船舶柴油机的基本知识4103

船舶柴油机的基本知识课题⼀船舶柴油机的基本知识⽬的要求：1．了解船舶柴油机的基本概念及优缺点。2．掌握柴油机基本结构和主要系统。3．掌握柴油机主要结构参数。4．掌握四、⼆冲程柴油机的⼯作原理。5．⽐较四、⼆冲程柴油机⼯作原理与结构上的差别。6．了解船舶柴油机的基本分类和型号。重点难点：1．柴油机与汽油机的区别。2．进排⽓重叠⾓、定时图。教学时数：4学时教学⽅法：多媒体讲授课外思考题：1．柴油机与汽油机有哪些区别？2．柴油机主要结构组成和作⽤。3．压缩⽐ε意义及对柴油机⼯作性能有什么影响？4．四冲程柴油机各⼯作过程特征及特点。5．⼆、四冲程换⽓在⼯作上原理及结构上有什么差别？6．四冲程柴油机进、排⽓为什么都要提前和滞后？⽓阀重叠⾓有何作⽤？课题⼀船舶柴油机的基本知识第⼀节柴油机的概述及发展趋势⼀、柴油机的概述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。

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。柴油机通常具有以下突出优点：（1）经济性好。有效热效率可达50％以上，可使⽤廉价的重油，燃油费⽤低。（2）功率范围宽⼴，单机功率从0.6kW～45600kW，适⽤的领域⼴。（3）尺⼨⼩，重量轻，有利于船舶机舱布置。（4）机动性好。起动⽅便，加速性能好，有较宽的转速和负荷调节范围，可直接反转，能适应船舶航⾏的各种⼯况要求。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。⼆、现代船⽤柴油机的发展趋势经过近⼏⼗年尤其是近⼗年的发展，现代船⽤柴油机已经发展到⼀个较⾼的技术⽔平。今后，随着⽣产⼒的发展，将会对船⽤柴油机提出更⾼的要求，船舶柴油机也将继续发展改进。当前柴油机的发展可以概括为：以节能为中⼼，充分兼顾到排放与可靠性的要求，全⾯提⾼柴油机性能。根据此发展⽬标，今后的研究趋势⼤致为：1）提⾼经济性的研究，包括燃烧、增压、低磨损等的研究；2）降低柴油机的排放的研究，排放是现代柴油机⾯临的严重挑战，随着对船舶柴油机排放控制的限制，使得经济性的提⾼更加困难，这也是船舶柴油机发展中的新课题；3）提⾼可靠性与耐久性的研究；4）电⼦控制技术的研究；5）代⽤燃料的研究。1．现代船⽤柴油机提⾼经济性的主要措施现代船⽤⼤型低速柴油机近⼗多年在提⾼经济性⽅⾯取得的成效超过了过去⼏⼗年。各种节能措施相继出现并⽇趋完善，这些措施主要有：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。3）提⾼最⾼爆发压⼒pz与平均有效压⼒pe之⽐pz／pe。4）增⼤压缩⽐ε。5）采⽤可变喷油定时（VIT）机构。6）降低摩擦损失功提⾼机械效率ηm。7）采⽤动⼒涡轮系统（TCS）。8）轴带发电机（PTO）。9）柴油机废热再利⽤。10）改进喷射与燃烧技术。2．现代船⽤低速柴油机的结构特点

1）燃烧室部件普遍采⽤钻孔冷却结构。2）采⽤旋转式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（VIT）机构。4）采⽤薄壁轴承。5）采⽤独⽴的⽓缸润滑系统。6）曲轴上增设轴向减振器。7）焊接曲轴。第⼆节柴油机的基本结构⼀、柴油机的基本⼯作原理柴油机是⼀种压缩发⽕的往复式内燃机。它的基本⼯作原理是使燃油直接在发动机的⽓缸中燃烧，将燃油的化学能转变成热能，从⽽⽣成⾼温⾼压的燃⽓，因燃⽓膨胀，推动活塞运动，通过曲柄连杆对外做功，将热能转变为机械能。柴油机必须经过进⽓、压缩、燃烧、膨胀和排⽓五个过程才能完成了⼀个⼯作循环。然后不断重复进⾏这些过程，使柴油机持续⼯作。⼆、柴油机的基本结构（教材图1-1）图1-l柴油机的基本结构组成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。三、柴油机的基本结构参数（教材图1-2）（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（S＝2R）。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。Va＝Vc＋Vh（10）压缩⽐（ε）：⽓缸总容积与压缩室容积之⽐值，亦称⼏何压缩⽐。ε＝Va／Vc＝1＋Vh／Vc

图l-2柴油机的主要⼏何名称压缩⽐ε是柴油机主要性能参数之⼀，表⽰缸内⼯质被压缩程度。ε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，ε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。ε可通过改变Vc来调节。柴油机压缩⽐约为12～22。中、⾼速机压缩⽐⾼于低速机。低速机：13～15，中速机：14～17，⾼速机：15～22，增压机：11～14（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。第三节柴油机的⼯作原理⼀、四冲程柴油机⼯作原理（教材图1-3）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。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0.08～0.95Mpa，温度约为30～70℃。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220～250°CA。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3～6MPa，温度升⾄600～700℃（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140～160°CA。图1-3四冲程柴油机⼯作原理第三冲程──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1400～1800℃或更⾼些，压⼒增加⾄5～8MPa，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0.25～0.45MPa，温度tb约为600～700℃。四冲程机燃烧膨胀过程所占的总⾓度约为130～160°CA。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1.05～1.1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210～240°CA。⼆、四冲程柴油机的定时（教材图1-4）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）。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。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。图l-46350C型柴油机定时图由图可以看出，在进⽓上⽌点前后进排⽓阀同时开启着，这段重叠的曲柄转⾓称为⽓阀重叠⾓。适当的⽓阀重叠⾓不仅不会使废⽓倒灌⼊进⽓管，⽽且还有利于废⽓的清除和新空⽓的充⼊。因为此时废⽓因流动惯性按原⽅向继续排出⽓缸，进⽓阀开度尚⼩，故不会向进⽓管内倒灌，且在惯性排⽓时，在燃烧室内形成低压，造成抽吸⽓体的有利条件，可将新⽓吸⼊⽓缸。新鲜⽓充⼊后⼜可更好地将废⽓扫出，实⾏了所谓“燃烧室扫⽓”。新鲜的空⽓对燃烧室壁⾯能起到冷却作⽤。三、⼆冲程柴油机的⼯作原理（教材图1-5）⼆冲程柴油机与四冲程柴油机基本结构相同，主要差异在配⽓机构⽅⾯。⼆冲程柴油机没有进⽓阀，有的连排⽓阀也没有，⽽是在⽓缸下部开设扫⽓⼝、排⽓⼝；或设扫⽓⼝与排⽓阀机构。并专门设置⼀个由运动件带动的扫⽓泵，及贮存压⼒空⽓的扫⽓箱，利⽤活塞与⽓⼝的配合完成配⽓，从⽽简化了柴油机结构。第⼀冲程──扫⽓及压缩活塞由下⽌点向上移动，活塞在遮住扫⽓⼝之前，由扫⽓泵供给储存在扫⽓箱内的空⽓，通过扫⽓⼝进⼊⽓缸，⽓缸中的残存废⽓被进⼊⽓缸的空⽓通过排⽓⼝f扫出⽓缸。活塞继续上⾏，逐渐遮住扫⽓⼝，当扫⽓⼝完全关闭后，空⽓停⽌充⼊，排⽓还在进⾏，这阶段称为“过后排⽓阶段”。排⽓⼝关闭时，⽓缸中的空⽓就开始被压缩。当压缩⾄上⽌点前时，喷油器将燃油喷⼊⽓缸，与⾼温⾼压的空⽓相混合，随即在上⽌点附近发⽕，⾃⾏着⽕燃烧。图l-5⼆冲程柴油机⼯作原理⽰意图第⼆冲程──燃烧膨胀及排⽓活塞在⾼温⾼压燃⽓的推动下，由上⽌点向下运动，对外膨胀作功，活塞下⾏直⾄排⽓⼝f打开，膨胀作功结束，⽓缸内⼤量废⽓靠⾃⾝压⼒从排⽓⼝排⼊到排⽓管。当⽓缸内的压⼒降⾄接近扫⽓压⼒时（⼀般扫⽓箱中的扫⽓压⼒为0.105～0.140MPa），下⾏活塞把扫⽓⼝打开，扫⽓空⽓进⼊⽓缸，同时把⽓缸内的废⽓经排⽓⼝f赶出⽓缸。活塞运⾏到下⽌点，本冲程结束，但扫⽓过程⼀直继续到下⼀个冲程排⽓⼝关闭为⽌。四、⼆冲程柴油机与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60～80％。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1∶2。（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80～100°CA，四冲程柴油机的⽓阀重叠⾓较⼩，约为25～60°CA。第四节船舶柴油机的分类和型号⼀、船舶柴油机的分类柴油机的⽤途极为⼴泛，型号较多，但不论何种柴油机，其基本⼯作原理都是⼀样的，只是在不同的⽅⾯各有其特点⽽已。下⾯介绍⼀些常见的船舶柴油机分类型式：（1）按⼯作循环特点分：四冲程柴油机和⼆冲程柴油机。（2）按柴油机进⽓⽅式分：增压柴油机和⾮增压柴油机。（3）按柴油机转速和活塞平均速度分：柴油机的速度可以⽤曲轴转速对或活塞平均速度Cm来表⽰。船舶柴油机可分为：低速机、中速机、⾼速机。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