模块一柴油机基本知识

1、船舶柴油机（轮机）-模块一 柴油机基本知识-黄步松 主讲福建交通职业技术学院船政学院模块一 柴油机基本知识教学目标：1、具有柴油机基本知识、基本工作原理的能力；2、具有认识柴油机总体机构的能力；3、具有分析柴油机性能指标、工作参数的能力。重点：二冲程、四冲程柴油机的工作原理及性能比较，分类、基本概念。难点：定时圆图、各性能指标的理解。单元一 柴油机概述一、柴油机的基本概念1热机（1）概念：把热能转换成机械能的动力机械。（2）种类： 往复式蒸汽机 外燃机 回转式汽轮机 热机 汽油机 内燃机 柴油机 燃汽轮机外燃机：燃料燃烧在气缸外部，效率低。内燃机：燃料燃烧在气缸内部，效率高。2柴油机（1）概念

2、：是一种在气缸内进行两次能量转换压缩发火的往复式内燃机。是热效率最高的一种内燃机。（2）优缺点：经济性好，在内燃机中具有最高的热效率，可达50%。功率范围广。尺寸小，重量轻。机动性好。存在振动，轴系扭转振动和噪音。燃烧室部件工作条件恶劣，承受高温高压与冲击负荷。3柴油机与汽油机的区别：柴油机与汽油机虽然都是内燃机，但是它们在可燃混合气形成、发火方式、使用燃料、性能、结构及压缩比等方面均有区别。混合气形成发火方式使用燃料性能压缩比结构柴油机内部压缩发火柴油低温起动性能差，工作粗暴，噪音大10-18喷油器汽油机外部火花塞点火汽油低温起动性能好，工作柔和，噪音小5-9化油器二柴油机的基本结构参数图1

3、-1所示是四冲程柴油机的基本结构图。（1）上止点（T.D.C.）：活塞离曲轴中心最远的位置。（2）下止点（B.D.C.）：活塞离曲轴中心最近的位置。（3）行程：上、下止点间的距离。等于曲柄半径的两倍，即S=2R。（4）气缸直径：D（5）气缸工作容积Vh：活塞在上、下止点间移动所扫过的容积（6）燃烧室容积（余隙容积）VC：活塞位于上止点时活塞顶与气缸盖之间的气缸容积。（7）气缸总容积Va：气缸工作容积Vh与燃烧室容积VC之和。（8）余隙高度：活塞位于上止点时活塞顶与气缸盖之间的距离。（9）压缩比e：气缸总容积Va与燃烧室容积之比。=Va/ VC=（Vh+ VC）/ VC=1+ Vh/ VC 压缩

4、比表示活塞从下止点运动到上止点时，把缸内空气压缩了多少倍，它是柴油机的一个重要结构参数，对柴油机的经济性、燃烧和起动性能以及机械负荷等有重要的影响。大说明缸内空气被压缩厉害，压缩终点的温度和压力就高，有利于燃油的燃烧和柴油机的起动，并可提高热效率。但过大，会使柴油机PZ过高，工作粗暴，热负荷过大，降低可靠性和缩短柴油机的寿命。过小，则压缩终点的气体压力和温度过低，不利于燃烧，柴油机起动困难耗油率增加，功率下降。A不同的机型不同： 小型高速机的大型低速机。 非增压机的增压机。四冲程机的二冲程机。柴油机的汽油机。B影响的因素：连杆大小端轴承严重磨损，使活塞组件下沉。十字头销（活塞销）与曲柄销严重磨

5、损。活塞顶面、缸盖底面被烧蚀或积碳，使VC改变。船用大端杆身凸缘与大端轴承座之间的调整垫片厚度。缸盖底面密封垫片厚度。连杆杆身发生弯曲。C的调整方法：增减气缸头垫片厚度。增减连杆大端凸缘与轴承座之间的调整垫片厚度。三、柴油机的类型1按工作循环分类：四冲程柴油机和二冲程柴油机。2按是否增压分类：增压柴油机和非增压柴油机。3按曲轴转速分类：高速、中速和低速柴油机。（1）高速柴油机：n>1000r/min，Vm6m/s；（2）中速柴油机：n=3001000r/min，Vm=6-9m/s；（3）低速柴油机：n<300r/min，Vm9m/s。4按结构特点分类：（1）筒状活塞式：活塞起导向作

6、用，缸壁承担侧推力。（2）十字头式： 活塞不起导向作用，缸套没有侧推力的作用，导向作用由十字头滑块承担，侧推力由导板承担。气缸下部加设一横隔板，把气缸与曲轴箱隔开，以防气缸中的污油、结炭或燃气漏入曲轴箱污染滑油。十字头式柴油机可靠性较筒形活塞式高。5按气缸排列分：（1）直列：气缸数小于12缸（2）V型：气缸夹角有90°、60°、45°。6按转向分：右旋机：由飞轮端（功率输出端）向自由端看，正车时按有顺时针方向旋转的柴油机。左旋机：由飞轮端（功率输出端）向自由端看，正车时按有逆时针方向旋转的柴油机。7按可否逆转分：有不可逆转和可逆转柴油机。四、船用柴油机的型号解释1

7、国产船用柴油机的型号（1）中小型柴油机 国产中小型柴油机系列品种很多，其型号中一般有气缸数、冲程数、缸径、技术特征和改进型符号等内容：例如：12V135ZC表示12缸V型排列、缸径为135、四冲程增压船用柴油机；8E350ZDC表示8缸二冲程、缸径为350、增压、可倒转船用柴油机。（2）大型低速柴油机 国产大型低速柴油机，其型号由气缸数、技术特征、缸径和冲程、改型符号等内容：例如：8ESDZ43/82B表示8缸二冲程、十字头式、可倒转、增压、缸径为43、冲程82船用柴油机，为产家第二代产品。2国外常见船用柴油机型号（1）瑞士苏尔寿（SULZER）型船用低速柴油机瑞士苏尔寿（SULZER）公司生

8、产的船用低速柴油机有RD、RND、RMD-M、RLA、RLB、RTA、RTA-M等系列产品。例如：6RTA84M柴油机 （2）德国曼恩MAN型船用低速柴油机德国曼恩MAN公司（现已与B&W公司合并）生产的船用低速柴油机有KZ、KSZ-A、KSZ-B等系列产品。例如：K10Z93/170E柴油机（3）丹麦B&W公司型船用低速柴油机丹麦柏玛斯特韦恩公司（现已与MAN公司合并）生产的船用低速柴油机有VTBF、VT2BF、K-EF、KEF、KGF、L-GF等系列产品。五、现代船用柴油机提高经济性的措施1采用定压涡轮增压系统和高效率废气涡轮增压器；2增大行程缸径比S/D；S/D增加，燃气

9、的膨胀功增加。同时在Vm不变的情况下，转速降低，可提高螺旋桨的效率。3提高pz与pe之比； 可提高经济性，但机械负荷也大幅度增加。4增大压缩比；增压机为限制pz，为保证柴油机有足够的机械强度，常降低压缩比，但经济性也降低。现在为提高经济性，仍采用增大压缩比的措施。5采用VIT机构： 部分负荷时可保持较高的pz，改善部分负荷的经济性。6提高机械效率hm： 采用短裙活塞，减少活塞环数目以减少磨擦。7采用动力涡轮系统（TCS）8轴带发电机；9废热再利用： 如废气、缸套水再利用。10改进喷射与燃烧技术： 采用高喷油压力、高喷油率、二级喷射等。六、现代船用低速机的结构特点1燃烧室部件普遍采用钻孔冷却2采

10、用旋转式排气阀及液压式气阀传动机构3采用VIT机构4采用薄壁轴承 广泛采用高锡铝薄壁轴承5采用独立的气缸润滑系统 采用注油量随负荷自动调整的自动控制系统。6曲轴上增设轴向减振器 一般安装在自由端。7焊接曲轴单元二 柴油机总体机构认识气缸盖气缸套活塞活塞杆十字头导板连 杆曲 轴机 座机 体曲轴箱扫气箱废气涡轮增压器排气阀排气管喷油器（1）固定件：气缸盖、气缸套、机架、机座、主轴承等。（2）运动件：活塞组件、连杆、曲轴。（3）配气机构：进气阀、排气阀、凸轮轴及其传动机构等。（4）起动系统：空气瓶、起动控制阀、主起动阀、空气分配器和气缸起动阀等。（5）燃油系统：主要包括喷油泵、喷油器等。（6）冷却系

11、统：冷却水泵、膨胀水箱、冷却器等（7）润滑系统：润滑油泵、滑油循环柜、滑油冷却器等（8）操纵系统：实现对柴油机进行起动、换向、调速、连锁、安全保护和报警等操作而设置的专门执行机构。单元三 柴油机工作原理柴油机的基本工作原理是采用压缩发火，使燃料在气缸内部燃烧，以高温、高压的燃气工质在气缸中膨胀推动活塞作往复运动，再通过活塞-连杆-曲柄将往复运动变成曲轴的回转运动，从而带动工作机械。  一个工作循环的五个过程：进气、压缩、燃烧、膨胀作功和排气。 用四个行程（曲轴回转两转）完成一个工作循环的柴油机称四冲程柴油机。曲轴与凸轮轴转速之比为2/1。一、四冲程柴油机工作原理图1-2是四

12、冲程柴油机的工作原理简图。1进气行程（1）作用：使气缸满新鲜空气。（2）进气提前角：进气阀开启时曲柄与上止点之间的夹角。用1表示，1过大，则缸内压力大可能产生废气倒流。（3）进气延迟角：进气阀关闭时曲柄与下止点之间的夹角。用2表示，2过大，则压缩行程变短。一般增压机的1、2均大于非增压机。气阀开启的延续角约为220250CA。2压缩行程（1）作用：使燃烧过程的温度升高，提高工作循环的热效率提高工质的温度 和压力，为冷车起动和着火作准备使循环的工质得到更大的膨胀比，对活塞做更多的功。（2）压缩终点：Pc=36MPa； Tc=600700。燃油自燃温度为210270。（3）压缩始点温度过高对柴油机

13、的影响空气密度减小，充气量减少，氧气供给不足，燃烧不良。工作循环的平均温度升高，燃烧室部件的平均温度和热负荷 高。易引起缸内提前发火。3膨胀行程（1）作用：进行燃烧膨胀对外作功。（2）PZ=58MPa； TZ=14001800。Pb= 0.30.6MPa， Tb= 600700。4排气行程（1）作用：将做功后的废气排出缸外，为下一个循环充入新气做准备。（2）排气提前角：排气阀开启时曲柄与下止点之间的夹角，用1表示。排气阀提前开启有两个好处：多排出废气减少排气耗功。但1过大，则膨胀功损失大。（3）排气延迟角：排气阀关闭时曲柄与上止点之间的夹角。用2表示，2过大，则排气管中的废气会倒流（活塞下行）

14、。一般增压机的1、2均大于非增压机。气阀开启的延续角约为230260CA。   进气和排气冲程均大于180CA。二压缩与膨胀冲程均小于180CA。 综上所述，在四冲程柴油机中，要经历进气、压缩、膨胀、排气等四个行程才完成一个工作循环；与此相应的是曲轴回转两转，即720曲轴转角。而且，在四个行程中，只有膨胀行程才作功，其余三个行程都要消耗功。因此，在单缸柴油机中，必须有一个足够大的飞轮来供给这三个行程所需的能量；而在多缸柴油机中，则藉助于其他气缸膨胀作功过程来供给。此外，柴油机由停车状态进入工作状态，必须藉助外源能量的驱动使其起动运转，直至喷入气缸的燃油自发火燃烧，

15、柴油机才能自行运转。二、气阀重叠角和定时图1气阀重叠角：进、排气阀同时开启的曲轴转角。为1+2作用：（1）在气阀叠开期间，利用废气流动惯性的作用，在燃烧室内形成一定的低压，造成抽吸新鲜空气的有利条件，将新气吸入气缸。（2）利用吸入的新气更好地把废气扫出气缸。（3）利用新气对燃烧室部件进行冷却。2燃烧室扫气：利用排出废气的抽吸作用，通过进气阀向气缸内充入新鲜空气，新气充入后又更好地把废气扫出。在气阀叠开期间，进气管、气缸、排气管是相通的。四冲程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。一般非增压机为2550 CA，增压机为80130CA。3定时图：用曲轴转角表示气阀正时的

16、圆图。 二、二冲程柴油机的基本工作原理1概念：两个行程（曲轴回转一转）完成一个工作循环。曲轴与凸轮轴转速之比为1/1。2工作原理：（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，新鲜空气充入气缸，气缸内的废气被进入气缸的扫气空气驱除出去。当扫、排气口被活塞遮闭时，缸内的空气被压缩，燃油在压缩终点喷入气缸燃烧。（2）膨胀换气行程   活塞由高温高压的燃气膨胀推动下行作功。当活塞下行将排气口打开时，膨胀过程结束，废气从排气口迅速排出，缸内的废气压力迅速降低。当缸内压力下降到接近扫气压力时，接着扫气口打开，新鲜空气充入

17、气缸，并将气缸内的废气赶出缸外。（3）定时图：（4）有效压缩比：e=1+(1-S)VS/VC（5）二冲程机与四冲程机相比的优缺点二冲程机做功能力强，在气缸直径、活塞行程与转速相同的条件下，二冲程机的功率应为四冲程机的2倍；但由于二冲程机的气口使其有效行程减少等原因，其功率实际约为四冲程机的1.61.8倍。二冲程机相邻两个做功冲程间隔时间短，回转均匀。二冲程机省去了气阀及其传动机构，结构简单，管理方便。二冲程机换气质量差。二冲程机空气消耗量多，燃油耗率高。二冲程机燃烧室部件热负荷高。三、增压柴油机的基本工作原理1概念： 在气缸容积不变的情况下，通过提高进气压力来提高柴油机功率的方法。2

18、增压方式：（按增压器所利用能量不同）（1）机械增压（2）废气涡轮增压（3）复合增压3增压压力分类（1）低增压 PK0.17MPa(2)中增压0.17MPaPK0.25MPa（3）高增压0.25MPaPK0.35MPa（4）超高增压PK0.35MPa四、二冲程柴油机的换气形式 横流 弯流 半回流 换气形式 回流 直流1横流 （1）特点：缸盖上没有进、排气阀，扫、排气口分别布置在气缸两侧，排气口高于扫气口。（2）优缺点：无排气阀，结构简单，管理方便。换气质量差。气体流动路线长，弯曲转向，阻力大。缸套下部两侧受热温度不同，易产生变形。缸套易产生偏磨。在扫气压力作用下会将活塞压向排气口一侧。增压系统布

19、置较困难。存在过后排气损失。横流扫气的船舶主机已淘汰多年。 2回流扫气：（1）特点：缸盖上没有进、排气阀，扫、排气口分别布置在气缸同一侧，排气口高于扫气口，扫气口向下倾斜，活塞制成凹顶。（2）优缺点：无排气阀，结构简单，管理方便。换气质量差。缸套下部受热不均匀，变形不均匀。增压系统布置较方便。存在过后排气损失。在船用大型柴油机中，MAN KZ型柴油机即为回流扫气形式。现存已不多了。3半回流（新横流）扫气兼有横流和回流扫气的特点。缸盖上没有进、排气阀，扫、排气口分别布置在气缸同一侧，排气口高于扫气口，在排气管中装有回转控制阀。排气回转控制阀的作用：借助该阀的回转运动可以控制排气口的启闭

20、时刻。即当活塞下行时，排气口打开之前回转阀早已处于开启状态，不影响排气。而在活塞上行，扫气口关闭时，回转阀也已关闭，从而防止新鲜空气经排气口流失。4直流扫气（1）特点：缸盖上设有排气阀，扫气口均匀分布在气缸下部一周，扫气口有水平和垂直方向倾斜。（2）优缺点：设有排气阀，结构复杂，管理麻烦。喷油器布置困难。气体流动路线短，阻力小，换气质量好。缸套下部受热均匀，不会变形，活塞与缸套间磨损均匀（因扫气压力均匀作用在活塞外圆上）。扫气口总宽度比弯流式大，流通能力强。排气阀正时可调，可避免过后排气损失。二冲程机换气质量从好到坏依次为直流 横流 半回流 回流弯流扫气S/D2.2长冲程S/D2.5超长冲程S

21、/D3.0直流扫气成为现代船用大型柴油机的主要换气型式。单元四 拓展性理论知识一、柴油机的性能指标和工作参数（一）动力性和经济性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。动力性和经济性指标又可以分成指示指标和有效指标两类。 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1指示指标：是以缸内工质对活塞所作的功为基础的指标，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）。2有效指标：是以在柴油机输出

22、轴上所得到的有效功为基础的指标，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。（二）指示指标1平均指示压力pi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。即： （N·m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。 因此平均指示压力pi是单位气缸工作容积每一工作循环的指示功。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

23、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。 影响pi值的因素：（1）负荷即循环的供油量。（2）缸内工质混合的完善程度（3）过量空气系数（4）换气质量（5）燃烧质量 增压机pi非增压机；四冲程机pi二冲程机；直流pi弯流2指示功率Ni 指示功率是指气缸内的工质在单位时间内所作的指示功。 （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； 每转动力行程数，四冲程机1/2，二冲程机=1； i气缸数。3指示热效率i

24、和指示油耗率gi 式中：3600一千瓦小时相当的热量，kJ/（kW·h)； Gf柴油机每小时油耗量，kg/h； Hu所用燃料低热值 Ni指示功率，kW。 （kg/kW·h） 指示油耗率gi和指示热效率i两者之间的关系为： （三）有效指标1有效功率Ne和机械效率hm （1）曲轴输出端传出的功率称为有效功率，用Ne表示， Ne = Ni - Nm 。 式中：Me柴油机输出的有效扭矩，N·m； n柴油机转速，r/min。（2）机械损失功率Nm：包括： 摩擦损失。主要是活塞、活塞环与缸套间的摩擦损失，约占全部摩擦损失5565。 拖动损失。 泵气损失功率。非增压四冲程柴油机

25、。（3）机械效率hm：机械效率hm是有效功率Ne与指示功率Ni，之比值，即： 影响机械效率hm的因素：负荷：当转速不变，机械效率随负荷增加而增加。空载运行时，hm=0。转速：当负荷（pi）不变，机械效率随转速提高而降低。滑油温度与冷却水温度：应适当，过高或过低均会使hm降低hm。2平均有效压力pe 平均有效压力pe是柴油机在每一工作循环每单位气缸工作容积所作的有效功。pe 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。 3有效燃油消耗率ge和有效热效率he 有效油耗率是指每一千瓦有效功率每小时所消耗的燃油量。单位是kg/（kW·h）。即 式中：Gf柴油机每小

26、时油耗量，kg/h； Ne柴油机有效功率，kW。 有效热效率he是指曲轴有效功与所消耗的热量之比，即： （四）其它常用参数1最高爆发压力pz：燃烧过程中气缸内工质的最高压力。表征柴油机机械负荷的主要参数之一。 pZ 动力性、经济性 应力 变形、疲劳裂纹 磨损 振动噪音2排气温度：一般用排气温度来衡量热负荷的高低。 用来衡量缸内热负荷大小和燃烧质量，一般不大于550。3活塞平均速度Vm Vm= n.S/30。Vm增加Ne增加，但零件的机械负荷和热负荷同时增加，机件磨损增加。4行程缸径比S/D是柴油机的主要结构参数之一。 s/D 机械负荷 、热负荷 、混合质量、扫气效果 、曲轴刚度 、振动。5强化

27、系数peVm表征柴油机受热负荷和机械负荷两方面的综合强烈程度。6压缩比经济性、动力性、燃烧起动性。二、柴油机的热力循环（一）、柴油机的理论循环柴油机的理论循环，是建立在下列假设的基础上： （1） 工质为理想气体，其压力、温度、容积变化符合气态方程式PV=MRT； （2）工质的物理及化学性质在整个循环中保持不； （3）压缩与膨胀过程为绝热过程，与外界没有热交换，也不存在摩擦； （4）工质的数量在整个循环中保持不变，没有实际循环中进、排气过程； （5）工质的比热在整个循环中保持不变。 理想循环有四种1混合加热循环（图a）。称为萨巴蒂（Sabathe）循环，其过程包括：ac绝热压缩，cyz混合加热（定容加