第一章第一章 柴油机的基本知识柴油机的基本知识第一节 柴油机的基本概念一、热机的基本概念 热力发动机（热机）：它是利用燃料的燃烧的燃烧热能、原子能作为有效能源，把热能转换成机械能的动力机械。基本工作原理：燃料在一个特设的装置中燃烧，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。 根据能量转换场所的不同，可分为两大类： 1.外燃机： 燃料的燃烧是在机器外部特设的锅炉中进行的，燃料燃烧时放出的热能加热水，使水变成蒸汽，再将蒸汽引入蒸汽机内膨胀作功，推动机械运动。 如往复式蒸汽机、蒸汽轮机等。2. 内燃机: 燃油的燃烧是在机器内部进行，直接加热空气和燃烧产物（即燃气），燃气被加热后压力和温度急剧上升具有了作功的能力，从而推动机械运动。 如柴油机、汽油机、燃气轮机等。3. 内燃机优点： 内燃机中，两次能量转换都发生在气缸内部，由于采用内部燃烧，从能量转换观点看，内燃机能量损失小，具有较高的热效率。另外，在尺寸和重量等方面也均具有优越性，因而在与外燃机的竞争中处于有利地位。.4。柴油机与汽油机比较 汽油机以汽油为燃料，缸内燃烧为电火花塞点火式，外部混合方式。 柴油机以柴油为燃料，采用压燃式燃烧，内部混合方式。5。 船舶柴油机动力装置A。 汽油机特点： 工作柔和平稳，噪音低，比容积小，比重量轻，所以在轿车和轻型车上占优势。但是：（1） 外部混合，压缩比不能太高，使经济性不能提高很大；（2） 汽油闪点低，储运过程中危险性大。B。柴油机特点：（1）经济性好，热效率最高；（2）机动性好，启动方便；（3）功率范围广，单机功率1.145600kW,适用范围广；（4）尺寸小、重量轻；.缺点：（1）存在机身振动、扭振和噪声；（2） 某些部件的工作条件恶劣。HD-MAN-B&W 6L50MCE第二节 柴油机的工作原理一、柴油机的基本构造1。柴油机的基本组成 固定件，运动件，辅助机构，辅助系统四部分。（1） 固定件：气缸盖、气缸、机身（机架）、机座、轴承。 燃烧室的构成：气缸被气缸盖、活塞和缸套封闭为一个密封的空间，空气、燃料的混合、燃烧、膨胀、作功在这个空间内完成。（2） 运动件：活塞组、连杆、曲轴。它们组成一个“曲柄-连杆”机构，将活塞在气缸内的往复运动转变为曲轴的旋转运动。（3）辅助机构：进气阀、排气阀、凸轮轴及传动机构、中间齿轮。（4）辅助系统：燃油系统：喷油泵、喷油器等；冷却系统：防止燃烧室周围部件烧坏；润滑系统：对相对运动部件润滑，减少摩擦和热量；操纵系统：启动、停车、换向、调速、报警等。2。基本术语.1. 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。 2. 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。3. 活塞行程（S）：指活塞从上止点运行到下止点间的直线距离，简称行程。S=2R 4. 气缸直径（D）：气缸的内径，简称缸径。 5. 压缩容积（Vc）：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。 S/D3.0 短冲程机 3.0 S/D 3.5超长冲程机6. 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。7. 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。8. 压缩比（）：气缸总容积Va 与压缩容积Vc 之比值，亦称几何压缩比。Va=Vs+Vc=Va/Vc=（Vc+Vs）/Vc=1+Vs/Vc9。活塞平均速度Cm：单位时间内活塞的平均速度，m/s。 Cm=2Sn/60=S n/30. 采用压缩发火方式，使燃料在气缸内部燃烧，以高温、高压的燃气工质在气缸内膨胀作功。燃油在柴油机气缸中燃烧作功必须通过进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程。包括上述五个过程的周而复始的循环叫工作循环。一个工作循环在四个冲程完成 四冲程柴油机。一个工作循环在二个冲程完成 二冲程柴油机。.二、四冲程柴油机的工作原理 燃油在柴油机气缸中燃烧作功必须通过进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程。每一工作循环按活塞冲程分为四个阶段：1。进气行程。活塞从上止点下行，进气阀a已打开。由于活塞下行的抽吸作用，新鲜空气充人气缸。 为了能充入更多的空气，进气阀一般在上止点前提前开启（曲柄位于点1），在下止点后延迟关闭（曲柄位于点2），进气阀开启的延续角度1-2（图中阴影线部分）约为220250。（1）减少进气阻力，加大气阀通流面积，进气阀提前打开，提前角：2030（2）减少排气阻力，加大气阀通流面积，进排阀延迟关闭，延迟角：20402。压缩行程。活塞从下止点向上运动，自进气阀a关闭（曲柄到达点2）开始压缩一直到活寒到达上止点（曲柄到这点3）为止。 燃油的自燃温度为210270，使压缩终点时的压力36MPa，温度升至600700。 它需要外界输入较大的能量，消耗有用功。3。燃烧和膨胀行程。压缩行程快结束之前，提前喷油，喷油提前角：2030 活塞在上止点附近，由于燃油猛烈燃烧，使气缸内的压力和温度急剧升高，压力约达58MPa，甚至13MPa以上，温度约为14001800或更高些。 它对外作功。.4。排气行程。活塞由下止点上行时，废气靠气缸内外压力差经排气阀排出。 在上一行程未，排气阀提前开启，提前提前角：3545 排气阀一直延迟到活塞到达上止点后（曲柄位于点6）才关闭，延迟角： 1020 排气过程用曲轴转角约为230260。5。定时圆图 将四冲程柴油机的工作过程按曲柄所在位置及旋转角度，依次画在一个圆图上，它反映柴油机各工作过程的次序和规律。6。进排气重叠角 在上止点附近，进、排气阀同时打开的角度，u 有利于将气缸内的废气彻底清除；u 降低柴油机燃烧室部件的热负荷（增压柴油机）。三、二冲程柴油机的工作原理u取消进气阀，代以缸套的进气口；u取消排气阀，代以气缸排气口；u采用专设的扫气泵（鼓风机）。.1。第一冲程压缩。活塞上行，先将遮闭进气口，再遮闭排气口，然后压缩缸内的空气，使压力和温度随之升高。2。第二冲程燃烧、膨胀。燃油提前喷入，燃烧。活塞由上止点向下运动，燃烧仍在继续猛烈地进行，到点4才基本结束。高温高压的燃气膨胀推动活塞下行作功。3。换气过程进排气。（1）自由排气：排气口打开，缸内废气依靠压差排入排气管（4-5）；（2）强制排气：扫气口打开，新鲜空气在扫气箱的压力下进入气缸，同时清扫废气出气缸，进排气同时进行（5-6-7）（3）过后排气：扫气口关闭，在活塞的推动下，部分新气被挤出气缸，应尽量避免。4。压缩比 Va=Va-Vs=Vs+Vc-Vs =Vs(1-Vs/Vs)+Vc =Vs(1-s)+Vc.四、四冲程机与二冲程机比较二冲程机的优点：1。理论上二冲程的作功能力为四冲程的2倍，但由于二冲程机缸套上气口的存在，使有效膨胀行程缩短，再加上换气质量差及扫气泵消耗曲轴的有效功，使得二冲程机的功率约为四冲程的1.61.7倍；2。省去了气阀及传动装置，结构简单，维护、管理方便；3。二冲程机曲轴每一转就有一个工作冲程，因而在相同工作条件下它的回转要比四冲程机均匀，飞轮尺寸小，运转均匀；二冲程机的缺点：1。换气时间短（换气角度仅为四冲程机的1/3）、新旧气体易掺混，所以二冲程机换气质量较四冲程机差，耗气量也大；2。需要扫气泵，否则无法工作；3。工作频繁，燃烧室周围部件的热负荷比四冲程的高，并给高增压带来困难。 总之，大型低速机都采用二冲程，其功率大，换气质量和零部件工作条件得到保证。 中速机和高速机多采用四冲程。五、增压柴油机的工作原理 柴油机增压的实质：提高柴油机的进气压力，使进气的密度增加，从而达到在同样的气缸容积中充进更多的空气量，以便喷入更多的燃油，作出更多的功来。.1。机械增压 由柴油机的曲轴通过增速齿轮带动增压器旋转，预先对新鲜空气进行压缩。功率可提高20%70%，但由于增压器要消耗曲轴的有效输出功，则经济性下降，效率较低，故目前已不采用；2。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，预先对新鲜空气进行压缩。不消耗曲轴的有效输出功，既能提高柴油机平均有效压力pe和功率Pe，又可降低油耗率，提高柴油机的经济性。 由于涡轮增压器与柴油机之间没有机械连接，增压器转速可充分提高，可大大减轻增压器重量。六、增压器结构的改进1。适当地减少压缩比，防止燃烧压力过大；2。增压后，喷油量增加，要求增大喷油压力，加大喷孔直径；3。适当减少供油提前角，防止最大燃烧压力；4。加大进气流通面积，减少进气阻力。增大气阀重叠角，减低热负荷；5。润滑系统、冷却系统及主要运动部件的结构强度都应适当加强。.第五节 柴油机的类型和分类一、按工作循环分有四冲程和二冲程柴油机。四冲程机因换气质量优于二冲程机而适应于高转速，但其单缸功率小、不宜在大功率中使用。 二冲程机单缸功率大、比重量较小，由于换气质量差，常用于低转速大功率。二、 按结构特点分 1. 筒形活塞柴油机与十字头式柴油机 筒形活塞式柴油机结构简单、紧凑、轻便，发动机高度较小。它的缺点是由于运动时有侧推力，活塞与气缸壁之间的磨损较大。目前高速及中速柴油机都采用这种构造形式。 十字头式柴油机的活塞不起导向作用而且与气缸壁之间没有侧推力，它们之间间隙较大，磨损较小，不易擦伤或卡死。气缸下部设一隔板，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，污染曲轴箱底的润滑油，并作为辅助的扫气泵。缺点是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型式。.2. 直列式与V型柴油机 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可反转与不可反转式柴油机 大型低速二冲程柴油机，通常皆具有倒转机构。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。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。4. 右旋柴油机和左旋柴油机 从船尾向船艏看（由功率输出端向自由端看），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”。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为右单列柴油机； 排气管位于左侧的为左单列柴油机；.三、按曲轴转速分按曲轴转速n将船舶柴油机分为低速、中速及高速机。低速柴油机 n300 r/min中速柴油机 300n1000 r/min高速柴油机 n1000 r/min。按活塞平均速度Cm划分，其范围为：低速柴油机 Cm6 m/s中速柴油机 Cm=69 m/s 高速柴油机 Cm=9 m/s。 低速二冲程十字头式柴油机的重量和尺度大，但寿命长且经济可靠则是其突出的优点，因而被广泛地用作海船主机。 中速柴油机大多为四冲筒形活塞式直列与V型柴油机。采用无十字头式构造。这种中、高速无十字头式柴油机的寿命和工作可靠性较低速十字头式柴油机为差，为此，在船上都设有备用辅机，以便保证船舶的安全航行。四、按进气方式分 非增压柴油机，增压无中冷柴油机和增压带中冷柴油机。五、按结构参数分短行程 S/D2.5长行程 2.5S/D3.0超长行程 S/D3.0.二、船用柴油机的发展1776年，瓦特发明蒸汽机；1876年，德国人奥托发明四冲程煤气机；1880年，德国人Benz发明二冲程内燃机；1897年，德国人Diesel发明柴油机；1904年，柴油机用于船舶推进；1926年，瑞士人Bachi发明了废气涡轮增压器。三、现代柴油机的结构特点1气缸尺寸采用长行程或超长行程。2燃烧室部件普遍采用钻孔冷却结构。3采用旋转式排气阀及液压式气阀传动机构。4喷油泵采用可变喷油正时（VIT）机构。5采用薄壁轴承。6独立的气缸润滑系统。7曲轴上增设轴向减振器。8焊接曲轴。四、提高经济性的主要途径1）用定压涡轮增压系统和高效率涡轮增压器。 .2）增加行程缸径比S/D。3）提高最高爆发压力Pz和平均有效压力pe之比。4）增大压缩比。5）