第二节船用柴油机工作原理及应用课件

第二节船用柴油机工作原理及应用LOREMIPSUMDOLOR一、柴油机的基本概念（一）柴油机的定义基础知识壹．热机：把热能转换成机械能的动力机械贰.二次能量转换①燃料燃烧(可在机器内部或外部),使燃料的化学能转化成热能;②热能在机器内部,转换成机械能.

因此,所有热机把热能转换成机械能都在机器内部,而区别外燃机和内燃机的主要标准就是①.依燃料燃烧的场所不同,而把热机分成内燃机和外燃机.

1.外燃机:燃料燃烧在气缸外部，热效率低。外燃机可分为

蒸汽机、蒸汽轮机等；2.内燃机:燃料燃烧在气缸内部，热效率高。

内燃机可分为柴油机、汽油机、燃气轮机等。

下图左上、右上、左下、右下依次为

柴油机、汽油机、燃气轮机、喷气式发动机。

3.柴油机

1)柴油机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,它在热机中热效率最高。

2)柴油机和汽油机的区别

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。

比较项目柴油机汽油机燃料(燃烧工质)柴油或劣质燃油（燃气+空气）汽油

点火方式(工作原理上最大不同)压缩自行燃烧(压缩发火)★这是本质特征电火塞点燃供油系统的不同或混合气的形成方式(结构上的主要差异)气缸内混合气缸外混合压缩比12-226-10有效热效率0.30-0.550.15-0.403)柴油机的优缺点：①经济性好，在内燃机中具有最高的热效率，可达50%。②功率范围广。③尺寸小，重量轻。④机动性好。⑤存在振动，轴系扭转振动和噪音。⑥燃烧室部件工作条件恶劣，承受高温高压与冲击性的机械负荷。(二)柴油机的基本结构参数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S：上、下止点间的距离。等于曲柄半径的两倍，即S=2R。活塞运行一个行程，曲轴转动半转（180°CA）。4.气缸直径D：气缸的内径5.余隙高度（顶隙）：活塞位于上止点时活塞顶与气缸盖之间的距离。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.气缸工作容积Vh：活塞从上到下止点间运动所扫过的容积。8.气缸总容积Va：气缸工作容积Vh与燃烧室容积VC之和。也可以说是活塞位于下止点时活塞顶与气缸盖之间的气缸容积。9.压缩比：气缸总容积Va与燃烧室容积VC之比。

ε=Va/VC=（Vh+VC）/VC=1+Vh/VC1）压缩比表示活塞从下止点运动到上止点时，缸内空气被压缩的倍数。2）压缩比是容积之比，并非压力之比。3）压缩比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。4）ε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。5）不同的机型ε不同：①小型高速机的ε＞大型低速机。②非增压机的ε＞增压机。③四冲程机的ε＞二冲程机。④柴油机的ε＞汽油机。6）影响ε的因素：①连杆大小端轴承严重磨损，使活塞组件下沉。②十字头销（活塞销）与曲柄销严重磨损。③活塞顶面、缸盖底面被烧蚀或积碳，使VC改变。④船用大端杆身凸缘与大端轴承座之间的调整垫片厚度。⑤缸盖底面密封垫片厚度。⑥连杆杆身发生弯曲。7）ε的调整方法：增减余隙高度，若余隙高度增加，VC增加，压缩比变小。①增减气缸头垫片厚度。--中小型四冲程柴油机②增减连杆大端凸缘与轴承座之间的调整垫片厚度。--十字头式柴油机可增加船用大端垫片或活塞杆平面垫片（三）柴油机基本工作过程

作功过程：进气、压缩、燃烧、膨胀、排气。包括上述五个过程的全部热力循环过程称为柴油机工作过程，包括上述五个过程的周而复始的循环叫工作循环。

1.进气行程φ1-2约为220°--250°1）作用：使气缸充满新鲜空气。

2）进气阀启闭时刻：上止点前提前开启，下止点后延后关闭。2.压缩行程φ2-3约为140°--160°1）作用：①使燃烧过程升温，提高工作循环的热效率②为工质的升温升压，为冷车起动和着火作准备③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=3～6MPa；tc=600～700℃。燃油自燃温度为210~270℃。3）压缩后期，燃油与高温空气混合、加热，并自行发火燃烧。

a.进气行程b.压缩行程3.燃烧和膨胀过程φ3-4-51）作用：高温高压的燃气（工质）膨胀推动活塞作功。2）PZ=5～8MPa；TZ=1400～1800℃。Pb=0.3～0.6MPa，Tb=600～700℃4．排气行程φ5-6约为230°--260°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）排气阀启闭时刻：下止点前提前开启，上止点后延后关闭。c燃烧和膨胀过程d排气行程小结在四冲程柴油机中，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。进气和排气冲程均大于180˚CA。压缩与膨胀冲程均小于180˚CA。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，则借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，必须借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，柴油机才能自行运转。（四）柴油机的分类和特点1.按工作循环分类：四冲程柴油机和二冲程柴油机。

2.按进气方式分类：非增压柴油机

增压无中冷柴油机机械增压柴油机增压柴油机废气涡轮增压柴油机增压带中冷柴油机（按压气机的驱动方式）复合增压柴油机低增压PK≤0.17MPa

（按增压压力PK）中增压PK＝0.17—0.25MPa

高增压PK＝0.25—0.35MPa

超高增压PK＞0.35MPa3.按曲轴转速n及活塞平均速度vm分类

低速柴油机n≤300r/min低速柴油机vm＜6m/sn中速柴油机300＜n≤1000r/minvm中速柴油机vm＝6--9m/s

高速柴油机n＞1000r/min高速柴油机vm≥9m/s

4.按结构特点分类（1）筒形活塞式柴油机与十字头式柴油机（2）直列式柴油机与V形柴油机（3）可倒转柴油机和不可倒转式柴油机（4）左旋柴油机和右旋柴油机：由飞轮端（功率输出端）向自由端看，正车时顺者右旋或右型柴油机：逆者左旋或左型柴油机。（5）左单列机和右单列机5.按行程缸径比S/D分类短行程柴油机S/D≤2.5

长行程柴油机2.5＜S/D≤3.0

超长行程柴油机S/D＞3.0筒形活塞式柴油机十字头式柴油机直列式柴油机V形柴油机

二、四冲程柴油机的工作原理1.四冲程柴油机的工作过程

.活塞走一个行程，曲轴转半转。

.活塞走四个行程，曲轴转两转。

.四冲程柴油机完成一个工作循环（活塞走四个行程）凸轮轴转一转。

.所以，曲轴与凸轮轴的转速比为2∶1。

2.四冲程柴油机的气阀定时（1）定时圆图：将四冲程柴油机的工作过程按曲柄位置及旋转角度依次绘制在一个圆图上。这个用曲轴转角表示正时的圆图叫定时圆图。那么，气阀的开启和关闭时刻也就可以在这样的圆图上表示，即为气阀定时圆图。（2）★为了提高进排气量，进排气阀的开启和关闭都不在上下止点，而是提前开启、延后关闭（早开晚关）。1）进气阀：进气持续角是φ1+180°+φ21开，点1至上止点的角度φ1为进气提前角；

2关，下止点至点2的角度φ2为进气延后角。2）排气阀：排气持续角是φ3+180°+φ4

5开，点5至下止点的角度φ3为排气提前角；

6关，上止点至点6的角度φ4为排气延后角。

3）★无论进排，过程均大于180度曲轴转角；那么，压膨过程就均小于180度曲轴转角。换气总角度为450°CA—500°CA.。凸轮作用角为相应过程持续角的1/2。（曲轴与凸轮轴的转速比为2∶1。）进气凸轮作用角：φ12=（φ1+180+φ2）/2；排气凸轮作用角：φ34=（φ3+180+φ4）/2；3.四冲程柴油机的气阀重叠角

（1）气阀重叠角的定义：在上止点前后的一段的曲轴转角内，进排气阀有一个同时打开的角度，称为气阀重叠角，它等于φ1+φ4。（2）★两个唯有：

1)★唯有在上止点前后存在：从气阀定时圆图上看，似乎在下止点也有一个气阀重叠角，即φ3+φ2。这难道不也是一个气阀重叠角吗？这种说法是想当然。从四冲程柴油机的工作过程可以想见，排气阀在下止点前开启时，已经历了压缩、燃烧、膨胀做功诸过程，而压缩过程开始于进排气阀全部关闭时，此时，进气阀早就关闭了。故而，在下止点前后根本不存在气阀重叠角。

2）★唯有四冲程柴油机存在：二冲程柴油机有没有气阀重叠角呢？那是没有的，原来，二冲程柴油机可以分为弯流和直流两大类，直流柴油机没有进气阀，弯流柴油机不仅没有进气阀，连排气阀都没有，气阀重叠角又从何谈起？故而，唯有四冲程柴油机拥有一个、也仅此一个在上止点前后的气阀重叠角。3.四冲程柴油机的气阀重叠角（3）设置气阀重叠角的意义：

1）在气阀叠开期间，进、排气管与气缸相通，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。（4）气阀重叠角的大小：教材P6表1-3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°--50°80°--130°三、二冲程柴油机的工作原理活塞走一个行程，曲轴半转。活塞走两个行程，曲轴转一转。二冲程柴油机完成一个工作循环（活塞走两个行程），凸轮轴转一转。曲轴与凸轮轴的转速比为1∶1。1.换气-压缩过程

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，新鲜空气充入气缸，并将气缸内的废气赶出缸外。壹燃烧和膨胀行程占90°—120°曲轴转角；换气过程占130°—150°曲轴转角；压缩行程占120°曲轴转角。贰换气过程活塞不做有效功，相应这部分活塞行程容积ΔVS称为损失容积。(ΔVS就是气口高度乘以活塞截面积)。在这个容积中，活塞作无效功。叁换气过程容积损失的多少通常用行程损失系数φS来表示。

（φS=ΔVS∕VS）肆有效压缩比：εe=1+(1-φS)VS/VC

3.二冲程柴油机的换气形式根据气流在气缸中的流动路线，二冲程柴油机的换气形式可以分为：

（1）简单横流扫气：扫、排在两侧

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）回流式扫气：

扫、排下部同一侧

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。（