船舶柴油机基本知识

/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及结构上的差别。6．了解船舶柴油机的基本分类和型号。重点难点：1．柴油机及汽油机的区别。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：柴油机及汽油机有哪些区别？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。蒸汽机及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，它无法及内燃机竞争，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，因而在及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（汽油及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（燃油及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0.6～45600，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，充分兼顾到排放及可靠性的要求，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）提高可靠性及耐久性的研究；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）提高最高爆发压力及平均有效压力之比／。4）增大压缩比ε。5）采用可变喷油定时（）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（）。8）轴带发电机（）。9）柴油机废热再利用。10）改进喷射及燃烧技术。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（）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柴油机的基本结构组成气缸盖；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。它们及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：曲轴的曲柄销中心及主轴颈中心间的距离。（3）上止点（）：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（）：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）：活塞在气缸内上止点时，活塞顶上的全部空间（活塞顶、气缸盖底面及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及气缸盖底平面之垂直距离。（8）气缸工作容积（）：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（）：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。＝＋（10）压缩比（ε）：气缸总容积及压缩室容积之比值，亦称几何压缩比。ε＝／＝1＋／图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、相应高）。当气缸直径及活塞冲程确定后，气缸工作容积也随着确定了，所以若要调整压缩比，可通过改变压缩容积来实现。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0.08～0.95，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°。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，提高空气的温度及压力，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3～6，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和表示。四冲程机压缩过程所占的总角度约为140～160°。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，并及其混合，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5～8，甚至13以上。燃烧产生的最高压力称最高爆发压力，用表示，最高温度表示。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约为0.25～0.45，温度约为600～700℃。四冲程机燃烧膨胀过程所占的总角度约为130～160°。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，所以及进气阀启闭一样，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°。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）二冲程柴油机及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；或设扫气口及排气阀机构。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，利用活塞及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，及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0.105～0.140），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、二冲程柴油机及四冲程柴油机的比较二冲程柴油机及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及废气渗混严重，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，二冲程机及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。二冲程柴油机及四冲程柴油机比较，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及曲轴转速相同；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°，四冲程柴油机的气阀重叠角较小，约为25～60°。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