船舶柴油機的基本知識

課題一船舶柴油機的根本學(xué)問目的要求：了解船舶柴油機的根本概念及優(yōu)缺點。把握柴油機根本構(gòu)造和主要系統(tǒng)。把握柴油機主要構(gòu)造參數(shù)。把握四、二沖程柴油機的工作原理。比較四、二沖程柴油機工作原理與構(gòu)造上的差異。了解船舶柴油機的根本分類和型號。重點難點：柴油機與汽油機的區(qū)分。進排氣重疊角、定時圖。教學(xué)時數(shù)：4學(xué)時教學(xué)方法：多媒體講授課外思考題：柴油機與汽油機有哪些區(qū)分？柴油機主要構(gòu)造組成和作用。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構(gòu)造上有什么差異？6?四沖程柴油機進、排氣為什么都要提前和滯后？氣閥重疊角有何作用?課題一船舶柴油機的根本學(xué)問第一節(jié)柴油機的概述及進展趨勢一、柴油機的概述1熱機熱機是指把熱能轉(zhuǎn)換成機械能的動力機械。機中較典型的機型。

蒸汽機、蒸汽輪機以及柴油機、汽油機等是熱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(xué)能轉(zhuǎn)變成熱能〕發(fā)生在汽缸外部〔鍋爐〕，熱能轉(zhuǎn)變成機械能發(fā)生在汽缸內(nèi)部。 此種機械由于熱能需經(jīng)某中間工質(zhì)〔水蒸氣它無法與內(nèi)燃機競爭，因而已經(jīng)在船舶動力裝置中消逝。內(nèi)燃機汽油機、柴油機以及燃氣輪機同屬內(nèi)燃機。 雖然它們的機械運動形式〔往復(fù)、回轉(zhuǎn)〕不同，但具有一樣的工作特點一一都是燃料在發(fā)動機的氣缸內(nèi)燃燒并直接利用燃料燃燒產(chǎn)生的高溫高壓燃氣在氣缸中膨脹作功。從能量轉(zhuǎn)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(jīng)取得明顯的領(lǐng)先地位。在內(nèi)燃機中依據(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(nèi)燃機的共同特點，但又都具有各自的工作特點。原理、工作經(jīng)濟性以及使用范圍上均存在肯定差異。

由于這些各自不同的特點使它們在工作如汽油機使用揮發(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展混合〕 形成可燃混合氣。缸內(nèi)燃燒為電點火式〔電火花塞點火〕。這種工作特點使汽油機不能承受高壓縮比，因而限制了汽油機的經(jīng)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(zāi)危急性大〕 。但它廣泛應(yīng)用于運輸車輛。柴油機柴油機是一種壓縮發(fā)火的往復(fù)式內(nèi)燃機。它使用揮發(fā)性較差的柴油或劣質(zhì)燃料油做燃料。承受內(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)燃燒承受壓縮式〔靠缸內(nèi)空氣壓縮形成的高溫自行發(fā)火〕 。這種工作特點使柴油機在熱機領(lǐng)域內(nèi)具有最高的熱效率〔已到達55%左右〕，而且允許作為船用發(fā)動機使用。泛。尤其在船用發(fā)動機中，柴油機已經(jīng)取得了確定領(lǐng)先地位。

因而，柴油機在工程界應(yīng)用格外廣1985〔2023t以上以柴油機作為推動裝置者占99.89%，1987100%為柴油機船。船用主機經(jīng)濟性、牢靠性、壽命是第一位,尺寸、重量是其次位，低速機適用作出優(yōu)點：經(jīng)濟性好。有效熱效率可達功率范圍寬廣，單機功率從

50%以上，可使用廉價的重油，燃油費用低。0.6kW45600kW，適用的領(lǐng)域廣。尺寸小，重量輕，有利于船舶機艙布置。機動性好。起動便利，加速性能好，有較寬的轉(zhuǎn)速和負荷調(diào)整范圍，可直接反轉(zhuǎn)，能適應(yīng)船舶航行的各種工況要求。同時，柴油機也具有以下缺點：存在機身振動、軸系扭轉(zhuǎn)振動和噪音。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)代船用柴油機的進展趨勢經(jīng)過近幾十年尤其是近十年的進展， 現(xiàn)代船用柴油機已經(jīng)進展到一個較高的技術(shù)水平。 今后，隨著生產(chǎn)力的進展，將會對船用柴油機提出更高的要求，船舶柴油機也將連續(xù)進展改進。當前柴油機的進展可以概括為： 以節(jié)能為中心，充分兼顧到排放與牢靠性的要求， 全面提高柴油機性能。依據(jù)此進展目標，今后的爭論趨勢大致為：提高經(jīng)濟性的爭論，包括燃燒、增壓、低磨損等的爭論；降低柴油機的排放的爭論，排放是現(xiàn)代柴油機面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，隨著對船舶柴油機排放掌握的限制，使得經(jīng)濟性的提高更加困難，這也是船舶柴油機進展中的課題；提高牢靠性與耐久性的爭論；電子掌握技術(shù)的爭論；代用燃料的爭論。1?現(xiàn)代船用柴油機提高經(jīng)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(jīng)濟性方面取得的成效超過了過去幾十年。 各種節(jié)能措施相繼消滅并日趨完善，這些措施主要有：承受定壓渦輪增壓系統(tǒng)和高效率廢氣渦輪增壓器。增大行程缸徑比S/D。提高最高爆發(fā)壓力pzpepz/pe。增大壓縮比￡。承受可變噴油定時〔VIT〕機構(gòu)。降低摩擦損失功提高機械效率nmo承受動力渦輪系統(tǒng)〔TCS〕o軸帶發(fā)電機〔PTO〕。柴油機廢熱再利用。改進噴射與燃燒技術(shù)。2?現(xiàn)代船用低速柴油機的構(gòu)造特點1〕燃燒室部件普遍承受鉆孔冷卻構(gòu)造。承受旋轉(zhuǎn)式排氣閥及液壓式氣閥傳動機構(gòu)。噴油泵承受可變噴油定時〔VIT〕機構(gòu)。承受薄壁軸承。承受獨立的氣缸潤滑系統(tǒng)。曲軸上增設(shè)軸向減振器。

其次節(jié)柴油機的根本構(gòu)造一、 柴油機的根本工作原理柴油機是一種壓縮發(fā)火的往復(fù)式內(nèi)燃機。 它的根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(xué)能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。柴油機必需經(jīng)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(fù)進展這些過程，使柴油機持續(xù)工作。二、 柴油機的根本構(gòu)造〔教材圖1-1〕1-1柴油機的根本構(gòu)造組成氣缸蓋；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;II- 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-排氣管固定部件主要由氣缸蓋、氣缸套、機體、機座、主軸承等構(gòu)成柴油機本體和運動件的支承，并和有關(guān)運動部件協(xié)作構(gòu)成柴油機的工作空間。運動部件主要由活塞、活塞銷、連桿，連桿螺栓、曲軸等組成。它們與固定部件協(xié)作完成空氣壓縮及熱能到機械能的轉(zhuǎn)換。配氣系統(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(nèi)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(gòu)等所組成，用來在規(guī)定的時間內(nèi)向氣缸內(nèi)充入足夠的穎空氣。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(gòu)以及排氣管、排氣消音器等組成。用來在規(guī)定時間內(nèi)將氣缸內(nèi)作功后的廢氣排入大氣。燃油系統(tǒng)它包括供給和噴射兩個系統(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。潤滑系統(tǒng)主要作用是潤滑摩擦外表，以削減機件的磨損，延長使用壽命，降低摩擦功率損失，提高機械效率。冷卻系統(tǒng)主要作用是維持柴油機受熱零部件在適宜的溫度狀態(tài)下工作。起動系統(tǒng)柴油機本身無自行起動力量。起動系統(tǒng)的任務(wù)就是使柴油機從停車狀態(tài)發(fā)動起來。調(diào)速裝置調(diào)速裝置的作用是使柴油機能按外界阻力矩的變化而自動轉(zhuǎn)變噴油泵的噴油量，油機在選定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

從而使柴此外，船舶柴油機還設(shè)有換向裝置， 并將起動、調(diào)速、換向和停車集中掌握組成操縱系統(tǒng)。多數(shù)柴油機還設(shè)有增壓系統(tǒng)，用于進一步提高柴油機作功力量。三、柴油機的根本構(gòu)造參數(shù)〔教材圖1-2〕D:氣缸套的名義內(nèi)徑。R:曲軸的曲柄銷中心與主軸頸中心間的距離。上止點〔TDC〕：活塞在氣缸中運動的最上端位置， 也就是活塞離曲軸中心線最遠的下止點〔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。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〔S=2R〕?；钊苿右粋€行程，相當于曲軸轉(zhuǎn)動 180°〔曲軸轉(zhuǎn)角〕。氣缸余隙容積〔Vc〕:活塞在氣缸內(nèi)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外表之間所包圍的空間〕容積。7〕8〕積。VaVcVh

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。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。氣缸總?cè)莘e〔Va〕:活塞在氣缸內(nèi)位于下止點時，活塞頂以上的氣缸全部容積，亦稱氣缸最大容壓縮比〔￡〕:氣缸總?cè)莘e與壓縮室容積之比值，亦稱幾何壓縮比?！? Va/Vc=1+Vh/Vc壓縮比&是柴油機主要性能參數(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。￡可通過轉(zhuǎn)變12?22。中、高速機壓縮比高于低速機。低速機：速機：15?22,增壓機：11?14〔低散熱少，增壓后Pc、Tc相應(yīng)高〕。

Vc來調(diào)整。柴油機13?15,中速機：14?17,高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，所以假設(shè)要調(diào)整壓縮比，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〕假設(shè)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轉(zhuǎn)兩周〕來完成的，這種柴油機就叫四沖程柴油機。第一沖程一一氣沖程

〔即曲軸回這一沖程的任務(wù)是使氣缸內(nèi)布滿穎空氣。 活塞由上止點下行，進氣閥已翻開，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， 穎空氣通過進氣閥被吸入氣缸。由于受流阻等影響，在進氣過程的大局部時間里， 氣缸內(nèi)壓力低于大氣壓力，到下止點時，缸內(nèi)氣壓的為0.08?0.95Mpa，溫度約為30?70C。這時，排氣閥和噴油器均關(guān)閉。為了使柴油機作功更完善，必需在進氣過程盡可能多吸入穎空氣。 進氣閥開啟始點至上上點的曲柄轉(zhuǎn)角叫做進氣提前角。

下止點到進氣閥關(guān)閉位置的曲柄轉(zhuǎn)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其次沖程——壓縮沖程

220?250°CA。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，為柴油機燃燒及膨脹作功制造條件?；钊麖南轮裹c向上運動，自進氣閥關(guān)閉開頭壓縮，始終到活塞到達上止點為止。活塞上行，氣缸容積削減，缸內(nèi)氣體壓力和溫度隨之上升，到達壓縮終點時，壓力增高到3?6MPa600?700C〔柴油的自燃溫度為270C左右〕，Pctc表示。四沖程機壓縮過程所占的總角度約為

140?160°CA第一沖程 聊二沖建

三沖程

弟創(chuàng)沖淫1-3四沖程柴油機工作原理第三沖程——燃燒和膨脹沖程

b> c〕 d〕這一沖程的任務(wù)是完成兩次能量轉(zhuǎn)換。 在活塞到達上止點前，燃油經(jīng)噴油器以霧狀噴入氣1400?1800C或更高些，壓力增加至5?8MPa,甚至13MPa以上。燃燒產(chǎn)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(zhì)〕膨脹推動活塞下行作功。在上止點后的某一時刻燃燒根本完畢， 燃氣連續(xù)膨脹，到排氣閥下止點前開啟時膨脹過程完畢。膨脹終了時氣缸內(nèi)氣體壓力四沖程機燃燒膨脹過程所占的總角度約為第四沖程——排氣沖程

Pb0.25?0.45MPatb600?700C。130?160°CA。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)穎空氣的進入供給條件。 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(guān)閉。排氣閥開啟時，活塞尚在下行，廢氣靠氣缸內(nèi)外壓力差進展自由排氣。的曲柄轉(zhuǎn)角叫做排氣提前角。 當活塞從下止點上行時，

從排氣閥開啟到下止點廢氣被活塞推出氣缸， 此時排氣過程是在略高于大氣壓力〔1.05?1.1大氣壓〕，且在壓力根本不變的狀況下進展的。

排氣閥始終延遲到活塞到達上止點之后才關(guān)閉， 這樣可利用氣流的慣性作用， 連續(xù)排出一些廢氣。上止點到排氣閥關(guān)閉位置的曲柄轉(zhuǎn)角叫做排氣延遲角。四沖程機排氣沖程所占的總角度約為 210?240°CA。二、四沖程柴油機的定時〔1-4〕以上、下止點為基準，用曲柄轉(zhuǎn)角表示的進排氣閥、 噴油器、起動閥開啟和完全關(guān)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。l-46350C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，疊角。適當?shù)臍忾y重疊角不僅不會使廢氣倒灌入進氣管，充入。由于此時廢氣因流淌慣性按原方向連續(xù)排出氣缸，

這段重疊的曲柄轉(zhuǎn)角稱為氣閥重而且還有利于廢氣的去除和空氣的進氣閥開度尚小，故不會向進氣管內(nèi)倒灌，且在慣性排氣時，在燃燒室內(nèi)形成低壓，造成抽吸氣體的有利條件，可將氣吸入氣缸。穎氣充入后又可更好地將廢氣掃出，實行了所謂“燃燒室掃氣”能起到冷卻作用。三、二沖程柴油機的工作原理〔教材圖 1-5〕

。穎的空氣對燃燒室壁面二沖程柴油機與四沖程柴油機根本構(gòu)造一樣，主要差異在配氣機構(gòu)方面。二沖程柴油機沒有進氣閥，有的帶動的掃氣泵，及貯存壓力空氣的掃氣箱，利用活塞與氣口的協(xié)作完成配氣，從而簡化了柴油機構(gòu)造。第一沖程一一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(nèi)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。活塞連續(xù)上行，漸漸遮住掃氣口，當掃氣口完全關(guān)閉后，空氣停頓充入，排氣還在進展，這階段稱為“過后排氣階段”。排氣口關(guān)閉時，氣缸中的空氣就開頭被壓縮。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，隨即在上止點四周發(fā)火，自行著火燃燒。1-5二沖程柴油機工作原理示意圖其次沖程——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，活塞下行直至排氣口f時(一般掃氣箱中的掃氣壓力為開，掃氣空氣進入氣缸，同時把氣缸內(nèi)的廢氣經(jīng)排氣口

0.105?0.140MPa),下行活塞把掃氣口打f趕出氣缸?；钊\行到下止點，本沖程完畢，但掃氣過程始終連續(xù)到下一個沖程排氣口關(guān)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：提高了柴油機的作功力量對于兩臺氣缸直徑、活塞行程及轉(zhuǎn)速等一樣的柴油機， 二沖程柴油機的功率似乎應(yīng)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削減， 機械傳動的掃氣泵也要消耗肯定的功率等因素，二沖程柴油機的功率只能增大功率一樣，則二沖程柴油機的尺寸較小，重量較輕。改善了柴油機的動力性由于二沖程柴油機曲軸每轉(zhuǎn)360°各缸作功一次，而四沖程柴油機每轉(zhuǎn)次，因而二沖程柴油機要比四沖程柴油機回轉(zhuǎn)均勻，可使用較小的飛輪。簡化了柴油機的構(gòu)造

60?80%。明顯，假設(shè)兩者720°各缸作功一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)就簡潔便利得多。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：換氣質(zhì)量差、熱效率低由于二沖程柴油機換氣時間比四沖程柴油機短得多， 且掃、排氣幾乎同時進展，所以掃氣過程中穎空氣與廢氣滲混嚴峻，

還有局部穎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。熱負荷較高在轉(zhuǎn)速一樣時，二沖程機氣缸內(nèi)每單位時間的燃燒次數(shù)是四沖程機的兩倍，機與氣缸內(nèi)高溫燃氣相接觸部件熱負荷比較高。

因此，二沖程二沖程柴油機的上述缺點， 隨轉(zhuǎn)速的增加，會變得更加嚴峻。所以，大型低速柴油機承受二沖程；小型高速柴油機承受四沖程；中型中速機，四沖程、二沖程均有承受，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：12?！獋€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(qū)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)25?60°CA

二沖程柴油機進排氣重疊角大約為 80?100°CA四沖一、 船舶柴油機的分類柴油機的用途極為廣泛，型號較多，但不管何種柴油機，其根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：按工作循環(huán)特點分：四沖程柴油機和二沖程柴油機。按柴油機進氣方式分：增壓柴油機和非增壓柴油機。按柴油機轉(zhuǎn)速和活塞平均速度分：柴油機的速度可以用曲軸轉(zhuǎn)速對或活塞平均速度中速機、高速機。

Cm來表示。船舶柴油機可分為：低速機、低速機具有經(jīng)濟性好、轉(zhuǎn)速低、功率大，