大小無(wú)關(guān)。因此可以用pi 來(lái)比較不同氣缸尺寸和不同類(lèi)型的柴油機(jī)的做功能力強(qiáng)化程度。pi 值大，表明其單位氣缸工作容積的做功能力大，柴油機(jī)氣缸工作容積利用程度大。噴入的燃油量相同時(shí)，pi 值大表明其工作循環(huán)進(jìn)行得比較完善。所以pi 是評(píng)定柴油機(jī)工作循環(huán)動(dòng)力性的重要指標(biāo)。對(duì)于運(yùn)轉(zhuǎn)中的柴油機(jī)，pi 很容易由實(shí)測(cè)的p-V示功圖求得，方法如下：（1） 面積法用面積儀（見(jiàn)圖1-21）測(cè)得示功圖面積為f（mm2），示功圖長(zhǎng)度為L(zhǎng)（mm），示功圖平均高度hi=f/L（mm），則平均指示壓力： （MPa）式中：M示功彈簧比例（即p-V示功圖縱坐標(biāo)比例，示功器彈簧上有標(biāo)明），mm/MPa。 （2）十等分法 如不用面積儀，pi還可由p-V示功圖經(jīng)作圖法求得。如圖1-22所示。將測(cè)得示功圖長(zhǎng)度L分為10等份，量出各等分點(diǎn)上的示功圖高度y1、y2、y3y9（mm），在上、下止點(diǎn)附近距上、下止點(diǎn)L/40處再附加兩個(gè)示功圖高度y0和y10，示功圖的平均高度： （mm） 圖1-21 面積儀1-下帶針尖的固定重塊；2-把手；3-導(dǎo)針；4-支撐滑桿；5-測(cè)量滾子；6-計(jì)數(shù)盤(pán)圖1-22 示功圖的作圖計(jì)算法這樣求得的hi精度已夠。在標(biāo)定工況下船用柴油機(jī)的平均指示壓力pi的數(shù)值范圍如表1-5-1所示。表1-4 pi、pe值統(tǒng)計(jì)表機(jī)型pipe四沖程，非增壓0.751.10.600.9四沖程，增壓0.953.00.82.5二沖程，非增壓0.650.950.50.70二沖程，增壓0.81.80.71.92） 指示功率Ni 指示功率是指柴油機(jī)氣缸內(nèi)的工質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)推動(dòng)活塞所作的指示功。 柴油機(jī)的每個(gè)氣缸每個(gè)工作循環(huán)工質(zhì)所作的指示功為 （J） 柴油機(jī)一個(gè)氣缸的指示功率Ni1為 （Nm/s） 于是，整臺(tái)柴油機(jī)指示功率的一般式為 （kW） 式中：pi平均指示壓力，Pa或N/m2； VS氣缸工作容積，m3； n柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min； 每轉(zhuǎn)工作行程數(shù)，四沖程機(jī)1/2，二沖程機(jī)=1； i氣缸數(shù)。 在船上經(jīng)常要測(cè)量示功圖并計(jì)算柴油機(jī)的功率。對(duì)既定的柴油機(jī)其VS和為定值，為減少重復(fù)計(jì)算，令C=VS/60000，C稱(chēng)為氣缸常數(shù)。這樣，整臺(tái)柴油機(jī)指示功率的公式可簡(jiǎn)化為 （kW） 如各缸發(fā)出功率不均勻，則應(yīng)一缸缸測(cè)取示功圖，分別求得pi，Ni1，再將各缸功率相加而得到整臺(tái)柴油機(jī)的功率。3） 指示熱效率i和指示油耗率gi 指示熱效率的定義為 式中：Li指示功，J； Q1噴入氣缸內(nèi)燃油的總發(fā)熱量，J。對(duì)于一臺(tái)柴油機(jī)，可測(cè)算出其指示功率Ni和每小時(shí)燃油消耗量Gf，則 式中：3600一千瓦小時(shí)相當(dāng)?shù)臒崃?，kJ/（kWh） Gf柴油機(jī)每小時(shí)油耗量，kg/h； Hu所用燃料低熱值（高熱值：包括了燃油中氫元素燃燒生成水蒸氣冷卻而凝結(jié)放出的潛熱），通常取Hu=42700kJ/kg； Ni指示功率，kW。 指示油耗率