船舶柴油机教案(1-5)

1、第一章船舶柴油机概述第一节柴油机的基本工作原理一、基本概念（一）热机1定义：热机是指把热能转换成机械能的动力机械。燃料在一个特定的装置中燃烧，将化学能转变为热能以加热工质，然后把工质的热能转变为机械能，这种具有两次能量转换的机械称为热机。2分类：热机可分为外燃机和内燃机。1）外燃机：燃料燃烧发生在汽缸外部，热能转变成机械能发生在汽缸内部。如蒸汽机、蒸汽轮机同属于外燃机。特点：热损失较大，热效率较低，装置笨重。2）内燃机：燃料的化学能转变热能、热能转变成机械能均发生在气缸内部。如汽油机、柴油机、以及燃气轮机同属内燃机。（二）内燃机1特点：能量损失小，具有较高的热效率，尺寸和重量方面具有优势。2共

2、性：燃料在发动机气缸中燃烧，直接利用燃烧产生的高温高压燃气在气缸中膨胀作功。3个性：如汽油机：使用挥发性好的汽油做燃料；采用外部混合法形成可燃混合气；缸内燃烧为电火花塞点火。这种工作特点使汽油机不能采用高的压缩比，经济性差；不允许作为船用发动机使用（汽油的火灾危险性大）（三）柴油机1定义：柴油机是一种压缩发火的往复式内燃机。2特点：使用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；缸内燃烧采用压燃式（靠缸内空气压缩形成的高温自行发火）；热效率最高（已达到55左右）。采用压缩发火是柴油机不同于其他内燃机的本质特征。3区别：吉构差异：主要是供油系统不同工作

3、原理差异：发火方式不同。柴油机与汽韵机的比较表.熾科燃烧工质)柴抽或霍质燃柚点火方式压嫡自行卓烧电火花塞点燃睥合气形该方式丸虹内混合Pfcr外混合压端比12-226-10有菠議敢率0.30-0,550.15-0.40由此可以看岀，柴油机是一种压缩境火的往复式内燃机它与汽油机相比除了所用撚料4.优缺点：经济性好。有效热效率可达50%以上，可使用价廉重油，燃料费用低。功率范围宽，适用领域广。尺寸小，重量轻，有利于船舶机舱布置。机动性好，起动方便，加速性能好。有宽广的转速和负荷范围，并可直接反转，能适应船舶航行的各种要求。存在机身振动、轴系扭转振动和噪音。某些部件的工作条件恶劣，在高温、高压并有冲击

4、性负荷的条件下工作。二、柴油机的基本结构与结构参数基本结构如图1-1所示为四冲程柴油机的基本结构。固定件：气缸盖、机体、机座、主轴承；运动件：活塞、连杆、曲轴；换气机构：凸轮轴、顶杆、摇臂、气阀弹簧、气阀燃油系统、冷却系统、润滑系统、操纵系统。基本结构参数上止点(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活塞行程(S)指活塞从上止点运行到下止点间的直线距离。图1-1四冲程柴油机基本结构图1-曲轴2-主轴承3-曲柄销4-连杆螺栓5-连杆6-凸轮轴7-喷油泵8-顶杆9-进气管10-进气阀11-

5、高压燃油管12-摇臂13-喷油器14-气阀弹簧15-排气阀16-排气管17-气缸盖18-活塞19-活塞销20-气缸套21-机体22-机座它等于曲轴曲柄半径R的两倍(S=2R)。活塞移动一个行程，相当于曲轴转动180曲轴转角。4）气缸直径（D）气缸的内径,简称缸径。K：SIl1下止点1J图1-2柴油机的主要几何术语5）压缩容积（Vc）压缩容积也叫燃烧室容积（或称余隙容积、存气）。它是指活塞在气缸内位于上止点时，在活塞顶上方的全部空间容积。6）余隙高度（顶隙hc）上止点时活塞最高顶面与气缸盖底平面之垂直距离。7）气缸工作容积（Vs）活塞在气缸中从上止点运行到下止点时所扫过的容积。2Vs=n4D-S

6、8）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Va=Vs+Vc9）压缩比气缸总容积与压缩室容积之比值，亦称几何压缩比。VaVsVc,Vs=1十尸VcVcVc压缩比表示缸内工质压缩的程度。柴油机压缩比约为1222。中、高速机压缩比高于低速机。柴油机压缩比的选用范围表1-1低速机中速机咼速直喷式高速分开式增压机非增压机12-1314-1514-1818-2212-1515-22三、柴油机理论循环1.目的（1）用比较简单的理论公式说明各基本热力学参数间的关系，从而找出提高理论循环热效率和理论循环平均压力的基本途径。（2）确定极限的循环热效率，以判断实际工作

7、过程的完善程度。（3）比较各热力学循环的经济性和动力性。2.三种理论循环图1-3理论循环p-V示功图a）等容加热循环b）等压加热循环c）混合加热循环1）等容加热循环（奥托循环）：用于汽油机（部分高速柴油机）2）等压加热循环（狄塞尔循环）3）混合加热循环（塞巴斯循环）o:用于早期的空气喷射式柴油机（现代高增压柴油机）:用于现代柴油机。3.热效率nt=1p*入-1式中：压缩比,f入-1kXp11VaVZ压力升高比,PcVzp预膨胀比,k绝热指数。注：等容循环：p=1;当T、XT、kT、等压循环：入=1pj,ntT。4.比较较，三种理想循环n的比a）压缩比相同b）最高爆发压力p相同分析：1）当Qi、

8、相同时，nt等容加热混合加热等压加热；2）当Qi、Pmax相同时，nt等压加热混合加热等容加热。四、柴油机的实际循环理论循环实际循环工质的影响理想气体空气、燃烧产物换气损失工质无需替换膨胀损失功、泵气功传热损失绝热压缩多变n：1.32-1.37膨胀多变n：1.151.30燃烧损失热量全部加入后燃、不完全燃烧泄漏损失无泄漏气阀、活塞环其他损失无时间损失、工质涡动第二节柴油机工作原理1工作条件1）需要有足够的空气供柴油燃烧。2）要有很高的温度才能促使油滴蒸发成油气并迅速与空气形成可燃混合气，保证燃料自行发火燃烧。3）需将柴油喷散成很细的雾状，以保证燃料与新鲜空气均匀混合，获得充分和完全燃烧。基本工

9、作原理采用压缩发火方式使燃料在缸内燃烧，以高温高压的燃气工质在气缸中膨胀推动活塞往复运动，并通过活塞一连杆一曲柄机构将往复运动转变为曲轴的回转运动，从而带动工作机械。工作过程燃气在柴油机中燃烧作功，必须通过进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程才能实现，进行了这五个过程就完成了一个工作循环。不断重复这些过程，使柴油机持续工作。分类柴油机工作时这五个过程分别在四个活塞行程中完成，就称为四冲程柴油机；如果这五个过程分别在两个活塞行程中完成，则称为二冲程柴油机。、四冲程柴油机工作原理1.工作原理图1-5中所示的四个简图分别表示四冲程柴油机工作循环进行的情况和活塞、曲轴等部件的有关动作位置。图1-5四冲

10、程柴油机工作原理第一行程一一进气行程。空气进入气缸时相对应的活塞行程。这个行程的作用是使气缸内充满新鲜空气。活塞从上止点下行，进气阀a打开。由于活塞下行，气缸容积不断增大，缸内压力下降，依靠气缸内与大气之间的压差，新鲜空气经进气阀被吸入气缸。由于进气阀流通截面积在开启过程中只能是逐渐地增大，为了减少吸气所消耗的功，并利用气流的惯性效应增加进气量，进气阀一般在活塞到达上止点前提前打开（曲柄位于点1），此时所对应的曲轴转角称为进气提前开启角，进气阀在下止点后延迟关闭（曲柄位于点2），此时所对应的曲轴转角称为进气延迟关闭角，进气阀开启持续角约为220250。第二行程压缩行程。工质在气缸内被压缩时相对

11、应的活塞行程。这个行程的作用是通过活塞的压缩，使气缸内的空气达到一定压力和温度。活塞从下止点向上运动，自进气阀关闭后（点2）才开始压缩，一直到上止点（点3）为止。在进气行程中吸入的新气经压缩后，压力增高到3MPa6MPa,温度升高到600r700r（燃油的自燃温度为210C270C）。压缩终点的压力和温度分别用符号Pc和Tc表示，代表气缸的热状态。在压缩过程的后期由喷油器（c）喷人气缸的燃油，与高温空气混合、加热，并自行发火燃烧。压缩过程所占的曲轴转角约为140160。压缩过程的作用主要有以下几个方面：（1）提高柴油机的经济性。压缩能扩大工作循环的温度范围，使燃烧过程终点温度提高，提高循环热效

12、率。（2）压缩过程使工质获得尽可能大的膨胀比，能推动活塞做更多的功。（3）压缩过程为冷车起动及发火燃烧创造了条件。第三行程一一燃烧和膨胀行程。工质在气缸内燃烧膨胀时相对应的活塞行程。这个行程的作用是将燃油燃烧产生的热能转变成机械功向外输出。在这一行程中活塞从上止点到下止点，主要完成燃烧膨胀过程，燃气推动活塞作功。活塞在上止点附近，由于燃油强烈燃烧，使气缸内的压力和温度急剧升高，压力约达5Mpa8MPa,甚至高达15MPa以上。温度约为1400E1800E，或更高些。燃烧的最高压力和最高温度分别用Pz和Tz表示。高温高压的燃气（作功的工质）膨胀推动活塞下行而作功。由于气缸容积逐渐增大，压力下降，

13、在上止点后某一时刻（点4）燃烧基本完成。气缸中的压力和温度随着燃气的膨胀而逐渐下降，膨胀一直到排气阀6开启时结束，膨胀终了时的气缸内气体压力约为250kPa450kPa,气体温度约为600E700E。与进气阀相同，由于排气阀流通截面积在开启过程中只能是逐渐地增大，因此排气阀总是提早在下止点前开启（点5），使活塞进入排气行程时排气阀已具有足够大的流通截面积，实现充分排气，而且还可减少排气所消耗的功。第四行程排气行程。废气从气缸内排出时相对应的活塞行程。这个行程的作用是将作功后的废气排出气缸。在上一行程末，排气阀b开启时活塞尚在下行，废气靠气缸内外压力差经排气阀排出。当活塞由下止点上行时，废气被上

14、行的活塞强行推挤出气缸，此时的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。为了使气缸内的废气排除得更干净，并减少排气过程消耗的功，排气阀一直延迟到上止点后（点6）才关闭。排气行程的持续角约为220260。在上止点之前，排气阀还没有关闭，进气阀再次打开，又重复另一个循环，以维持柴油机持续稳定的运转。四冲程柴油机每完成一个工作循环，曲轴要回转两转（720曲轴转角）。在每个工作循环中只有第三行程（燃烧膨胀行程）是对外作功的，其它三个行程都是为膨胀行程服务的，都需要外界供给能量，因此柴油机常做成多缸式的，这样，进气、压缩、排气行程的能量可由其它正在作功的气缸供给

15、。如果是单缸柴油机，则需要用较大的飞轮来储存和供口E点给能量。2气阀定时、气阀重叠角1）气阀定时圆图定义：进、排气阀在上、下止点前后启闭的时刻称为气阀定时，用曲轴转角表示气阀定时的圆图称气阀定时圆图，如图1-6所示。进气阀在上止点前点1开启，下止点后点2关闭。进气阀提前角为1，延迟关闭角为2,进气持续角i=1+180+2。排气阀在下止点前点5开启，上止点后点6关闭，排气阀提前角为3，延迟关闭角为4，排气持续角e=3+180+4o气阀提前开启和延迟关闭的原因：气阀的开启总是有一个由小到大的过程，刚开启时，它的流逋截面很小，气体流过时的阻力就大，如果进、排气阀正好在上、下止点时才打开，那么进气和排

16、气必然要在活塞下行或上行一段时间后才能开始，这样就影响了气流的通畅，使进气不充分，排气不干净。如果进、排气阀早于上、下止点之前开启，就可减少进、排气的阻力，使进、排气过程真正在上、下止点附近就开始，从而有利于废气的排除和新气的充入。此外，新气和废气进入或排出气缸时，都有一定的流速，气体在流动时有一定的惯性，所以合理利用气流的惯性可以吸入更多的空气，排除更多的废气。气阀过早开启或过晚关闭的后果进气阀过早开启：造成废气倒灌入进气管。过晚关闭：压缩始点推迟、压缩终点压力与温度下降。排气阀过早开启：膨胀功减少、排温升高。过晚关闭：造成排气管废气倒吸。气阀重叠角定义：同一气缸进、排气阀在上止点前后同时开

17、启着的曲轴转角称气阀重叠角。作用：在气阀重叠开启期间，进气管、气缸、排气管是连通的。利用废气的流动惯性，有利于废气排出气缸；可抽吸新鲜空气进入气缸；增压柴油机还可实现所谓燃烧室扫气，可提高换气质量，还可利用新气冷却燃烧室有关部件。因此，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。四冲程柴油机气阀重叠角度表1-2名称非增压增压开启关闭开启关闭进气阀上止点前15-30下止点后10-30上止点前40-80下止点后20-40排气阀下止点前35-45上止点后10-20下止点前40-55上止点后40-50重叠角25-50801305)影响因素气阀正时不仅取决

18、于柴油机的类型、转速、进排气凸轮的形状，在实际运转中也会由于磨损、间隙以及其它一些原因而发生改变，所以必须定期地进行测量和调整。二、二冲程柴油机工作原理二冲程柴油机的特点是没有专门的进气行程和排气行程，它的排气与进气是在膨胀行程未及压缩行程之初的一段时间内进行。废气的排除除了一部分是自由排出外，其余的部分需要靠充入气缸的新鲜空气把废气扫出的。所以，必须设专用的扫气泵，将新鲜空气的压力增加。这个进气和扫气过程称为“换气过程”。图1-7二冲程柴油机工作原理图1.工作原理1）换气一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继续充入气缸并将气缸内的废气经排气口驱除出去。当活

19、塞上行到将进气口全部遮闭时，新鲜空气就停止进入气缸。当排气口被活塞遮闭后，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，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。2）膨胀一换气行程活塞由上止点向下运动。在此行程的初期，燃烧仍在继续猛烈地进行，到上止点后某一时刻才基本结束。高温高压的燃图1-8ESDZ43/82B型柴油机的定时圆图二冲程柴油机在曲轴气膨胀推动活塞下行作功。当活塞下行将排气口打开时，此时缸内燃气的压力和温度仍较高，分别为0.250.6MPa和600800C,气缸内燃气利用内外的压差经排气口排出，缸内的压力也随之下降。当缸内压力下降到

20、接近扫气压力时，下行的活塞将进气口打开，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。直到活塞上行再次将进气口关闭。由此可见，与四冲程柴油机相比，二冲程柴油机是将进气和排气过程合并到压缩与膨胀行程中进行，从而省略两个行程。因此，回转一转中就可以完成一个工作循环。2.二冲程机的换气形式1）换气形式简单横流厂横流彳L扫气口装有单向阀.排气阀一扫气口式直流I排气口一扫气口式回流弯流A半回流（新型横流）Y扫气口有阀控制排气口有阀控制图1-9简单横流扫气示意图图1-10回流扫气示意图简单半回流IIirijjj图1-11半回流扫气示意图图1-12排气阀一扫气口直流扫气形

21、式示意图简单横流扫气：扫、排气口位于气缸两侧，扫、排气口沿水平和垂直方向均有倾斜角以控制气流方向，防止进气直接流向排气口。回流扫气：扫、排气口在气缸下部同一侧且排气口在扫气口上方。气流在缸内作“回线”流动。半回流扫气：扫气口布置在排气口的下方及两侧，气流在缸内的流动特征兼有横流与回流的特点。在排气管中可装回转控制阀，可在活塞上行活塞裙开启排气口前关闭排气管，防止新鲜空气经排气口流失。排气阀一扫气口直流扫气气缸下部均布一圈扫气口，在气缸盖上有排气阀(16个)。特点：气流在缸内的流动方向是自下而上的直线流动。气流螺旋上升，扫气效果好。扫气口在纵向和横向两个方向有倾斜角，使扫气空气进入气缸后有向上和

22、绕气缸轴线旋转的运动。形成“气垫”，新鲜空气与废气不易掺混，。排气规律易控制。2)换气形式比较弯流扫气新气与废气易掺混，换气质量差，但结构简单，维修方便。直流扫气换气质量好，但结构复杂，维修困难。适用于现代超长行程柴油机。直流扫气横流扫气回流扫气。3特点1)有效压缩比进、排气阀(口)全部关闭瞬时的气缸容积与压缩容积之比值。（1-札）VsVc$s行程失效系数，$s=气口高度/行程。2)二冲程机与四冲程机的比较在气缸直径、活塞行程与转速相同的条件下，二冲程柴油机的功率约为四冲程柴油机的1.61.8倍。原因：二冲程柴油机的气口使其有效行程减少;换气质量差；带动扫气泵消耗曲轴有效功等。回转均匀，飞轮可

23、较小。换气机构简单。换气质量差。工作频率咼，热负荷咼。三、增压柴油机的基本工作原理定义：用提高进气压力来提高柴油机功率的方法称为“增压”。目的：提高柴油机功率。3方法机械增压：压气机直接由柴油机带动。采用机械增压方法后，在保持柴油机原结构尺寸的情况下，功率可提高20%70%，但由于增压器要消耗曲轴的有效输出功，贝U经济性下降，效率较低，故目前已不采用。废气涡轮增压：用柴油机气缸排出的废气的能量在涡轮机中膨胀作功，由涡轮机来驱动压气机。废气涡轮增压既能提高柴油机的功率，又可降低油耗，提高柴油机的经济性，所以说它是一种最好的柴油机增压方式。图1-13是废气涡轮增压四冲程柴油机的工作简图。废气涡轮增

24、压器由废气涡轮机和与其同轴的离心式压气机等组成。柴油机气缸排出的废气经排气管进入涡轮机，在其中膨胀作功推动涡轮机转动并带动压气机工作。被压缩后的新鲜空气经进气管送往柴油机的各个气缸。目前，船舶柴油机几乎全部都采用了废气涡轮增压。图1-13废气涡轮增压柴油机工作原理简图1、3-进气管2-压气机4-进气阀5-排气阀6、9-排气管7、8-涡轮机第三节柴油机的性能指标为了从总体上去评估一台柴油机，常常利用柴油机的一些主要技术指标来判断和衡量。这些指标包括动力性指标、经济性指标和其它的一些重要参数。一、指示指标以气缸内燃气对活塞所做的指示功为基础，只考虑气缸内燃烧不完全及传热等方面的热损失，而没有考虑柴

25、油机本身的一系列机械损失(如各运动副间所存在的摩擦损失)。它反映气缸中工作过程的完善程度，即燃油燃烧后放出的热能在气缸内被利用的程度。指标指标有：平均指示压力pi、指示功率R、指示热效率ni和指示耗油率gi1平均指示压力pi定义假定一个数值不变的平均压力，作用在活塞上，推动活塞在个膨胀行程内所作的功与一个工作循环的指示功相等称为平均指示压力，如图1-14所示。_LipiFSVS-平均指示压力，-指示功，活塞面积，-活塞行程，2(N/m或Pa)PaN.m2mm0图1-14平均指示压力示意图式中：Pi-Li-FSVs平均指示压力Pi是一个工作循环中每单位气缸工作容积所做的指示功它的数值大小与气缸工

26、作容积无关，因此可以用Pi来比较不同类型和不同气气缸工作容积，m3日缸尺寸的柴油机气缸工作容积的利用程度。Pi值大，说明其单位气缸工作容积的作功能力大，其工作循环比较完善。所以Pi是评定柴油机工作循环动力性的重要指标。平均指示压力Pi可以反应柴油机的强化程度。pi的影响因素增压度。提高增压度即提高进气量，相应地可提高每循环的喷油量，平均指示压力将随着增压压力的提高成比例地提高，但要受到最大热应力的限制。过量空气系数a值。在a2之前随着a的增大，缸内燃烧质量提高，Pi提高。但当a2时，因油气浓度过低会使pi值下降。工质混合完善程度提高，pi值相应提高。换气质量提高，pi提高。燃烧质量提高，pi提

27、高。负荷增大，喷油量增加，pi值提高。增压机的Pi非增压机，四冲程机的Pi二冲程机，直流扫气的Pi弯流扫气。以增压四冲程柴油机为最高。2指示功率Ni定义指柴油机气缸内的工质在单位时间内所作的指示功计算公式“PiVsnmi|整机的指示功率Ni60000二CPini(KW)单缸的指示功率60000(KW)式中：pi一平均指示压力，Pa或N/m2Vs气缸工作容积，m3n柴油机的转速，r/minm冲程系数，四冲程机m=1/2，二冲程机m=1i气缸数C气缸常数C=Vsm/6000指示热效率ni1）定义指示热效率是柴油机实际循环指示功与得到此指示功所消耗的燃料热量之比值。2）计算ni=Wi/Q吸入式中：W

28、i指示功，JQ吸入为得到指示功Wi而加入气缸内的总热量，J对于一台柴油机，当测得其指示功率Pi和每小时燃油消耗量Gt时，根据ni的定义，可用下式进行计算3600NinGtHu式中：3600一千瓦小时相当的热量，kJ/（kWh）Gt柴油机每小时油耗量，kg/hHu所用燃料低热值，通常取Hu=42700kJ/kgNi指示功率，kW指示耗油率gi1）定义指示耗油率gi表示单位指示功率每小时的耗油量。2）计算gi=Gt/Ni（kg/kwh）式中：Gt柴油机每小时耗油量，kg/hNi一指示功率，kW二、有效指标以曲轴输出端所测得的有效功为基础，既考虑热损失也考虑机械损失，是真正标志柴油机作功能力和经济性

29、的。指示指标减去柴油机本身的机械损失即为有效指标。有效指标包括平均有效压力Pe、有效功率Ne、有效热效率ne和有效油耗率ge。1.有效功率Ne1）定义有效功率Ne是柴油机单位时间内所做的有效功，是柴油机曲轴飞轮端输出的实际可供利用的功率2）计算Ne二Ni-Nm二CPen1（KW）式中：C气缸常数C=Vsm/60000Nm机械损失功率，KWpe平均有效压力，Pa气缸数n柴油机转速，r/min柴油机的有效功率Ne，在试验台上可用水力测功器（或电力测功器）测出，在船舶上可用扭力计测出，此时Me江nNe9550（KW）式中：Me柴油机输出的有效扭矩，Nm；n柴油机转速，r/min。2机械损失功率Nm1

30、）定义机械损失功率是指作用在活塞上的指示功率传递到曲轴的（有效功率）过程中所损失的功率。2）计算：Nm=NiNe（KW）3）包括：（1）摩擦损失功率。它表示柴油机各相对运动部件表面摩擦损失。其中最主要的是活塞、活塞环与气缸套间的摩擦损失，约占全部摩擦损失的55%-65%。（2）带动辅助机械所消耗的功率。如带动喷油泵、空气分配器、气阀传动机械等。（3）泵气损失功率。指进、排气过程中所引起的损失，这种损失只产生在非增压四冲程柴油机中。由于在非增压四冲程柴油机中，进、排气过程的进气压力低于排气压力，故所做的功是负功。而在增压四冲程柴油机，由于进气压力高于排气压力，泵气功是正值，功率不但没有损失反而有

31、所得。在二冲程柴油机中，因为没有单独的进气行程和排气行程，所以泵气损失功率是零。3.机械效率nm1）定义机械效率是柴油机曲轴飞轮端获得的有效功率与气缸内发出的指示功率的比值百分数。NeNi-Nm,Nm1_2）计算3）影响机械效率的因素:和冷却水温度等。NiNi决定于设计和制造质量、负荷、转速、滑油温度如果转速不变，负荷增加时，机械效率将相应增加。当柴油机空载运行时，nm=0；如Ni不变，当转速提高时，由于摩擦损失功率增大，机械效率随之下降；(3)适当提高滑油温度与冷却水温度，贝U可适当提高nm,但是若温度过高使油膜遭到破坏和过热，则会因为破坏了正常的润滑状态而大大降低nm,甚至引起重大运转事故

32、。现代船用柴油机普遍采用短裙或减少活塞环数目来提高柴油机机械效率。平均有效压力pe定义平均有效压力是一个假定不变的压力，它推动活塞在一个膨胀行程内所做的功，与一个循环中曲轴所输出的有效功相等。计算pe=pinmPe代表单位气缸工作容积所发出的有效功。它是衡量柴油机作功能力的最终参数。有效耗油率ge定义表示单位有效功率每小时的耗油量。计算ge=Gt/Ne=gi/nm(kg/kw.h).有效热效率ne定义有效热效率是柴油机的实际循环有效功与得到此有效功所消耗的燃料热量之比值。计算ne=We/Q吸入=ninm3600Ne3600neGtHugeHu三、其他常用参数柴油机常用一些重要参数来表征机械负荷

33、、热负荷、基本结构和强化程度等性能。1.最高爆发压力Pz定义：燃烧过程中气缸内工质的最高压力称为最高爆发压力。pz是柴油机周期性变化的机械负荷的主要力源，它引起各受力部件的应力和变形，造成疲劳破坏、磨损和振动。pz值的大小对柴油机的结构与性能有很大的影响。影响:适当提高pz、入可以提高柴油机的热效率，降低燃油消耗。过大的pz使结构尺寸增大；螺栓预紧力相应增大，造成结合面比压过大；破坏润滑油膜，加剧磨损；使冲击振动和噪音增大。2.排气温度Tr非增压柴油机的排气温度指排气管内废气的平均温度，增压柴油机的排气温度指气缸盖排气道出口处废气的平均温度。对同一台柴油机，排气温度的高低反映了缸内热负荷的大小

34、与燃烧质量的好坏。因此在船舶上通常用排气温度来衡量热负荷的大小。为保证柴油机可靠运转，通常均对排气温度的最高值进行限制。船用柴油机排气温度的最高值应低于550Eo3活塞平均速度CmCm2Sn60Sn30(m/s)活塞平均速度是影响柴油机机械负荷、热负荷和寿命的重要参数之一。近代大型长冲程柴油机多选用较低转速，可延长寿命、提高螺旋桨效率4强化系数pe-Cm强化系数peCm用来表示柴油机所受热负荷和机械负荷两方面的综合强烈程度。各种机型的强化系数值表1-3机型低速机中速机高速机Pe1151.81.43.00.9-1.11.42.2PeCm7.514.712.028.26.6-8.512.334.3

35、5行程缸径比S/D对柴油机的影响1）尺寸和重量：S/DT,柴油机宽度、高度及重量均相应增加。2）机械负荷：S/DT,机械负荷减小，因最大往复惯性力将减小。3）热负荷：S/DT，缸套的热负荷增大，但缸盖和活塞顶的热负荷相应减小。4）混合气形成：S/DT，燃烧室余隙高度增大，对混合气形成有利。5）扫气效果：S/DT，扫气效率下降，因气流的流动路线长，降低扫气效果。6）曲轴刚度：S/DT，曲柄半径变大，曲轴刚度下降。7）振动性能：S/DT，轴系自振频率降低，使轴系振动加剧。各种机型的刿Edi.1高邃机中建机弯S直X长国长）行程S/D0.9725L0-l.fi1JH2,O5L83-2.262.42*4

36、.206.压缩比&对柴油机工作的影响1）经济性。&提高后，压缩终点的压力、温度增高，使燃油的滞燃期缩短、燃烧加快，柴油机工作柔和，能改善经济性。但当12后对经济性的影响程度减弱。过高时将由于余隙高度过小不利于雾化与混合而使经济性降低。2）机械负荷。增加将使压缩压力增加，从而使最高爆发压力提高，使柴油机的机械负荷增加，磨损加剧，机械效率下降。因此，机械负荷限制了的上限。3）燃烧和起动。为了使柴油机燃烧良好以保证冷车起动，不能太低。因此，保证柴油机具有良好的冷车起动性能成为限制的下限。大型低速柴油机为限制热应力与机械负荷，选用较低的压缩比；增压柴油机为了降低和限制最大燃烧压力，选用能保证冷车起动和

37、轻负荷顺利运行的最小压缩比；中高速柴油机由于缸径相对较小，相对散热面积较大，为改善起动性与经济性，选用较高的压缩比。第四节柴油机的分类方式低增压柴油机中增压柴油机高增压柴油机超高增压柴油机035MPa一、按工作循环分类按工作循环分类，有四冲程柴油机和二冲程柴油机之分、按进气方式分类1按进气方式分为非增压柴油机、增压无中冷柴油机和增压带中冷柴油2增压柴油机按压气机的驱动方式又分为机械增压柴油机、废气涡轮增压柴油机和复合增压柴油机。3按增压压力pk又可分为低增压、中增压、高增压和超高增压四级。017MPa017025MPa0.25035MPa三、按曲轴转速及活塞平均速度分类按曲轴转速n将船舶柴油机

38、分为低速、中速及高速柴油机：低速柴油机nW300r/minCm=6.07.2m/s中速柴油机300vnW1000r/minCm=7.09.4m/s高速柴油机n1000r/minCm=9.014.2m/s四、按结构特点分类筒形活塞柴油机与十字头式柴油机筒形活塞式柴油机：如图1-15a)所示。特点：活塞上下运动时的导向作用由活塞本身下部的筒形裙部来承担。活塞通过活塞销直接与连杆的小端相连，在运动时活塞与气缸壁之间产生侧推力。活塞底部空间与曲轴箱沟通，气缸多采用飞溅润滑，气缸壁上流下的润滑油直接流人曲轴箱内。这种结构的优点：结构简单、紧凑、轻便，发动机高度较小。缺点：由于运动时有侧推力，活塞与气缸壁

39、之间的磨损较大。目前高速及中速柴油机都采用这种构造形式。十字头式柴油机：如图1-15b)所示。(1)特点：活塞与活塞杆相连，活塞杆下端通过十字头上的十字头销与连杆的小端相连接。活塞上下运动时的导向作用主要由十字头承担，侧推力作用在滑块与导板之间。优点：可在气缸下部设一隔板，把气缸和曲轴箱空间隔开，防止气缸由于燃烧重油产生的脏油、烟灰和燃气流人曲轴箱，污染曲轴箱的润滑油。还可利用这一隔板在活塞下方空间形成活塞底泵，作为辅助的扫气泵。缺点：柴油机高度和重量增大，结构复杂。目前大型低速二冲程柴油机都采用十字头式柴油机形式。图1-15筒形活塞式和十字头式柴油机简图图1-16直列式与V型柴油机简图1-活

40、塞2-活塞杆3-滑块4-连杆5-十字头6-导板.直列式柴油机与V型柴油机具有两个或两个以上直立气缸并呈一列布置的柴油机称为直列型柴油机，如图1-16a)所示。直列型柴油机的最多缸数由于受曲轴刚性限制一般不超过12缸，对超过12缸者多采用V形布置，把两个气缸中心线布置在同一平面内，其气缸中心线呈V形并用一根曲轴输出功率，可采用并列式连杆或主副连杆，如图1-16b）。V型柴油机的气缸夹角为90、60或45，其缸数可高达18甚至24。采用V型结构，缩短了气缸间距和整机长度，具有较高的单机功率和较小的比重量，通常多用于中、高速柴油机。3可反转柴油机与不可反转式柴油机船用柴油机可分成可倒转柴油机与不可倒

41、转柴油机两类。作为船舶主机的大型低速二冲程柴油机，通常皆具有倒转机构，由于它与螺旋桨直接连接，船舶倒退时即用倒车机构使发动机旋转方向倒转，以驱动螺旋桨倒转。中速大功率柴油机作为船舶主机时多设计成可倒转柴油机，它通过或不通过减速齿轮箱与螺旋桨连接。由于中速大功率柴油机还可用做发电机原动机，只要减少或更改少数部件，就可改为不可倒转柴油机。高速大功率船用柴油机由于本身结构紧凑，不易安装倒转机构，都设计成不可倒转柴油机，它通过后传动装置中的倒顺车离合器、减速齿轮箱和液力偶合器与螺旋桨连接，由倒顺车离合器完成螺旋桨的倒转动作要求。4右旋柴油机和左旋柴油机按我国国标规定，柴油机转向从船尾向船艏看（由功率输

42、出端向自由端看），曲轴运转时正车方向朝顺时针方向旋转，称“右旋”柴油机或称“右型”柴油机。反之即为“左旋”柴油机或称“左型”柴油机。一般常用的为“右型”柴油机。当船舶采用双桨时，则常采用两螺旋桨对称向内旋转形式，以提高船舶的操纵航行性能，此时常采用一左、一右两台柴油机。国外某些柴油机的转向与我国规定相反，应予注意。5左单列机和右单列机由飞轮端向自由端看，排气管位于气缸中心线所在平面右侧的单列柴油机称为右单列柴油机；排气管位于气缸中心线所在平面左侧的单列柴油机称为左单列柴油机。五、按行程缸径比SD分类S/D对柴油机的结构和运行性能有较大的影n向，按照S/D的不同,将柴油机分为短行程、长行程和超长

43、行程，其SD范围分别为：短行程柴油机长行程柴油机超长行程柴油机S/D2.52.5vS/D3.0第五节船用柴油机的发展一、现代柴油机的结构特点1燃烧室普遍采用钻孔冷却结构；2采用旋转排气阀及液压式气阀传动机构；3喷油泵采用可变喷油定时（V1T）机构；4采用薄壁轴承；5采用独立的气缸润滑系统，气缸润滑随负荷自动调整的自动控制系统6曲轴自由端装设轴向减振器以消减曲轴的轴向振动；7焊接曲轴。大大减轻曲轴的重量（减轻20-30）。二、现代船用柴油机提高经济性的主要措施1采用等压涡轮增压系统及高效率废气涡轮增压器。采用等压增压可明显提高增压器效率，使增压器效率提高到68-72。2增大行程缸径比SD。一方面

44、可增加燃气膨胀功，另一方面在保持活塞平均速度不变的情况下，显著降低柴油机转速以提高螺旋桨效率，目前已发展到SD=4的超长行程柴油机。提高最高爆发压力pz,与平均有效压力Pe之比Pz/Pe。提高Pz/Pe可提高柴油机经济性，所以目前Pz已达15-18MPa。.增大压缩比。高增压柴油机在过去曾一度采用低压缩比，以保证柴油机足够的机械强度，当前为提高经济性，仍然采取增大压缩比的措施，如现代大型柴油机压缩比已提高到16-19。5.采用可变喷油正时机构（V1T）以提高部分负荷运转的经济性。6.提高机械效率nm。采用超短裙活塞并减少活塞环数目，改善气缸润滑，以提高机械效率。轴带负荷（如轴带发电机）。利用船

45、舶推进轴系同时驱动一专用发电机，在正常运转期间可供自欺欺人船舶全部用电。余热再利用。开发与利用柴油机的余热（如排气、冷却液所携带的热量）改进喷射与燃烧技术。如提高喷油压力，增大喷油率，缩短喷油持续期及采用小喷孔喷油器等提高燃烧质量。第一章复习思考题1为什么在热机中柴油机的热效率最高？2柴油机的一个工作循环由哪几个工作过程组成？哪个过程对外作功？3压缩容积与压缩余隙有何区别？4什么是压缩比？压缩比过大或过小对柴油机的工作有何影响？5四冲程柴油机的工作原理是什么？6什么叫气阀重叠角？它有何作用？7什么是气阀定时？画图说明四冲程柴油机的气阀定时圆图？8柴油机的进排气阀过早开启或进排气阀晚关闭会产生什

46、么后果？什么是柴油机的机械效率nm?影响nm的因素有哪些？某柴油机气缸直径为300mm,活塞行程为380mm,活塞在上止点时气缸容积为0.00244m3，试求压缩比？某四冲程柴油机的飞轮周长为720mm,在测量中测得进气阀开启离上止点的圆弧长为120mm,关闭离下止点弧长为60mm,排气阀开启离下止点弧长为90mm,关闭离上止点弧长为90mm,试求该柴油机的气阀重叠角是多少？第二章主要运动部件第一节燃烧室部件承受的负荷一、燃烧室组成燃烧室当活塞处在上止点时，由气缸盖底面、气缸套内表面及活塞顶面共同组成的燃料与空气混合和燃烧的这一空间称燃烧室。负荷燃烧室部件承受的负荷主要有热负荷与机械负荷两部分

47、。任务它们的共同任务是组成燃烧室并把燃气的作用力通过活塞经连杆传给曲轴。二、热负荷分析热负荷柴油机的热负荷是指燃烧室等接触高温的部件因承受高温而降低或丧失其工作能力，或零部件各部分之间的温度分布不均匀，存在着温度差，引起热应力和热变形。定义：热负荷是指受热部件所受热应力、热流量等的强烈程度。热负荷的表示方法热负荷一般可用热流密度、温度场、热应力等来表示。1）热流密度：指单位面积上热流量的大小，用q来表示。_Qq二2F（kJ/mh）式中：Q为每气缸每小时的散热量（kJ/h）；F为每气缸的散热面积（m2）。显然，在相同的冷却条件下，q值愈大，说明受热部件的温度愈高；而在相同的加热条件下，q值愈大，

48、说明部件两侧的温差愈大，即热应力也愈大。2）温度场：指受热部件的温度分布图。当零件受热不均匀就会在内部产生温度场，由此造成该零件内部各部分膨胀不均或变形不同，而在其内部产生很大的热应力。3）热应力：指受热部件由于内外温度不同而要产生的内力，用（Tt表示。热应力与温差成正比，与材料性质有关。Tt二a:tE式中：E金属材料的弹性系数；a材料的线性膨胀系数；t热传导中的温差。由上式可知，柴油机受热部件壁面温差t越大，其部件的热应力越大根据传热学可知：qSt入式中：q单位面积的热流量;入材料的导热系数；S零件的壁厚。aEq叭=则入分析：由此可见，柴油机热应力随热流密度q、壁面厚度、材料的线性膨胀系数a

49、、材料的弹性系数E的增大而增大。当q定时，受热部件壁面越厚，其部件的热应力越大。当壁厚一定时，受热部件热应力与热流密度q成正比。因此，应尽可能控制热流量，即控制柴油机循环供油量及燃烧过程，防止后燃以免缸壁温度过高，并尽可能减少传热件的壁厚及热阻。燃烧室部件(缸盖、活塞、缸套)由于冷热面有温差存在，在高温壁面膨胀但受低温部分限制，则在低温区(水冷面)产生拉应力，高温区(触火面)承受压应力。热负荷表示方式的选择从柴油机热负荷的定义出发，用温度场表示受热部件热负荷最为准确。在工程中多使用热应力来表示受热件热负荷的大小。在船舶上，轮机管理人员根据柴油机的排气温度来判断柴油机热负荷的高低，这是最实用和直

50、接的方法。因为在正常情况下，当柴油机循环喷油量增加(热负荷相应也提高)时，燃烧室部件的温度和排气温度都增加。通常在柴油机说明书中给出排气温度最高值，作为限制热负荷大小的标准。3热负荷过高的危害使材料的机械性能降低，承载能力下降；使受热部件膨胀、变形，改变原来的工作间隙；使润滑表面的滑油迅速变质、结焦、蒸发乃至被烧掉；使有些部件(如活塞顶)的受热面被烧蚀；使受热部件承受的热应力增大，产生疲劳破坏等。因此，限制运转中柴抽机的热负荷使之在一定范围之内，这对柴油机经济、安全、可靠地运转是十分重要的。咼温蠕变与热疲劳1)热疲劳定义：燃烧室部件在交变的热应力作用下产生的疲劳叫热疲劳原因：图(a)表示热量从

51、壁的触火面A面流向水冷面B。图(b)表示温度分布。图(c)表示应力的变化。A面产生压应力，B面产生拉应力。图(d)表示咼温蠕变情况。图(e)表示残余应力的分布情况。这种疲劳均产生于燃烧室高温表面压、拉应力的交替变化。如果局部在高温下产生“蠕变”，继而产生塑性变形，当停车或负荷降低壁面温度降低时，因塑性变形处无法恢复原状而产生残余拉应力。由此，形成了压、拉应力的交替。低频应力：由于该交变应力的变化周期与转速无关而只取决于起动一停车或负荷变化周期，因而此种交变应力亦称低频应力。发生部位：通常从高温触火面开始，逐渐发展形成疲劳破坏。如：柴油机气缸盖底座孔之间、气缸盖与气缸套接合的圆角处、气口边缘、喷

52、油孔边缘等触火面处的裂纹。柴油机使用中，燃烧室部件过热、长时间超负荷工作或突加、突卸负荷过于频繁，均加快热疲劳破坏的出现。二、机械负荷分析定义：柴油机的机械负荷是指柴油机零部件在各种情况下承受的机械应力(拉、压、弯、扭及复合应力)。来源：柴油机的机械负荷主要来自气体压力、惯性力、装配预紧力，以及由振动、变形引起的附加应力等。其中以气体压力和惯性力为主要负荷源，对柴油机的结构与性能有着很大的影响。两大特点：其一为周期交变；其二为具有冲击性。在交变负荷的作用下，易引起疲劳破坏和激起强烈的振动。柴油机中的一些零件，如曲轴、连杆、机架、机座等，只受机械负荷的作用；另一些零件，主要是燃烧室部件，如活塞、

53、缸套、缸盖，既受机械负荷，又受热负荷的作用。一般均以在柴油机的最高爆发压力pz:和最大往复惯性力Pj一的作用下，在柴油机各零件中引起的应力来代表机械负荷的大小。从管理方面其影响最大的是气体力和安装预紧力。气体力1）高频应力：柴油机工作中气缸内的气体压力是周期变化的，其最大值为最高爆发压力，变化频率与单位时间内的循环次数有关，即与转速有关。因而由气体力产生的机械应力亦称高频应力。2）高频疲劳：由高频应力产生的疲劳又称高频疲劳损坏或脉动应力疲劳。它与气体压力变化的次数有关，也就是说决定于柴油机的累计转数。因此在船舶上，轮机管理人员最实用和直接的方法是以柴油机的最大爆发压力Pz值来判断柴油机的机械负

54、荷的大小。对柴油机的pz值必须加以限制,使其控制在允许的范围内。3）机械应力的不同性质（1）活塞顶：触火面为压应力；冷却面为拉应力。活塞顶在最高燃烧压力作用下产生很大的弯矩和弯曲应力。R2几2Pz3式中：（Tu活塞顶板上、下表面受到的弯曲应力，上表面为压应力，下表面为拉应力。R活塞顶板的半径。3活塞顶板的厚度。Pz最高爆发压力。从式中可知，弯曲应力与活塞顶板半径的平方成正比，与顶板厚度的平方成反比。所以，当柴油机尺寸增大时，即使最高爆发压力不变，机械应力却要随着尺寸的平方增大。虽然相应地增加顶板厚度可将应力维持在原有的水平上，但这又导致热应力增加。解决这一问题的较好方法是采用薄壁强背结构。（2

55、）气缸盖：触火面为压应力；冷却面为拉应力。（3）气缸套：在内、外表面产生切向应力与径向应力。其中，触火面切向应力最大，冷却面切向应力最小，但均为拉应力。触火面径向应力最大为压应力，冷却面径向应力为零。切向应力最大（拉应力）触火面“径向应力最大（压应力）切向应力最小（拉应力）水冷面-L径向应力为零燃烧室部件中由气体力而产生的机械应力都和最高爆发压力成正比，与部件壁厚成反比。4）发生部位：由高频应力引起的燃烧室部件裂纹多出现在水冷面，呈现一条主裂纹的形式。5）重叠疲劳损坏：由于机械应力和热应力共同作用结果均使拉伸应力出现在冷却水侧，所以在冷却侧的某些应力集中处也易发生裂纹。运动机件的惯性力活塞组件

56、在缸内的运动是一种变速往复运动，因而必然产生往复惯性力Pj。特点：是一种周期交变的机械力，其大小与活塞组件的质量和曲轴转速的平方成正比。显然，由往复惯性力Pj产生的机械应力也称为高频应力。对于中、高速四冲程柴油机，活塞组件的往复惯性力是一种不可忽视的机械负荷，有关部件的损坏多与此负荷有关。安装应力紧固燃烧室各部件时，对被连接部件所施加的预紧力必然使有关部件产生静应力，这种应力称为安装应力。作用在气缸盖和气缸套上的安装应力均与预紧力成正比，与零件壁厚成反比，因而在安装工作中，安装预紧力不要过大，否则将产生过大的安装应力。由上述可知，作用在燃烧室壁面上的机械应力是一种高频应力。其数值大小均与部件壁

57、厚S成反比，即壁厚S越大，机械应力越小。因而从降低机械应力的观点看，应力求增大壁厚，但由此将使壁面的热应力增大。所以对燃烧室部件不能采取厚壁结构，合理解决这一技术难题的措施是采用“薄壁强背”结构。所谓薄壁就是燃烧室部件的受热面要薄，以减少壁面热应力。而强背就是在薄壁的背面设置强有力的支承，以降低其机械应力。现代新型柴油机采用的钻孔冷却结构是“薄壁强背”结构的一种最好形式。第二节活塞组件活塞组件包括活塞本体、活塞环、活塞销、卡簧等，如图2-1所示筒形活塞组2-油环3-活塞5-卡簧一、活塞的作用、工作条件和要求、材料活塞的作用1）活塞与气缸、气缸盖等组成封闭的燃烧室空间；2）传递燃气动力；3）在筒

58、状活塞式柴油机中，承受连杆倾斜时所产生的侧推力，并起往复运动的导向作用；2-1图1-气环4-活塞销4）在二冲程柴油机中，活塞还起着控制气口的启闭作用。活塞的工作条件1）承受燃气压力和往复惯性力所引起的带有冲击性的机械负荷；2）活塞顶部直接接触高温燃气，热负荷很高，热应力较大；3）承受燃气的化学侵蚀（高、低温腐蚀）；4）润滑条件差，摩擦损失大，磨损严重；5）在中、高速柴油机中，活塞具有较大的往复惯性力，使振动加剧。要求强度高、冈性大、密封可靠、散热性好、冷却效果好、摩擦损失小、耐磨损。对中、高速柴油机还要求重量轻活塞材料铸铁（合金铸铁、球墨铸铁）、钢（碳钢、耐热合金钢）和铝合金。1）铸铁易于浇铸

59、，耐磨性好，机械强度较高，线膨胀系数小，故活塞与气缸间允许有较小间隙，价格低廉2）钢的机械强度高，耐磨性差，成本较高。主要用于大功率中低速柴油机3）铝合金重量轻，导热系数大，利于散热。但高温强度差，线膨胀系数大，所以活塞与气缸之间的冷态间隙要求较大，造成冷车起动困难。其耐磨性也较差，成本也较高。因此仅用于制造中小型柴油机的活塞二、活塞的组成和结构特点分类：组成：活塞可分为十字头式活塞和筒形活塞两大类。*筒形活塞由活塞头、活塞裙、活塞环和活塞销以及刮油环等组成。*十字头式活塞由活塞头、活塞裙、活塞环、活塞杆和活塞冷却机构等组成。1.筒形活塞：按散热方式的不同分为两大类：非冷却式和冷却式。1）非冷

60、却式筒形活塞（径向散热型）图2-26250型柴油机整体式活塞（1）散热方法：非冷却式筒形活塞用于缸径较小、强载度较低的中小型柴油机中。不采用强制性的冷却措施，活塞头所吸收的热量主要是通过活塞环向气缸套及其外侧的冷却水散出，称之为径向散热型为使吸入的热量能畅通而均匀地流向各道活塞环，活塞头部的结构散热断面要大，散热路程要短（如图2-2所示），活塞顶厚度大并沿半径方向逐渐增大，顶部内腔环带的过渡圆弧半径较大，这样既有利于散热，又能使活塞顶具有足够的强度和刚度。在活塞头部和裙部分别装有气环和油环（2）活塞外形尺寸：由于活塞在工作时，温度沿轴向分布很不均匀，上下温度差很大，上部热膨胀量比下部大，为了使