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281柴油机的基本知识就目前来说，常见的动力装置有：柴油机、汽油机、燃气轮机、喷气式发动机、蒸汽机、核动力装置等。广义而言，按照燃料的燃烧形式，可分为两大类，一类是内燃机，一类是外燃机。1热机 热机是指把热能转换成机械能的动力机械。蒸汽机、蒸汽轮机以及柴油机、汽油机等是热机中较典型的机型。 蒸汽机与蒸汽轮机同属外燃机。在该类机械中，燃烧（燃料的化学能转变成热能）发生在汽缸外部（锅炉），热能转变成机械能发生在汽缸内部。此种机械由于热能需经某中间工质（水蒸气）传递，必然存在热损失，所以它的热效率不高，况且整个动力装置十分笨重。在能源问题十分突出的当前，它无法与内燃机竞争，因而已经在船舶动力装置中消失。2内燃机 汽油机、柴油机以及燃气轮机同属内燃机。虽然它们的机械运动形式（往复、回转）不同，但具有相同的工作特点都是燃料在发动机的气缸内燃烧并直接利用燃料燃烧产生的高温高压燃气在气缸中膨胀作功。从能量转换观点，此类机械能量损失小，具有较高的热效率。另外，在尺寸和重量等方面也具有明显优势，因而在与外燃机竞争中已经取得明显的领先地位。在内燃机中根据所用燃料不同，可大致分为汽油机、煤气机、柴油机和燃气轮机。它们都具有内燃机的共同特点，但又都具有各自的工作特点。由于这些各自不同的特点使它们在工作原理、工作经济性以及使用范围上均存在一定差异。如汽油机使用挥发性好的汽油做燃料，采用外部混合法（汽油与空气在气缸外部进气管中的汽化器进行混合）形成可燃混合气。缸内燃烧为电点火式（电火花塞点火）。这种工作特点使汽油机不能采用高压缩比，因而限制了汽油机的经济性不能大幅度提高，而且也不允许作为船用发动机使用（汽油的火灾危险性大）。但它广泛应用于运输车辆。各种内燃机如：图1-1 (a)柴油机 (b)汽油机 (c)燃气轮机 (d)喷气式发动机 图1-1 各种内燃机1.3 各种内燃机的应用范围内燃机特点：热效率高、适应性好、功率范围广，已广泛应用于工农业、交通运输业和国防建设事业等方面。由于内燃机的使用范围如此的广泛，世界各国的需求量十分巨大并不断增长。在各经济部门和国防工业中，内燃机都占有极其重要的地位。1.3.1 航空动力方面燃气轮机和喷气式发动机几乎是唯一的动力装置。优点：重量轻，尺寸小，结构简单，扭矩特性好，振动小及排气中有害气体少。缺点：热效率低，燃料消耗高。图1-6为喷气式发动机的原理图和涡扇9型飞机发动机。 （a）喷气式发动机工作原理 (b)涡扇9型飞机发动机 *图1-6 喷气式发动机1.3.2陆路交通方面内燃机的发展，使得人类的陆路交通产生了一个质的飞跃，从此，“以车代步”对许多人来说都不再是一个不企及迹的愿望如：图1-7。 （a）小汽车 (b)摩托车 *图1-7 陆路交通工具1.3.3内河船舶、工程机械柴油机应用 (a)客船 (b)起重机 *图1-8 内燃机在内和船舶和工程机械上的应用1.3.4 在远洋方面在远洋海轮方面柴油机也是主要动力，原因是最经济。 （a）客货两用船 (b)大型运输船*图1-9 远洋运输海轮上柴油机也是主要动力1.3.5在军用舰艇方面虽然各国均在大力发展核能机燃气轮机动力装置，但在轻型舰艇上，柴油机仍占优势。核潜艇、导弹快艇、鱼雷快艇、巡逻艇、扫雷艇、登陆艇及大部分常规潜艇和军辅船仍以柴油机为主要动力。只有少数水面舰艇则采用柴燃联合动力动力装置。CODOG，CODOD，Diesel, gas turbine, corporation，如：图1-10 (a)军舰 (b)潜艇 * 图1-10 在均用舰艇上柴油机仍占优势小资料：“小鹰”航母 由“福莱斯特”级脱胎换骨而来的“小鹰”级航空母舰，是美国海军建造的最后一级，也是最大的一级常规动力航空母舰。该级航空母舰的性能虽不及核动力航空母舰，但也不失为美海军航空母舰中的骨干力量。“小鹰”级航空母舰自服役后经过多次较大规模的大修或改装。在反复“手术”之后，4艘“小鹰”级不仅反潜能力大为提高，而且防空能力和海上补给能力均更上一层。该级舰标准排水量 60100吨，满载排水量 79700吨；舰长319.3米，宽 39.6米，吃水 l1.4米；动力装置为 4台蒸汽轮机，最大功率 28万马力，最大航速 32节（一节为1.852公里/小时）。舰上共搭载 80余架各型固定翼飞机和直升机。“小鹰”级航空母舰是美国海上军事行动的急先锋，在多次海上局部战争或冲突(如 1986年美利锡德拉湾冲突和1991年海湾战争)中都参与了作战行。1.3.6 备用电站方面“三遥”自动化柴油机组是能用计算机对机组进行遥控、遥测、遥信的新型智能柴油发电机组。它的控制屏采用远程通讯接口，可经MODEN和电话线与上位机实现“三遥”。机组采用闭式风扇水循环冷却系统，可在各种环境中可靠工作，特别适用于邮电系统和智能大厦作应急电源、部队战备无人值守电源，如：图1-11。 （a）柴油发电机组 （b）汽油发电机组*图1-11 电站内燃机的应用广泛1.3.7 农用机械方面内燃机在农业方面的应用是农业走向机械化、集约化的一个重要推动力，是农业现代化必不可少的一个环节如：图1-12。 (a)插秧机 (b)拖拉机*图1-12 柴油机在农业方面不可缺少3柴油机柴油机是一种压缩发火的往复式内燃机。它使用挥发性较差的柴油或劣质燃料油做燃料。采用内部混合法（燃油与空气的混合发生在气缸内部）形成可燃混合气；缸内燃烧采用压缩式（靠缸内空气压缩形成的高温自行发火）。这种工作特点使柴油机在热机领域内具有最高的热效率（已达到 55左右），而且允许作为船用发动机使用。因而，柴油机在工程界应用十分广泛。尤其在船用发动机中，柴油机已经取得了绝对领先地位。根据英国劳氏船级社统计，1985年全世界制造的船舶中（2000t以上）以柴油机作为推进装置者占99.89，而到1987年100为柴油机船。船用主机经济性、可靠性、寿命是第一位，尺寸、重量是第二位，低速机适用作船用主机，大功率四冲程中速机适用作滚装船和集装箱船，中、高速机适用作发电机组。柴油机的工作原理 柴油机是以柴油作燃料的压燃式内燃机。工作时，空气在气缸内被压缩而产生高温，使喷入的柴油自行着火燃烧，产生高温、高压的燃气，燃气膨胀推动活塞作功，将热能转变为机械功。柴油机的工作循环由进气、压缩、喷油着火燃烧、膨胀作功和排气等过程组成。这些过程可以由四冲程柴油机来实现，也可由二冲程柴油机来实现。111 柴油机的基本概念（定义、分类、主要优缺点、基本结构参数及基本工作过程）一柴油机的基本构造 图1-l 柴油机的基本构造组成l-气缸盖；2-活塞；3-气缸套；4-心活塞销；5-连杆；6-连杆螺栓；7-曲轴；8-机座；9-主轴承；10-机体；11-凸轮轴；12-喷油泵；13-顶杆；14-进气管；15-摇臂；16-过气阀；17-高压油管；18-喷油器；19-排气阀；20-气阀弹簧；21-排气管 （1）固定部件 主要由气缸盖、气缸套、机体、机座、主轴承等构成柴油机本体和运动件的支承，并和有关运动部件配合构成柴油机的工作空间。 （2）运动部件 主要由活塞、活塞销、连杆，连杆螺栓、曲轴等组成。它们与固定部件配合完成空气压缩及热能到机械能的转换。 （3）配气系统 它包括进气系统和排气系统。 进气系统主要由空气滤清器、进气管件、气缸盖内的进气道、进气阀、气阀弹簧、摇臂、顶杆、凸轮轴和凸轮轴传动机构等所组成，用来在规定的时间内向气缸内充入足够的新鲜空气。 排气系统主要由排气阀、气阀弹簧、摇臂、顶杆、凸轮轴和传动机构以及排气管、排气消音器等组成。用来在规定时间内将气缸内作功后的废气排入大气。 （4）燃油系统 它包括供应和喷射两个系统。前者由日用油柜、燃油滤清器，输油泵等组成，后者由喷油泵、高压油管和喷油器组成。其功用是供给柴油机燃烧作功所需的燃油。 （5）润滑系统 主要作用是润滑摩擦表面，以减少机件的磨损，延长使用寿命，降低摩擦功率损失，提高机械效率。 （6）冷却系统 主要作用是维持柴油机受热零部件在合适的温度状态下工作。 （7）起动系统 柴油机本身无自行起动能力。起动系统的任务就是使柴油机从停车状态发动起来。 （8）调速装置 调速装置的作用是使柴油机能按外界阻力矩的变化而自动改变喷油泵的喷油量，从而使柴油机在选定转速下稳定运转。 此外，船舶柴油机还设有换向装置，并将起动、调速、换向和停车集中控制组成操纵系统。多数柴油机还设有增压系统，用于进一步提高柴油机作功能力。 图l-2 柴油机的主要几何名称二柴油机的基本结构参数（1）气缸直径D：气缸套的名义内径。 （2）曲柄半径R：曲轴的曲柄销中心与主轴颈中心间的距离。 （3）上止点（TDC）：活塞在气缸中运动的最上端位置，也就是活塞离曲轴中心线最远的位置。 （4）下止点（BDC）：活塞在气缸中运动的最下端位置，也就是活塞离曲轴中心线最近的位置。 （5）冲程（S），又称行程：活塞从上止点移动到下止点间的直线距离。它等于曲轴曲柄半径R的两倍（S2R）。活塞移动一个行程，相当于曲轴转动180（曲轴转角）。（6）气缸余隙容积（压缩室容积Vc）：活塞在气缸内上止点时，活塞顶上的全部空间（活塞顶、气缸盖底面与气缸套表面之间所包围的空间）容积。 （7）余隙高度（顶隙）：上止点时活塞最高顶面与气缸盖底平面之垂直距离。（8）气缸工作容积（Vh）：活塞在气缸中从上止点移动到下止点时所扫过的容积。 （9）气缸总容积（Va）：活塞在气缸内位于下止点时，活塞顶以上的气缸全部容积，亦称气缸最大容积。VaVcVh （10）压缩比（）：气缸总容积与压缩室容积之比值，亦称几何压缩比。VaVc1VhVc压缩比是柴油机主要性能参数之一，表示缸内工质被压缩程度。愈大，被压缩终点的压力、温度愈高，柴油机易起动，热效率也高，过高使柴油机工作粗暴，机械负荷过大，磨损加剧，消耗压缩功增大，机械效率降低，输出功率减小。柴油机压缩比约为1222。中、高速机压缩比高于低速机。低速机：1315，中速机：1417，高速机：1522，增压机：1114（低散热少，增压后Pc、Tc相应高）。当气缸直径与活塞冲程确定后，气缸工作容积Vh也随着确定了，所以若要调整压缩比，可通过改变压缩容积Vc来实现。三柴油机的类型 由于柴油机的应用广泛，因此，为满足各种不同的使用要求，柴油机的类型也就多种多样。根据柴油机的各种不同特点以及不同的分类方法，船舶柴油机大体上有以下类型： （1）按工作循环分类。有四冲程柴油机和二冲程柴油机。 （2）按进气方式分类。有增压柴油机和非增压柴油机。 （3）按曲轴转速分类。有高速、中速和低速柴油机。高速柴油机：n1000r/min；中速柴油机：300n1000r/min；低速柴油机：n300r/min。 低速机具有经济性好、转速低、功率大，结构简单、工作可靠、可燃用劣质燃料的特点，广泛用于大型海轮主机。中速机常需经过减速器才能与螺旋桨相连，它可选择最佳的螺旋桨转速，另外中速机还具有重量轻、尺寸小，可多台柴油机联用等特点，它多用作河船和部分海船的主机。近年来由于中速机单机功率提高，用作海船主机的数量有了明显增加。高速柴油机在船上常用作应急发电机、应急救火泵、救生艇等的原动机，或作为河船、机帆船等小型船舶的主机。图1-3 筒状活塞和十字头式柴油机的构造示意图1-活塞；2-活塞杆；3-滑块；4-连杆；5-十字头；6-导板 （4）按柴油机结构特点分类。有筒状活塞式和十字头式柴油机；有单列气缸和多列气缸式柴油机。图1-3-是筒状活塞和十字头式柴油机的构造示意图。筒状活塞式柴油机的活塞直接与连杆连接，活塞往复运动的导向作用和工作过程中所产生的侧推力都是由活塞本身承担。十字头式柴油机的活塞是通过活塞杆和十字头与连杆连接，活塞的导向作用和侧压力由十字头滑块与导板承担。图1-4 直列式气缸排列的柴油机图1-5 V型气缸排列的柴油机这两种柴油机各有其特点，十字头式柴油机由于活塞不起导向作用，同时与缸套之间没有侧推力N的作用，因而两者之间的磨损减小，擦伤和卡死的可能性减小。此外，由于活塞杆只在垂直方向作直线运动，因而可在气缸下部加设一横隔板，把气缸与曲轴箱隔开，以免气缸中的污油、结炭或燃气漏入曲轴箱污染滑油。这也为十字头机燃用劣质燃料创造了有利条件。十字头式柴油机可靠性较筒形活塞式高。但十字头机的重量和高度增大，结构也较复杂，不具备筒形活塞式柴油机体积小、重量轻、结构简单的优点。 因气缸排列方式的不同柴油机还可分为单列气缸和多列气缸式柴油机。图1-4所示为气缸排成一列的直列式柴油机简图。为了提高柴油机的单位长度的功率，扩大单机功率范围，以及降低柴油机的重量指标，也有将柴油机设计成如图1-5所示的V型，另外还有H型、辐射式或对置气缸式等多列气缸的形式。在民用船舶柴油机中，主要是直列式和V型。（5）按柴油机的转向、排气管的位置分类。有右机或左机。 某些船舶的推进装置（如客轮）采用双机双桨推进装置。在这种船舶上，由船艉向船艏看，布置在机舱右舷的柴油机为右旋柴油机，亦称右机；布置在机舱左舷的柴油机为左旋柴油机，亦称左机。在这种动力装置中，为便于操纵管理，右机的操纵侧即凸轮轴侧布置在柴油机左侧（即内侧），而排气侧布置在其右侧；左机的操纵侧在柴油机的右侧（即内侧）。右旋柴油机曲轴的旋转方向是：由飞轮端（功率输出端）向自由端看，为顺时针方向。左旋柴油机曲轴的旋转方向则相反。单台布置的船舶主柴油机通常均为右旋柴油机。（6）按柴油机可否逆转分类。曲轴仅能按同一方向旋转的柴油机称不可逆转柴油机；可由操纵机构改变其曲轴转向的称可逆转柴油机。四柴油机的优缺点 柴油机能在动力机械以及船舶动力装置中占据极为重要的地位，是因为它具有许多优越的条件。与其它热机相比，它具有如下优点： （1）热效率高。大型低速柴油机的有效效率已达到50%53%，远远高于其他热机；而且柴油机在全工况范围内的热效率都较其它热机高。热效率高，也就是燃料消耗量小；柴油机又能燃用重油，甚至劣质重油；而且柴油机在停车状态时不需要消耗燃料。故燃料费用低，船舶的续航力大。 （2）功率范围大。柴油机的单机功率自0.6至80080kW，因此其适应的领域宽广。 （3）机动性好。正常起动只需35s，并能很快达到全负荷。有宽广的转速和负荷范围，能适应船舶航行的各种要求，而且操作简便。 （4）尺寸小，重量轻。柴油机不需要锅炉等大型附属设备，使柴油机动力装置的尺寸小、重量轻，特别适合于在交通运输等动力装置中应用。（5）可直接反转。柴油机可设计成直接反转的换向柴油机，而且倒车性能好，使装置结构简单。 同时，柴油机也具有以下缺点： （1）存在机身振动、轴系扭转振动和噪音。（2）某些部件的工作条件恶劣，承受高温、高压并具有冲击性负荷。五船舶柴油机的型号解释每种柴油机都有自己特定的代号，称为柴油机的型号。（一） 国产船用柴油机命名方法国产柴油机型号由数字和表征柴油机特征的汉语拼音字头组成。但中小型柴油机的型号也有例外，此时应以产品说明书为准。现将几种主要型号列于表1-1。表1-1 国产柴油机命名代号的意义代号意义柴油机型号气缸数气缸直径cm活塞行程cm二冲程船用增压高增压可倒转十字头第一次改进第二次改进V型机12V135ZC1213.5CZV6E150C615.0EC6250GZC625.0CZG8E350ZCD835.0ECZD6ESDZ43/82A64382EZDSA6ESDZ75/160B675160EZDSB （二）几种常见国外机型型号解释 关干柴油机的型号表示，国际上没有统一标准，通常由若干字母和数字组成，但各国柴油机制造厂有自行的规定和说明。现列举常见几个国外厂家的船用低速柴油机型号。112 四冲程柴油机的工作原理（工作过程、气阀正时、气阀重叠角）一四冲程柴油机工作过程若柴油机工作循环的进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程是通过四个冲程（即曲轴回转两周）来完成的，这种柴油机就叫四冲程柴油机。四冲程柴油机的工作原理如图1-6所示。 第一冲程进气冲程 这一冲程的任务是使气缸内充满新鲜空气。活塞由上止点下行，进气阀已打开，由于气缸容积不断增大，缸内压力下降，依靠气缸内外的气压差作用，新鲜空气通过进气阀被吸入气缸。由于受流阻等影响，在进气过程的大部分时间里，气缸内压力低于大气压力，到下止点时，缸内气压的为0.080.95Mpa，温度约为3070。这时，排气阀和喷油器均关闭。为了使柴油机作功更完善，必须在进气过程尽可能多吸入新鲜空气。进气阀开启始点至上上点的曲柄转角叫做进气提前角。下止点到进气阀关闭位置的曲柄转角叫做进气延迟角（利用惯性进气）。整个进气过程所占的总角度约为220250CA。图1-6 四冲程柴油机工作原理第二冲程压缩冲程 这一冲程的任务是压缩第一冲程吸入的空气，提高空气的温度与压力，为柴油机燃烧及膨胀作功创造条件。活塞从下止点向上运动，自进气阀关闭开始压缩，一直到活塞到达上止点为止。活塞上行，气缸容积减少，缸内气体压力和温度随之升高，到达压缩终点时，压力增高到 36MPa，温度升至 600700（柴油的自燃温度为270左右），通常压缩终点的气体压力和温度分别用Pc和tc表示。四冲程机压缩过程所占的总角度约为140160CA。 第三冲程燃烧和膨胀冲程 这一冲程的任务是完成两次能量转换。在活塞到达上止点前，燃油经喷油器以雾状喷入气缸的高温高压空气中，并与其混合，在上止点附近自燃，由于燃油强烈燃烧，使气缸内气体温度迅速上升到14001800或更高些，压力增加至58MPa，甚至13MPa以上。燃烧产生的最高压力称最高爆发压力，用pz表示，最高温度tz表示。高温高压燃气（即工质）膨胀推动活塞下行作功。在上止点后的某一时刻燃烧基本结束，燃气继续膨胀，到排气阀下止点前开启时膨胀过程结束。膨胀终了时气缸内气体压力pb约为0.250.45MPa，温度tb约为600700。四冲程机燃烧膨胀过程所占的总角度约为130160CA。 第四冲程排气冲程这一冲程的任务是将作功后的废气排出气缸外，为下一循环新鲜空气的进入提供条件。这一阶段，要求废气排得越干净越好，所以与进气阀启闭一样，排气阀也是提前开启，延迟关闭。排气阀开启时，活塞尚在下行，废气靠气缸内外压力差进行自由排气。从排气阀开启到下止点的曲柄转角叫做排气提前角。当活塞从下止点上行时，废气被活塞推出气缸，此时排气过程是在略高于大气压力（约1.051.1大气压），且在压力基本不变的情况下进行的。排气阀一直延迟到活塞到达上止点之后才关闭，这样可利用气流的惯性作用，继续排出一些废气。上止点到排气阀关闭位置的曲柄转角叫做排气延迟角。四冲程机排气冲程所占的总角度约为210240CA。二四冲程柴油机的定时图l-8 6350C型柴油机定时图图1-7 四冲程柴油机气阀正时圆图四冲程柴油机的进、排气阀的启闭都不正好在上、下止点，而是在上、下止点前后某一时刻。它们的开启持续角均大于180CA。进、排气阀在上、下止点前后启闭的时刻称为气阀正时（定时），通常气阀正时用距相应止点的曲轴转角（CA）表示。用曲轴转角表示气阀正时的圆图称气阀正时（定时）圆图，如图1-7所示。在图1-7中，进气阀在上止点前点1开启，在下止点后点2关闭。其与相应止点的夹角1、2分别称进气提前角、进气滞后角。排气阀在下止点前点5开启，在上止点后点6关闭，其与相应止点的夹角3、4分别称为排气提前角、排气滞后角。（1）排气阀提前开：排气阀开启初期其通道截面积很小，流动阻力很大。如果排气阀太接近下止点时才开启，提前开启的角度太小，废气排出不畅，会造成活塞上行推出废气消耗的功增大。残余废气量增加。但排气阀提前开启角也不能太大，否则会使气体膨胀功损失过大。 （2）排气阀滞后关：排气阀的滞后关一方面使活塞到达上止点时，排气阀仍有足够通道截面，有利于废气的排出；另一方面，由于利用了排气流的惯性，可使废气排得更干净。 （3）进气阀提前开：进气阀提前开除了使进气冲程开始时有较大的通道截面，以减少进气阻力，增加进气量，还可形成进排气阀叠开，对燃烧室进行扫气，减少剩余废气量，增加进气量。 （4）进气阀滞后关：进气阀延迟在下止点后关闭，一方面使活塞在下止点附近时进气阀仍有足够开度。另一方面还可充分利用进气流的惯性而吸入更多空气。总之，气阀提前开启与延后关闭是为了将废气排除干净并增加空气的吸入量，以利于燃油的燃烧，另外排气提前还可减少排气耗功。因此，各机型（对应常用转速）有一最佳正时。按此正时工作，柴油机充入新气最多，性能最好。机型不同，正时也不同。正时圆图在柴油机使用说明书中均有给出，不允许任意改变，经常要以它为依据检查调整气阀正时。燃油喷射也有正时要求，也可画在这个图上，如图l-8所表示的国产6350C型柴油机定时图。由图1-7还可看出，在上止点前后进气阀与排气阀同时开启着，同一气缸的进、排气阀同时开启的曲轴转角称为气阀重叠角。在气阀叠开期间，进气管、气缸、排气管连通，这样有助于废气的排出和新气的流入。此时利用废气流动惯性的抽吸作用，除可避免废气倒冲入进气管外，尚可将新鲜空气吸进气缸，并利用此压力差用新气将燃烧室内的废气扫出气缸，实现所谓燃烧室扫气。此时不但可提高换气质量，还可利用进气冷却燃烧室零件的高温表面。因而，四冲程柴油机均有一定的气阀重叠角，而且增压柴油机的气阀重叠角均大于非增压机，如表1-2所示。表1-2 四冲程柴油机气阀重叠角名称非增压增压开启关闭开启关闭进气阀上止点前1530下止点后1030上止点前4080下止点后2040排气阀下止点前3545上止点后1020下止点前4055上止点后4050重叠角255080130 以上、下止点为基准，用曲柄转角表示的进排气阀、喷油器、起动阀开启和完全关闭的时刻总称为柴油机的定时（正时）。气阀启闭时刻称为配气定时，喷油器开启时刻称为喷油定时。起动阀启闭时刻称为起动定时。各种柴油机的定时是不同的，说明书上常用表格或定时图来表示，图l-8表示6350C型柴油机定时图。113 二冲程柴油机的工作原理（必要条件） 用两个行程（曲轴回转一转）完成一个工作循环的柴油机称二冲程柴油机。 二冲程柴油机与四冲程柴油机不同，其气缸上设有气口，图1-9中气缸右侧为排气口，左侧为进气口。排气口比进气口略高，进排气口的开关均由活塞控制。此外，二冲程柴油机设有扫气泵。扫气泵预先将空气压缩并送入扫气箱中，扫气箱中的空气压力（扫气压力）要比大气压力稍高。 1换气压缩行程 活塞由下止点向上运动。在活塞遮住进气口之前，新鲜空气通过进气口不断充入气缸并将气缸内的废气经排气口驱除出去。当活塞上行到将进气口全部遮闭时（点l），新鲜空气停止进入气缸。当排气口被活塞遮闭后（点2），气缸内的空气就被上行的活塞压缩，压力和温度亦随之升高。在活塞到达上止点前的某一时刻（点2），柴油经喷油器喷入气缸，并与高温高压空气混合后着火燃烧。在这一行程中，进行了换气（曲线0-1-2）、压缩（曲线2-3）和喷油着火燃烧诸过程。图1-9 二冲程柴油机工作原理图 2膨胀换气行程 活塞由上止点向下运动。在此行程的初期，燃烧仍在猛烈地进行，到点4才基本结束。高温高压的燃气膨胀推动活塞下行作功。当活塞下行将排气口打开时（点5），由于此时缸内的燃气的压力和温度仍较高，分别为0.250.6MPa和600800，因而气缸内燃气藉助于气缸内外的压差经排气口高速排出，缸内的压力也随之下降。当缸内压力下降到接近扫气压力时，下行的活塞将进气口打开（点6），新鲜空气便通过进气口充入气缸，并对气缸内进行扫气，将气缸内的废气经排气口驱除出去。这个过程一直要延续到下一个循环活塞再次上行将进气口关闭时为止，称为扫气过程。在这一行程中，进行了燃烧与膨胀（曲线3-4-5）、排气（曲线5- 6）和部分扫气（曲线6-0）过程。114 二、四冲程柴油机的比较二冲程柴油机与四冲程柴油机相比具有如下优点： （1）提高了柴油机的作功能力对于两台气缸直径、活塞行程及转速等相同的柴油机，二冲程柴油机的功率似乎应比四冲程大一倍。但实际上，由于二冲程柴油机气缸上开有气口而使工作容积有所减少，机械传动的扫气泵也要消耗一定的功率等因素，二冲程柴油机的功率只能增大6080。显然，若两者功率相同，则二冲程柴油机的尺寸较小，重量较轻。 （2）改善了柴油机的动力性 由于二冲程柴油机曲轴每转360各缸作功一次，而四冲程柴油机每转720各缸作功一次，因而二冲程柴油机要比四冲程柴油机回转均匀，可使用较小的飞轮。 （3）简化了柴油机的结构 省去了进气阀及其传动装置。对有些二冲程柴油机，还省去了排气阀及其传动装置。所以，其维护保养就简单方便得多。 二冲程柴油机虽然有以上优点，但它也有其本身固有的缺点： （1）换气质量差、热效率低 因为二冲程柴油机换气时间比四冲程柴油机短得多，且扫、排气几乎同时进行，所以扫气过程中新鲜空气与废气渗混严重，还有部分新鲜空气随废气一起排出，增加了空气消耗量，所以换气质量差，进而影响燃油燃烧，热能利用不充分，热效率比四冲程柴油机低。 （2）热负荷较高 在转速相同时，二冲程机气缸内每单位时间的燃烧次数是四冲程机的两倍，因此，二冲程机与气缸内高温燃气相接触部件热负荷比较高。二冲程柴油机的上述缺点，随转速的增加，会变得更加严重。所以，大型低速柴油机采用二冲程；小型高速柴油机采用四冲程；中型中速机，四冲程、二冲程均有采用，但以四冲程机为主。 二冲程柴油机与四冲程柴油机比较，除有以上优缺点外，综合而言尚有以下特点： （1）二冲程柴油机凸轮轴转速与曲轴转速相同；而四冲程柴油机凸轮轴转速是曲轴转速的一半，即12。 （2）一个工作循环中，二冲程柴油机下行对外作功，上行则靠外力驱动，而四冲程机除燃烧膨胀冲程对外作功外，其它三个冲程都是耗功冲程。 （3）二冲程柴油机进排气重叠角大约为80100CA，四冲程柴油机的气阀重叠角较小，约为2560CA。115 柴油机增压的概念（定义、目的、 增压的形式、增压的分类) 一增压的定义和目的所谓增压，就是用提高气缸进气压力的方法，使进入气缸的空气密度增加，从而可以增加喷入气缸的燃油量，以提高柴油机的平均指示压力pi和柴油机的平均有效压力pe。柴油机的增压程度一般以增压度来表示，增压度是柴油机增压后标定功率与增压前标定功率之差值与增压前标定功率的比值。由于空气在增压器中被压缩时压力和温度是同时升高的，这就影响了空气密度的增加和增压的效果。因此，在增压器后都设有中冷器以降低空气温度，提高空气密度。通常中冷器都目的：提高柴油机的进气压力，可使进气的密度增加，从而达到在同样的气缸容积中充进更多的空气量，以便喷入燃烧更多的燃油，作出更多的功来。二废气涡轮增压的两种基本形式l定压涡轮增压（图1-10和图1-11）定压涡轮增压的特点是进入废气涡轮增压器的废气压力基本上是稳定状态。柴油机各缸的排气管连接到一根共用的容积足够大的排气总管上，涡轮就装在排气总管后面。因为废气以基本不变的速度和压力进入涡轮，所以这种增压方式涡轮工作稳定，效率高。 定压增压只利用了废气能量中的定压能E2，而没有利用废气中的脉冲动能E1。脉冲动能E1在排气流动中由于排气口（阀）的严重节流和在排气管中膨胀涡旋，大部分损失掉。只有小部分脉冲动能转化为热能，使排气管中的废气温度略有升高。因此废气涡轮增压所能利用的废气能量就少些。尤其是当柴油机在低负荷时或起动时，因排气管压力低，废气的能量少，使涡轮发出的功率满足不了压气机所需的功率，柴油机必需另设辅助风机来满足低负荷时的扫气需要。2脉冲涡轮增压（图1-12和图1-13） 脉冲涡轮增压的特点是进入废气涡轮增压器的废气压力为脉动状态。在结构上把各缸排气管经过分组直接与一个或几个废气涡轮相连，排气管短而细。脉冲增压除了可以利用脉冲能外，还能较好地利用废气的定压能，故废气的能量利用增多。这有利于涡轮机和压气机之间的功率平衡。此外，扫气阶段正好是排气管中的低压阶段，扫气箱与排气管间压差较大，故有利于扫气，即使柴油机低负荷时也是如此。但由于涡轮在不稳定工况下工作，效率较低。 在多缸柴油机的脉冲增压系统中，如果各缸的排气均排入一根排气管，那就会产生扫、排气的相互干扰。即当某缸进行扫气而相邻缸正好在排气时，排气压力波就会传到扫气缸的排气口处，使该缸排气背压升高，从而严重影响该缸扫气的正常进行。如果每缸各自向单独的排气管排气，虽然消除了各缸间的排气干扰，但会使涡轮供气间断，效率降低。这一问题必须依靠对排气管进行合理分组来解决。分组的原则是避免同组内各缸的排、扫气互相干扰。排气管分组是脉冲增压所必须采取的措施。 图1-12 脉冲废气涡轮增压系统图 图1-13 排气脉冲波所以脉冲增压最适合于气缸数是3的倍数的柴油机。例如某二冲程六缸柴油机的发火顺序为1-6-2-4-3-5，各缸发火间隔角为60，则可把1、2、3缸分为一组，4、5、6缸分为另一组。 一般来说，大型低速二冲程柴油机的脉冲增压系统采用多台增压器。而四冲程柴油机为使结构布置紧凑，往往只采用一台脉冲涡轮增压器。为了防止排气干扰，往往将废气涡轮的喷嘴环分隔开，采用多进口的布置方案。3两种增压方式比较 在不同的增压压力下应当采用不同的增压方式。在低、中增压时，即当pk介于0.130.20 MPa之间时，采用脉冲增压可以更多地利用废气能量。虽然在结构、管理、涡轮效率等方面有缺点，但与其优点相比还是属于第二位的。所以，在这个增压压力范围内的柴油机绝大多数采用脉冲增压。而随着增压压力的提高，定压能的比例也随之增高，脉冲增压在废气能量利用方面的优势不存在了，而在结构、布置、涡轮效率等方面的问题上升为第一位的。因此，在高增压时均采用定压增压。如Sulzer公司 RND型以后的新机型、BW公司 KGF型以后的新机型，均采用定压涡轮增压。定压增压也是目前增压系统的发展方向。 三柴油机增压系统分类1机械增压（图1-14）增压器5直接由柴油机驱动。显然这种增压形式将消耗柴油机的有效功率。随着增压压力的提高，柴油机所消耗的功率随之增大。因此机械增压只适于增压压力小于（0.150.17）MPa的低增压柴油机。2废气涡轮增压（图1-15）利用柴油机排出的废气吹动涡轮机5，由涡轮机带动压气机3。显然，这种增压形式可以从废气中回收部分能量，不仅提高了柴油机的功率，还提高了动力装置的经济性，因而获得广泛应用。3复合增压这种增压形式既采用涡轮增压，又采用机械增压。根据两种增压器的不同布置方案，可分为串联增压和并联增压。 图1-l4 机械增压系统图 图1-15 废气涡轮增压系统1）串联增压系统（图1-16） 串联增压系统是采用废气涡轮增压器2和主机带动的往复式扫气泵4串联工作。在这种串联增压系统中，增压空气经过两级压缩。涡轮增压器2为第一级，压气机从大气中吸入空气进入中间冷却器3进行冷却，然后进入与增压器串联的往复压气机4中进行第二级压缩，以达到规定的增压压力。空气经第二级压缩后，再送入第二级空气冷却器5冷却，最后送入柴油机扫气箱。 采用串联增压系统使柴油机起动容易，低负荷性能好。当涡轮增压器损坏时，依靠第二级往复式压气机仍可使柴油机达到7080的标定转速，因此不须另设应急鼓风机。然而这种增压系统使柴油机结构复杂，重量增加。 图1-16 串连增压系统 图1-17 串联旁通增压系统2）串联旁通增压系统（图1-17） 串联旁通增压系统的特点是部分串联增压，在扫气前期为串联增压，在换气后期串联失效，由涡轮增压器单独供气。这种增压系统利用柴油机活塞的下部空间4作为辅助压气机，并与涡轮增压器串联作为第二级增压泵，涡轮增压器为第一级增压泵。其扫气箱分成内外两部分。外侧空间各缸共用，与涡轮增压器相通；内侧空间各缸分开，并与活塞下部空间相连通组成单缸扫气室。两者之间以单向阀连接。 串联旁通增压系统的主要优点是利用扫气室中空气的压力变化防止废气倒冲，扫气效果好。对于弯流扫气柴油机可以减小排气口高度。活塞下部的增压泵可以改善柴油机的低负荷性能，而且结构比串联增压系统简单。在采用定压增压时，由于在起动和低负荷时废气涡轮增压器供气不足，采用电动鼓风机与之串联工作。 瑞士Sulzer RNDM型、RL和 RTA型柴油机采用这种串联旁通增压系统。（3）并联增压系统（图1-18） 并联增压系统就是使涡轮增压器与活塞下部空间并联工作。在这种增压系统中，废气涡轮增压器和活塞下部辅助增压泵分别从机舱吸入空气并在其中压缩，然后经空气冷却器冷却再共同送入扫气箱。一般涡轮增压器所供应的空气约为增压空气量的7580，其余空气量由活塞下部辅助增压泵供给。由于辅助增压泵只供给一小部分空气，则只需将柴油机的部分气缸下部作为辅助增压泵。 并联增压系统在低负荷时因涡轮增压器供气显著下降，而辅助增压泵的供气量远远不足，故柴油机在低负荷时的工作性能差，增压器在低负荷时易发生喘振。为了防止在低负荷时增压器发生喘振和改善柴油机的性能，并联增压系统几经改进，取消了活塞下部辅助增压泵，变成了单独增压系统，并附设电动鼓风机与增压器串联供气。MAN公司生产的KZ型、KSZ型柴油机采用并联增压系统。图1-18 并联增压系统 图1-19 废气涡轮中废气能量的利用图2 柴油机的热力循环211 内燃机理论循环的基本形式及其特点212 柴油机的理论循环和实际循环的差别3 柴油机的性能指标柴油机的主要性能指标包括动力性和经济性两个方面的指标，它们既是反映柴油机工作循环完善程度的参数，更是评估柴油机性能的主要依据。动力性和经济性指标分别从量和质两个方面来评价柴油机的性能。它们又可以分成指示指标和有效指标两类见表1-3。表1-3 动力性及经济性指标指示指标有效指标动力性pi平均指示压力pe平均有效压力Ni指示功率Ne有效功率经济性i指示热效率e有效热效率gi指示燃油消耗率ge有效燃油消耗率 31 指示指标和有效指标定义、平均指示压力和指示功率、指示效率和指示耗油率、机械损失功率和机械效率、有效功率和平均有效压力、有效效率和有效耗油率 指示指标是以实测的示功图所表示的一个循环所作的功指示功为基础的（从示功图求出来的），它们表征气缸内部工作情况，其优劣取决于气缸内部实际工作循环进行的完善程度（包括不完全燃烧、燃烧延迟、气体泄漏、气缸壁传热损失等）。有效指标是以在柴油机输出轴上所得到的有效功为基础的，它扣除了柴油机内的一切损失，其优劣取决于工作循环进行的完善程度外，还得取决于机械损失的大小，它是评定柴油机工作性能的最终指标。1. 指示指标图1-20 平均指示压力pi示意图1） 平均指示压力pi 如果我们已测得示功图如图1-20所示，燃烧膨胀过程曲线与压缩过程曲线所包围的面积即表示指示功Li。泵气功（泵气损失）示功图上测不出，指示指标不考虑，放在有效指标考虑。平均指示压力pi：是一个假想的作用在活塞上的数值不变的压力，它推动活塞一个行程所作的功与一个工作循环的指示功Li相等（如图1-20）。即： （Nm或J）所以： （N/m2或Pa） 式中：pi平均指示压力，Pa； F活塞面积，m2； S活塞行程，m； VS气缸工作容积，m3。由式（1-7）可见，平均指示压力pi 又可以看成单位气缸工作容积每一工作循环的指示功。它消去了柴油机气缸工作容积的因素，所以它的数值与气缸工作容积的大小无关。因此可以用pi 来比较不同气缸尺寸和不同类型的柴油机的做功能力强化程度。pi 值大，表明其单位气缸工作容积的做功能力大，柴油机气缸工作容积利用程度大。喷入的燃油量相同时，pi 值大表明其工作循环进行得比较完善。所以pi 是评定柴油机工作循环动力性的重要指标。对于运转中的柴油机，pi 很容易由实测的p-V示功图求得，方法如下：（1） 面积法用面积仪（见图1-21）测得示功图面积为f（mm2），示功图长度为L（mm），示功图平均高度hi=f/L（mm），则平均指示压力： （MPa）式中：M示功弹簧比例（即p-V示功图纵坐标比例，示功器弹簧上有标明），mm/MPa。 （2）十等分法 如不用面积仪，pi还可由p-V示功图经作图法求得。如图1-22所示。将测得示功图长度L分为10等份，量出各等分点上的示功图高度y1、y2、y3y9（mm），在上、下止点附近距上、下止点L/40处再附加两个示功图高度y0和y10，示功图的平均高度： （mm） 图1-21 面积仪1-下带针尖的固定重块；2-把手；3-导针；4-支撑滑杆；5-测量滚子；6-计数盘图1-22 示功图的作图计算法这样求得的hi精度已够。在标定工况下船用柴油机的平均指示压力pi的数值范围如表1-5-1所示。表1-4 pi、pe值统计表机型pipe四冲程，非增压0.751.10.600.9四冲程，增压0.953.00.82.5二冲程，非增压0.650.950.50.70二冲程，增压0.81.80.71.92） 指示功率Ni 指示功率是指柴油机气缸内的工质在单位时间内推动活塞所作的指示功。 柴油机的每个气缸每个工作循环工质所作的指示功为 （J） 柴油机一个气缸的指示功率Ni1为 （Nm/s） 于是，整台柴油机指示功率的一般式为 （kW） 式中：pi平均指示压力，Pa或N/m2； VS气缸工作容积，m3； n柴油机的转速，r/min； 每转工作行程数，四冲程机1/2，二冲程机=1； i气缸数。 在船上经常要测量示功图并计算柴油机的功率。对既定的柴油机其VS和为定值，为减少重复计算，令C=VS/60000，C称为气缸常数。这样，整台柴油机指示功率的公式可简化为 （kW） 如各缸发出功率不均匀，则应一缸缸测取示功图，分别求得pi，Ni1，再将各缸功率相加而得到整台柴油机的功率。3） 指示热效率i和指示油耗率gi 指示热效率的定义为 式中：Li指示功，J； Q1喷入气缸内燃油的总发热量，J。对于一台柴油机，可测算出其指示功率Ni和每小时燃油消耗量Gf，则 式中：3600一千瓦小时相当的热量，kJ/（kWh） Gf柴油机每小时油耗量，kg/h； Hu所用燃料低热值（高热值：包括了燃油中氢元素燃烧生成水蒸气冷却而凝结放出的潜热），通常取Hu=42700kJ/kg； Ni指示功率，kW。 指示油耗率