课题07起动

1、课题七 起动、换向装置目的要求：1了解柴油机起动原理、方法、适用范围。 2掌握柴油机压缩空气起动系统组成、工作原理、起动条件。 3熟悉起动系统主要设备结构。4了解船舶换向功用、换向方法。 5熟悉双凸轮换向原理、装置。 6掌握单凸轮换向特点、原理、装置。重点难点：1柴油机压缩空气起动系统组成、工作原理、起动条件。2单凸轮换向特点、原理、装置。教学时数：4学时教学方法：多媒体讲授课外思考题：1简述柴油机压缩空气起动的基本原理是什么？2柴油机压缩空气起动置主要包括哪些组成部件？ 3保证柴油机压缩空气可靠起动的条件是什么？ 4柴油机实现换向的先决条件是什么？5什么叫换向差动？超前差动与滞后差动有什么区

2、别？ 6单凸轮换向有什么特点？喷油凸轮和排气凸轮有何区别？课题七 起动、换向装置第一节 柴油机的起动一、柴油机的起动原理 柴油机在外力驱动下，从曲轴开始转动到自动运转的全过程称为柴油机的起动。 一台装备正常的柴油机能起动起来，必须具备两个条件：一要有外力使它先转起来，二是转起来后还要能达到一定的转速。这个能使柴油机起动的最低转速称为“起动转速”，“起动转速”是鉴别起动性能的重要标志。不同类型、不同结构和不同尺寸的柴油机具有不同的起动转速；同一型号的柴油机由于磨损情况或调整状况的差异会有不同的起动转速；同一台柴油机由于环境温度的变化（冬季或夏季）及本身温度（冷车或热车）的不同也会出现起动转速的差

3、异。各种类型柴油机的起动转速大致如下： 大型低速柴油机 （2550）r/min中高速柴油机 （80150）r/min 小型预燃室式柴油机 （200250）r/min 要使柴油机曲轴从停车状态进入起动状态，须向柴油机输入一定的功率，以克服柴油机的各种阻力矩。起动时柴油机的阻力矩主要包括运动部件的惯性阻力矩、摩擦阻力矩和初始压缩阻力矩。起动性能的好坏是柴油机一项重要性能指标。要求柴油机在各种环境状态下都能可靠起动迅速、消耗功率小，且能确保在短时间内多次起动。此外，还希望起动系统操作简便、维修保养方便、且易于实现遥控。对于船舶主机，要求曲轴处于任何转角位置和机舱温度低达58的条件下不需暖机，就能迅速

4、和可靠地起动。二、柴油机的起动方式1人力起动 它利用人力通过起动摇把直接转动曲轴和飞轮，当达到起动转速后即自行发火燃烧。人力起动方式最简便，但人的体力有限，它只适用于20kW以下的小型柴油机。船上的救生艇和应急消防泵使用的柴油机常采用人力起动。2电力起动 电力起动的基本原理是：用蓄电池向装在飞轮端的起动电动机供电，电动机再通过同轴上的小齿轮带动轮缘上装有齿轮圈的飞轮，使曲轴转动来起动柴油机。电力起动装置简单、紧凑、起动方便，广泛用于高速小型柴油机。但起动能量受蓄电池容量的限制，故只适用于300kW以下的柴油机。船上小型电站和救生艇的柴油机，大多数采用电力起动。3压缩空气起动压缩空气起动的基本原

5、理是：将压力为1.5MPa3.5MPa的压缩空气，按柴油机的起动顺序和规定的起动定时在气缸处于膨胀冲程时引入气缸，以压缩空气代替燃气推动活塞运动，带动曲轴旋转，当达到起动转速后自行发火燃烧，完成起动过程。压缩空气起动可提供很大的起动能量。起动迅速，正倒车均可起动。有时还能用于柴油机的紧急制动，帮助主机刹车。压缩空气起动普遍用于大、中型柴油机，船用可直接倒转的柴油机毫无例外地采用这种方式起动。第二节 压缩空气起动系统一、压缩空气起动系统的组成 压缩空气起动系统主要由空气压缩机、起动空气瓶、主起动阀、空气分配器、气缸起动阀和起动控制阀等设备与管系所组成。 （1）空气压缩机：任务是对空气进行压缩增压

6、后再输入空气瓶。除少数机型由主机曲轴前端带动外，大多数由电动机单独带动，且都装有自动控制装置。当起动空气瓶内的压力降至一定值时，能自动起动空压机，以便使起动空气压力保持为2.5MPa3MPa；当气瓶内压力升至规定值后，压缩机即自行停车。我国海船规范要求空气压缩机的总排量应能从0.7MPa开始在1h充满所有主机起动用的空气瓶，故船上大都装有几台空压机。 （2）起动空气瓶：功用是将空压机提供的高压空气储存起来供起动用。船上均备有2个以上的起动空气瓶，以保证足够的容量，满足相应的规定要求。 （3）主起动阀：是压缩空气系统的总开关。主起动阀的启闭直接控制起动过程的开始和结束，故要求它能启闭迅速、节流损

7、失小和操纵方便。 （4）空气分配器：其作用是按柴油机的起动定时，将起动空气（或操纵空气）分别送往各缸气缸起动阀，使它能定时启闭。空气分配器由起动凸轮控制其启闭动作。 （5）气缸起动阀：其作用是起动时，向气缸通入起动空气，使柴油机起动。通常它连同阀壳安装在气缸盖上，由空气分配器来的压缩空气控制其启闭。在非起动情况下，气缸起动阀处于常闭状态。 （6）起动控制阀：用来控制主起动阀的启闭。因为大、中型柴油机的主起动阀尺寸较大，通常都装有起动控制阀，以便利用压缩空气来快速启闭主起动阀。二、压缩空气起动系统的工作原理图7-1 160系列柴油机压缩空气起动系统（1）直接启阀式（图7-1）：主要特点是进入气缸

8、的起动空气全部经过空气分配器，并由它按发火次序送入各缸的气缸起动阀，直接作用在阀盘上推阀开启、进入气缸使柴油机起动。直接启阀式起动装置的优点是管路布置简单；当气缸内压力大于起动空气压力时，气缸起动阀会自动关闭，防止燃气倒流入空气管。缺点是空气分配器尺寸较大、节流损失较大、起动空气耗气量也大。它多用于小型柴油机上。 （2）间接启阀式（图7-2）：主要特点是气缸起动阀的起动工作由两路压缩空气配合来完成。一路是由空气分配器来控制空气，按起动定时启闭各气缸起动阀；另一路是起动空气，当气缸起动阀开启即进入气缸起动柴油机。图7-2 压缩空气起动系统简图 间接启阀式起动装置的优点是：气动起动阀的开启迅速、可

9、靠；因起动空气不经过空气分配器，小股控制空气分配器时节流损失小，空气耗量小，能满足连续多次起动的要求。它的缺点是装置较为复杂。目前，船舶大、中型柴油机广泛采用这种起动装置。三、保证可靠起动的条件（1） 压缩空气要具有一定的压力和足够的贮量 为了保证柴油机起动迅速，压缩空气必须提供足够的能量，也就是要具有一定的压力。船舶柴油机的起动空气压力一般应保持在2.5MPa3MPa，最低起动空气压力与柴油机的构造型式、柴油机磨损程度，起动时的气缸及环境温度、起动装置的完善性等因素有关。 压缩空气要有足够的贮量，起动空气瓶的容量必须能保证柴油机在冷态下连续起动不少于12次。（2） 供气要适时并有一定的延续时

10、间压缩空气进入气缸有一定的起动定时要求，即在活塞处于动力冲程开始的某一适当时刻才进入气缸并延续至排气阀（或排气口）开启前停止进气。柴油机的起动定时（即空气分配器定时）及供气的延续时间（以曲柄转角计）与柴油机的型式、气缸数目、起动空气压力及柴油机的标定转速等因素有关。合适的起动定时既有利于起动，又能节约空气耗量。一般大型低速二冲程柴油机空气分配器在上止点前5°开始开启，起动空气实际进入气缸的时刻要延后些，供气延续时间一般不超过120°曲柄转角。中高速四冲程柴油机，空气分配器在上止点前5°10°开启，供气延续时间一般不超过140°曲柄转角。 （3）

11、必须保证最少的起动气缸数 为了保证曲轴处于任何位置都能随时起动，必须满足柴油机在任何位置停车时至少有一个气缸处于起动位置，气缸数过少就不能满足这个要求。为确保停车在任何位置均能顺利起动，还要求发火顺序的相邻缸之间进气角度有一定的重叠时间，在此重叠时间内，会有两缸在同时进气，前一缸进气的末尾与下一个缸的进气开始相重叠，这样可保证向各缸进气的连续性，有利于加速起动。 二冲程柴油机的最少起动缸数为4个。这是因为二冲程柴油机起动空气延续时间不超过120°曲柄转角，故只有当曲柄夹角小于120°时，才能保证柴油机的各缸中随时有一个缸处于起动位置。显然，相邻曲柄夹角小于120°

12、时至少为4个缸。同理，因四冲程柴法机的供气延续角为140°，故其最少起动缸数为6个。 （4）要按一定的发火顺序向各缸供气多缸柴油机起动时，压缩空气不应同时进入各个气缸，而应符合发火顺序的要求依次进入各缸。这个要求由空气分配器和起动凸轮来保证实现，因此空气分配器和起动凸轮应正确安装和调整。四、起动系统的主要设备 1气缸起动阀 气缸起动阀每缸一个，均装在气缸盖上。它与起动空气管路相连，由空气分配器控制的气流使它定时启闭，使起动空气按一定顺序进入各缸起动柴油机。气缸起动阀是起动装置中的重要部件之一，对气缸起动阀有起动和制动两方面的要求。 1）直接启阀式气缸起动阀（图7-3）它是一种结构简单

13、的单向阀，常用在中、小型柴油机。图7-3 直接启阀式气缸起动阀2）间接启阀式气缸起动阀（1）单气路控制式气缸起动阀（图7-4）优点是：结构简单、启阀活塞面积大、开关迅速、起动空气消耗量少，被多数柴油机所采用。但是这种阀关闭时落座速度过快、撞击大、容易使阀盘及阀座磨损或变形，影响密封性和工作可靠性。另外，由于这种阀的启阀面积大，故当气缸内燃气压力超过起动空气压力时，阀仍会保持开启而造成燃气倒冲，引起空气管爆炸事故。此外这种阀在性能上不能兼顾起动和制动两方面的要求，它的制动性能较差。 图7-4 单气路控制气缸起动阀 图7-5 双气路控制气缸起动阀（2）双气路式气缸起动阀（图7-5）这种阀开关迅速，

14、但阀盘落座速度缓慢，而且可保证只在气缸内压力低于起动空气压力时才开启，属于平衡式起动阀。另外，这种阀能避免燃气倒流的危险，在紧急制动时，即使气缸内气体压力已超过起动空气压力，但该阀仍能保持开启状态，满足制动方面对起动阀的要求。但这种阀结构复杂，造价高。图7-6 空气分配器2.空气分配器空气分配器由起动凸轮驱动，它的作用是按柴油机发火顺序，在要求的起动定时时刻内将起动空气或控制空气分配到相应的各个气缸起动阀并将它们打开，以便让压缩空气进入气缸起动柴油机。 按结构型式不同，空气分配器可分为回转式（盘式）和柱塞式两种。 1）回转式（盘式）空气分配器（图7-6）：只适用于小型柴油机。2）柱塞式（滑阀式

15、）空气分配器（1）单气路式空气分配器（图7-7）（2）双气路式空气分配器（图7-8）3主起动阀图7-7 NVD36型柴油机起动空气分配器 大、中型船舶柴油机均设有主起动阀，它是压缩空气中起动的总开关。当它开启时，来自空气瓶的压缩空气穿过它迅速进入起动空气总管，通过空气分配器与气缸起动阀的配合动作，使柴油机起动。1）均衡式（加载式）主起动阀（图7-9） 图7-8 双气路空气分配器结构简图 图7-9 加载式主起动阀 2）非均衡式（卸载式）主起动阀（图7-10） 3）大型柴油机常采用的主起动阀（图7-11）图7-10 NVD型柴油机主起动阀 图7-11 带慢转阀的一种主起动阀为了保证船舶的安全航行和

16、保证机动操作的灵活、可靠，大型柴油机很多采用主起动阀与截止阀（弹簧控制的止回阀）组合在一起的型式；有的还装有手轮，用于气动控制失灵前时进行手动操作；有些主起动阀还带有慢转阀，正式起动前通过它可以使柴油机以5r/min10r/min速度转动。4起动控制阀 其功用是用以控制大、中型柴油机的主起动阀的启闭。它结构较简单，通常位于操纵台上，通过起动按钮、起动手柄或起动手轮，利用凸轮使其动作，以便使一股操纵空气通入主起动阀，使加载式（均衡式）主起动阀开启；或泄放掉控制空气使卸载式（非均衡式）主起动阀开启。第三节 船舶的换向方法一、换向装置的功用 船舶换向装置的功用是改变螺旋桨轴向推力的方向，使船舶前进或

17、者倒退。船舶换向装置工作的好坏直接影响船舶的机动性和可靠性，因此要求船舶换向装置必须迅速灵活和安全可靠。二、船舶换向方法 1）直接换向：主机曲轴经轴系直接与螺旋桨相联，通过主机本身换向改变曲轴转向，使螺旋桨轴向推力向后或向前。大、中型船舶广泛采用这种换向方法。 2）间接换向：主机曲轴转向不变，通过主机与螺旋桨之间特设的换向装置（船用齿轮箱），操纵螺旋桨正转或反转，使船舶前进或后退。一般用于小型船舶。 3）“Z”型推进装置换向：它又称为悬挂式螺旋桨装置，主机曲轴转向不变，船舶需要换向时，只要由驾驶通过传动装置使蜗杆11转动，便能通过蜗轮10带动尾管连同螺旋桨7一起作水平回转，螺旋桨的推力方向可随

18、意选定，螺旋桨可在绕垂直轴360°范围内任意定位，将螺旋桨回转180°即为船舶倒航位置。“Z”型换向装置操纵灵活，回转性能好，还能省去舵设备，便于实现驾机合一，轴系和螺旋桨不必进坞拆装修理，可缩短修期，但其结构较为复杂。多用在换向较频繁的港口作业船和拖轮上。 4）可调螺距螺旋桨装置：其桨叶螺旋面与桨毂可作相对转动，通过转动桨叶来达到改变螺距的目的。其主机的曲轴转向不变，由驾驶台通过操纵装置（机械或液压式）改变桨叶的螺距角。螺距越大，在相同转速下推力越大，转矩也越大；当螺距为0时，螺旋桨转动时不产生推力；当螺距为负值时，船舶即能倒退。 可调桨对船舶航行条件的适应性强，机动性高

19、，动力装置经济性好。但构造较复杂，制造工艺要求高。适用于运行工况较多，机动性要求较高的船舶。第四节 双凸轮换向一、柴油机可直接倒转的条件 1）柴油机换向时，首先应停车，然后将原是膨胀冲程进入起动空气，改为原转向的压缩或排气冲程（二冲程仅有压缩冲程）进入起动空气，使活塞和曲轴反向起动运行。因此，在换向时，必须首先改变空气分配器凸轮与曲轴的相对位置，才能反向起动。 2）换向后与换向前，每个气缸内工作循环的热力过程不变，仍按进气、压缩、喷油燃烧、膨胀和排气顺序和定时要求进行。因此，换向时还必须同时改变进气、排气和喷油凸轮与曲轴的相对位置。 3）换向前后，柴油机本身所驱动的附属设备如润滑油泵、冷却水泵

20、、柴油输送泵、扫气泵和机械式增压器等都要确保其油、水、空气等流体的输送方向不变。这些设备由于没有定时方面的要求，能在设备或传动装置结构上得到解决。 综上所述，柴油机的直接换向集中在正确地改变空气分配器、喷油泵和进、排气阀的凸轮与曲轴相对位置问题上。二、双凸轮换向 双凸轮换向的特点是：凸轮轴上每个气缸要进行换向操作的空气分配器、喷油泵、进排气阀等均配置两个凸轮，一个供正车用，一个供倒车用。正车时所有的正车凸轮处于工作位置；倒车时轴向移动凸轮轴使倒车凸轮处于工作位置。这样便可使柴油机各缸的有关正时和发火次序符合换向运转的需要。1四冲程柴油机的换向原理 由于四冲程柴油机的进气、压缩、燃烧、膨胀和排气

21、等五个过程在四个冲程内完成。假如正车时某缸活塞正在下行进气，这时要求柴油机换向就必须将活塞由下行改为上行。对四冲程机而言就有两种方案可选择：改为倒车排气冲程或改为倒车压缩冲程。因为四冲程柴油机曲轴和凸轮轴转速比为2:1，四冲程机完成一个工作循环，曲轴要转两圈，凸轮轴只转一圈。 （1）正车进气冲程换成倒车排气冲程（换向方案1）的双凸轮换向图。（2）正车进气冲程换成倒车压缩冲程（换向方案2）的双凸轮换向图。 两种换向方案的关系是：两种倒车凸轮组彼此相差180°凸轮角，即两个活塞行程，相当于凸轮轴不动时，把按第一种换向方案排列的各倒车凸轮，顺着倒车转向旋转了180°为第二种换向方

22、案的倒车凸轮。2二冲程柴油机的换向原理 由换向图可表明活塞处于上止点时的相应凸轮布置情况，用以表明正、倒车凸轮间及与活塞之间的相互位置关系，并不意味着换向时活塞一定要处于上止点，事实上无论停车时活塞处于什么位置，只要移轴更换凸轮，柴油机即能换向运行。3双凸轮换向机构（移轴装置） 1）轴向移动凸轮轴的方法（图7-17） 双凸轮换向时，通过轴向移动凸轮轴来使正车（或倒车）凸轮处于工作位置，也就是让凸轮分别处于各顶头（滚轮）的正下方。根据轴向移轴所用能量的不同，双凸轮换向装置有人力、气力、气力-液压等类型。 2）顶升机构 当柴油机的正、倒车凸轮之间直接紧靠，无斜面过渡时，为了使各顶头的滚轮不妨碍凸轮

23、轴的轴向移动，防止与凸轮端面相碰，就要设置专门的“顶升机构”。此时的换向操作就分成三个步骤：第一步通过（气动）顶升机构将各个顶头连同滚轮顶升至不妨碍凸轮移动的高度；第二步是换向活塞轴向移动凸轮轴；第三步是顶升机构将各顶头向下落位至各倒车凸轮上。图7-17 气力-液压式双凸轮换向装置 3）凸轮轴锁紧机构为了防止凸轮轴在运转过程中由于振动或其它原因而发生轴向窜动，因此通常设有凸轮轴锁紧装置。装置型式随机型而异，有的采用气动插销：换向开始前先从凸轮轴的销孔中自动拨出定位销，换向移轴结束后自动插入定位销；有的采用机械式档板，换向后的位置由档板进行眼位防止轴向移动。第五节 单凸轮换向 单凸轮换向的特点是

24、：凸轮轴上每个气缸要进行换向操作的空气分配器、喷油泵、排气阀等只配置一个正倒车共用的对称凸轮，使正、反转时具有同样的运动规律。换向时，使凸轮轴相对曲轴转过一个差动角，以满足换向后的正时要求。单凸轮换向多用于二冲程柴油机。 单凸轮的外型分两种；一般线型凸轮适用于柴油机的各种凸轮，鸡心形凸轮仅适用于喷油凸轮。一、一般线型的单凸轮换向原理（图7-18）图7-18 一般线型单凸轮换向原理a)喷油泵凸轮；b)排气凸轮图中a）为某二冲程直流扫气式柴油机的喷油凸轮换向图，当活塞（及曲柄）在上止点位置时的凸轮及转向如实线所示。凸轮的作用角为即2，此时已提前角供油。它是一个外轮廓对称的凸轮，其对称线OO1落后于

25、曲柄（上止点）一个角度；从正车换倒车时，进行“差动换向”将凸轮的对称线从OO1按正车转向移至与垂直轴对称的OO2位置，如图中虚线所示，所转过的角度2s称为：换向差动角”（ 2s =22）。其正车及倒车的工作边如图所示。在本例中，凸轮正车转向为顺时针，倒车换向时差动的方向也是顺时针，因此对换向后的新转向（逆时针）而言为滞后。反之，此例若由倒车换正车，则向逆时针差动，但对新转向（正车）而言，仍为滞后差动。因此一般线型的喷油凸轮换向时的差动方向为“滞后差动”。 图中的b）所示为此机的排气凸轮，实线所示为活塞处于上止点时正车位置图。其正车凸轮的凸轮对称轴线为OO1位置，从正车向倒车换向时，凸轮对称线应

26、从OO1按正车的逆方向移至OO2位置，其差动方向为“超前”。因此排气凸轮的差动方向为“超前差动”。 因而，采用一般线型的单凸轮换向，由于喷油凸轮和排气凸轮的差动方向不同，差动角也不同，两者无法同轴，只能分别装在两根凸轮轴上，进行“双轴单凸轮差动换向”。二、鸡心型燃油凸轮的换向原理（图7-19） 为了简化单凸轮换向机构，使喷油凸轮与排气凸轮能在同一根轴上实现差动换向，要设法满足下列三个条件： （1）两组凸轮的差动方向相同； （2）差动角度相同； （3）差动后同名凸轮的正倒车正时基本相同。 采用一种特殊外型的鸡心凸轮来代替一般线型的燃油凸轮，就可以满足上述条件。图中a）是鸡心形喷油凸轮，图b）是排

27、气凸轮，两种凸轮安装在同一根凸轮轴上。图7-19 鸡心凸轮的差动原理a)鸡心凸轮；b)排气凸轮 图中a）实线为凸轮的正车位置，喷油凸轮外廓呈鸡心状，OO为对称线，其基圆处O1O2的半径最小（其对应的油泵柱塞处于最低位置），从O1、O2点向两侧伸展的外廓按相同的规律变化，到a1，a2半径最大处并与顶圆相衔接。正车运行（凸轮轴顺时针）时，a1-O1为喷油泵的吸油段；a2-O2 为喷油泵的泵油段，供油提前角为，此时，凸轮对称中心线 OO相对于垂直轴（该曲柄上止点）提前15°。从正车换倒车时，只要把鸡心凸轮朝倒车方向转过30°差动角，到达点划线所示位置，就可以满足倒车时的供油定时要

28、求。差动方向对新转向而言为“超前差动”。这样一来，鸡心喷油凸轮就和排气凸轮的差动方向一致，都为超前差动，满足了单轴差动换向的第一个条件（同方向）；由于排气凸轮与鸡心喷油凸轮同轴，因而差动换向时两者同时超前差动30°，满足了第二个条件（同角度）；但本例的排气阀，正车的定时是下止点前91°开启，下止点后55°关闭，排气凸轮作用角为146°，当活塞处于上止点时排气凸轮的对称线对本缸曲柄下止点提前18°（如图b）所示）。若要保证正车改倒车后具有相同的排气定时，换向时应差动36°，由于两组凸轮同轴，换向时排气凸轮只能差动30°，这样，

29、倒车时排气阀在下止点前85°开启，下止点后门61°关闭，作用角仍保持146°，但与正车比较其排气正时滞后了6°，其定时不最理想，不过倒车毕竟使用较少，由此解决了差动方向和差动角度的矛盾，满足第三个条件（正时基本相同）。从而可使喷油泵和排气阀的凸轮装在同一根凸轮轴上，实现“单轴单凸轮差动换向”。三、单凸轮换向装置1单凸轮差动方式 1）曲轴不动，通过换向装置使凸轮轴相对于曲轴转过一个差动角，一般为滞后差动。 2）凸轮轴不动，先进行空气分配器换向操作，在进行反向起动使曲轴反向回转之初，曲轴相对凸轮轴转过一个差动角后才带动凸轮轴一起转动，此法也多为滞后差动。 3

30、）先进行空气分配器换向操作，在反向起动之初，通过差动机构使凸轮轴与曲轴两者之间有一定的转速差，待完成差动角后再进入同步转动，一般多为超前差动。2换向装置种类 （1）液压差动换向装置（图7-20）图7-20 液压差动换向原理它在凸轮轴上安装了一个“液压差动伺服器”并使用润滑系统中的中压滑油（0.6MPa）作为工质实现差动换向动作，这种装置使用在Sulzer RD、RND、RNDM型柴油机上为滞后差动。在凸轮轴3上固定有转板5，转板设在液压伺服器4中。凸轮轴3的转动是由曲轴通链条2和换向伺服器4上的链轮1，再驱动转板5来实现的。转板把伺服器内腔分隔成正车与倒车两个空间，此两空间分别用滑油管与换向操作阀的有关油路连通。正车时，压力油由B孔进入正车空间，倒车空间的油从C孔泄油，转板两侧顶在伺服器内的扇形止动块上，如图示位置。换向时先停