船舶柴油机原理和结构.doc

MAN-B&W船舶柴油机原理和结构(仅供参考)编写：蒋爱民2006年7月第一章 柴油机概述柴油机基本工作原理柴油机是内燃机的一种，是一种把燃油的热能转变为机械能的动力机械，柴油机也是一种热机。柴油机的基本工作原理是：依靠活塞的运动对来自外界的新鲜空气进行压缩，使得气缸内空气的温度和压力大大提高。此时，通过喷油器，将柴油以雾化的形式直接喷入气缸内，雾化的柴油遇到高温、高压的压缩空气，立即发火燃烧（柴油不是靠外界火源点火，而是在高温条件下自行发火，燃油的自燃温度是210270）。柴油燃烧产生高温、高压的燃气，燃气（工质）在气缸内膨胀推动活塞作往复运动，这样将燃油的热能转变为机械能。活塞的往复运动通过曲柄连杆机构，推动曲轴不断旋转，这样，将往复运动转化为旋转运动。当然，如果曲轴通过轴系连接到螺旋桨，就能推动螺旋桨转动，螺旋桨转动产生的推力就能使船舶前进；如果曲轴或与曲轴连接的轴系连接发电机就能够发电。总之，柴油机完成能量的转换必须经过进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程才能实现，由这五个过程组成的全部热力循环过程叫工作过程。包括进气、压缩、膨胀、排气等工作过程的周而复始的循环叫工作循环。进气压缩燃烧排气膨胀空气燃油图1 柴油机工作过程示意图比较：内燃机与外燃机 柴油机与汽油机、双燃料发动机发火方式常用术语上止点TDC：活塞在气缸内运动时能到达的最上端位置。下止点BDC：活塞在气缸内运动时能到达的最下端位置。活塞在最高位置(或最低位置)时，曲轴上的曲柄销也运转到最高位置(或最低位置)，这时活塞头，十字头，曲柄销，曲轴中心线都在同一个垂直平面内。行程S：指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的两倍。活塞移动一个行程，相当于曲轴转动180度。缸径D：气缸的内径压缩室容积VC：活塞在气缸内上止点时，活塞顶上的全部空间（活塞顶、缸盖底部与气缸套内表面所包围的空间）容积，亦称气缸余隙容积。气缸工作容积Vh：活塞在气缸内从上止点移动到下止点时所扫过的容积。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。显然： Va = VC + Vh压缩比: 气缸总容积与压缩室容积之比，亦称几何压缩比。压缩比是柴油机的一个重要性能参数，它代表着将从大气吸入气缸内的新鲜空气被活塞压缩后容积减小，压力增高的压缩程度。压缩比大，空气被压缩后的压力和温度就高，燃油也就容易发火燃烧，机器易于起动。反之，燃油不易发火,起动也就困难。压缩压力 PC：进入气缸的空气被活塞压缩到上止点时，所具有的压力称为压缩压力。在柴油机正常运转时，可通过停止所测缸的喷油来测定压缩压力。通过压缩压力的测定，一般可以判断活塞环的气密性是否良好。活塞环漏气，常常会使压缩压力下降。爆发压力PZ：燃烧过程中气缸内工质的最高压力，是柴油机结构设计和性能中重要的参数之一，是柴油机机械负荷的主要外力，它引起各受力部件的应力和变形，造成疲劳损坏、磨损和震动。通过爆发压力的测定，一般可判断喷油系统工作是否正常。如果爆发压力突然降低，则意味着该缸的喷油系统出现故障，通常可能为喷油器故障。平均指示压力Pi：假定有一个在整个活塞工作冲程内不变的压力，推动活塞在一个冲程内所作的功与实际工作冲程所作的功相等，这个假定不变的压力就叫做平均指示压力。它与柴油机的类型和气缸大小无关系，是评定柴油机工作循环动力性的重要指标。Pi值越大，说明单位气缸工作容积的做功能力大，工作循环比较完善，即燃气和空气混合的完善程度，燃气和燃油雾化的质量，以及燃烧速度等因素。 其他的有关参数还有诸如活塞平均速度、行程/缸径、排温等，可参阅有关的专业书籍。柴油机的类型根据用途和对柴油机的要求不同，柴油机分为很多类型。如按曲轴转速分为低、中、高速柴油机；按工作循环分为二冲程和四冲程柴油机；按气缸排列分为直列式和V形柴油机按结构分为筒形活塞式和十字头式；按正车旋转方向分为右旋机和左旋机；按是否可倒转分为可逆转和不可逆转柴油机；按是否增压分为非增压和增压柴油机等等。 低、中、高速柴油机：柴油机的速度可以用曲轴转速n和活塞平均速度Cm表示，按此分类一般为：低速柴油机 n300r/min Cm=6.07.2m/s中速柴油机 300n1000r/min Cm=7.09.4m/s高速柴油机 n1000r/min Cm=9.014.2m/s筒形活塞和十字头式柴油机：用活塞销连接活塞与连杆的柴油机称筒形活塞式柴油机；用沿着导板滑动的十字头连接活塞杆与连杆的柴油机称十字头式柴油机。筒形活塞式柴油机，活塞的导向作用由活塞下部筒形裙部来承担，气缸壁承担活塞运动时产生的侧推力；十字头式柴油机的活塞不起导向作用，同时与缸套之间没有侧推力，因而二者之间磨损较小，不易擦伤和卡死，此外，由于活塞杆只在垂直方向作直线运动，易于密封，将气缸与曲柄空间分开，为燃用劣质燃料创造了有利条件。右旋和左旋柴油机：由柴油机的输出端向自由端看，正车时按顺时针方向旋转的柴油机为右旋柴油机，简称右机，反之，为左旋柴油机。单台布置的船舶主机通常为右旋柴油机；某些船舶（如客轮等）的推进装置采用双机双桨布置，由船艉向船艏看，布置在机舱右舷的为右机，左舷的为左机，且为了便于操纵管理，各机的操纵侧均向内布置。可逆转和不可逆转柴油机：可由操纵机构改变自身转向的柴油机称可逆转柴油机。仅能按同一方向旋转的称不可逆转柴油机。在船上，凡直接带动螺旋桨的柴油机均为可逆转柴油机，凡带有倒顺车离合器、倒顺车齿轮箱或可调螺距螺旋桨的柴油机以及发电柴油机均为不可逆转柴油机。关于左、右旋柴油机及是否可逆转柴油机在结构布置上的不同应引起足够的重视。二冲程柴油机用活塞的两个行程完成一个工作循环的柴油机叫二冲程柴油机。即曲轴每廻转一周，气缸内便完成了进气，压缩，膨胀和排气四个过程。第一冲程：进气及压缩冲程当活塞从下止点上行时，首先逐渐遮住扫气口，继续上行时，气缸中的气体便开始进行压缩过程，一直继续到上止点附近为止。第二冲程：膨胀做功和排气冲程当工作活塞到达上止点附近时，雾化的燃油自喷油器喷入，与气缸内高温空气接触，立即着火燃烧，燃烧后的工质的最高温度高达至14001800，最高压力高达 140160bar。接着，活塞被推向下行，开始了膨胀做功过程。当活塞下行还没有到扫气口之前，排气阀首先被打开，废气大量排出气缸，并经排气阀和排气集管进入废气涡轮增压器，当活塞继续下行到扫气口时，等待在扫气箱的增压的新鲜空气进入气缸，进一步将废气扫出气缸。当活塞运动到下止点并转向上行，扫气口，接着排气阀关闭，于是，排气过程结束，压缩过程重又开始并进入到下一个循环。图2 示功图柴油机在气缸内的进气、压缩、膨胀和排气四个过程可通过 P-V 示功图来表示，见上图。需要额外说明的，在四冲程柴油机中，新鲜空气的吸入和废气的排出可依靠活塞的抽吸和推挤作用（各占有一个多的活塞行程）。而二冲程柴油机没有单独的进气与排气过程，其进气与排气过程几乎重叠在下止点附近的一段时间内同时进行，因而，在结构上必须设置有增压泵以提高进气压力，能将废气清扫出气缸并保留足量的新鲜空气以供燃烧使用。上面的说明仅是按照排气阀扫气口直流扫气的形式，其实，在二冲程的发展历史中曾经运用过多种换气形式。横流回流简单横流扫气口装有单向阀半回流（新型横流）简单半回流扫气口有阀控制排气口有阀控制弯流直流排气阀扫气口式排气口扫气口式由于排气阀扫气口直流扫气，气流在气缸内的流动方向至下而上，进气口在纵向（与气缸轴线成角度）和横向（与气缸半径成角度）有倾斜角，使扫气空气进入气缸后有向上和绕气缸轴线旋转的运动，形成“气垫”，新鲜空气与废气不易混合，扫气效果好。同时，排气阀的关闭受凸轮控制，不受活塞运动的限制，可以与进气口同时关闭，也可提早关闭。其他扫气形式的换气质量无法与之相比，尤其是随着现代更长行程（S/D3）的柴油机运用和发展。但其明显的缺点是结构复杂，维修困难。船用柴油机的历史与发展1876年，德国人奥托（N.A.Otto）第一次提出了四冲程（即进气、压缩、膨胀、排气）原理，并发明了电点火的四冲程煤气机。之后，在1880年，一些工程师，如英国的D.Clerk和J.Robson以及德国人K.Benz等成功地开发了二冲程内燃机。1892年，德国工程师Rudolf Diesel提出了压缩发火内燃机专利，并于1897年在MAN公司制成第一台实际运用的柴油机。1904年，柴油机首次运用于船舶推进装置。二次世界大战到50年代中后期，柴油机在此期间完成了大缸径、焊接结构、废气涡轮增压以及使用劣质燃油等四项重大技术成果，是历史上的第一次飞跃，在与蒸汽动力装置的竞争中逐渐取得领先地位。70年代的两次石油危机诱发了世界范围的能源危机，而船用柴油机在使用劣质燃油的技术上又有了新的发展，且采用了各种节能措施，努力提高了有效热效率（目前，有效热效率可达55%），取得了第二次飞跃。经过近几十年的发展，现代柴油机已经发展到一个较高的技术水平。当前柴油机的发展可以概括为：以节能为中心，充分兼顾到排放和可靠性要求，全面提高柴油机性能。今后的发展趋势大致为：提高经济性，包括燃烧、增压、低摩擦、低磨损等技术；降低柴油机排放，排放是现代柴油机面临的严重挑战，随着对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；提高可靠性和耐久性；电子控制技术的应用和研究；代用燃料技术。二冲程低速柴油机主要结构对于一台 MAN B&W的二冲程低速柴油机，一般共有 6575 个部套，共有一万多个零件组成，功率范围可从4S26MC机的1600KW 到 12K98MC-C机的68520KW，重量范围从 4S26MC 机的 29T 到 12K98MC-C 的2075T。机上各主要部件：1主要固定部件通常三大件，指机座、机架、气缸体另外还包括排气集管、扫气集管、链轮箱、空冷器体等。2主要运动部件通常指活塞组件、连杆十字头组件、曲轴其他运动部件包括凸轮轴组件、链传动机构、链轮、燃油和排气阀驱动机构、排气阀驱动液压油缸。3燃烧室部件：缸盖，排气阀组件，气缸套，活塞头等。4燃油喷射部件：喷油器，高压油泵，高压油管。5排气阀驱动部件：液压活塞、液压缸、液压油管。6操纵启动部件：主起动阀、启动阀、空气分配器、应急操纵台、（电子）调速器及控制系统、换向机构、