船舶柴油机概述

一、柴油机的基本概念,使用挥发性较差的柴油或劣质燃料油作燃料；采用内部混合法形成可燃混合气；缸内燃烧采用压缩式发火。,柴油机的优点,1经济性好。2功率范围宽广3尺寸小，重量轻4机动性好5适应船舶航行的各种工况要求,柴油机的缺点,振动和噪音工作条件恶劣,柴油机是一种压缩发火的往复式内燃机。,常用术语,柴油机根据其活塞在气缸中所处的位置不同，通常采用下列名词述语：1）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，俗称上死点。2）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，俗称下死点。3）冲程（行程）指活塞从上止点到下止点间的直线距离，常用S表示。它等于曲柄半径R的两倍（S=2R）。活塞移动一个冲程相当柄曲转动180。4）缸径气缸内径，常用D表示。,5）压缩容积活塞在气缸内位于上止点时，在活塞顶上的全部空间（活塞顶与气缸盖底面之间所包含的空间），称为压缩容积，以Vc表示。6）气缸工作容积活塞在气缸中从上止点移到下止点时所经过的空间。又称为活塞排量，以Vs表示：7）气缸总容积活塞在下止点时，活塞顶以上的气缸全部容积叫做气缸总容积，以Va表示:8)压缩比气缸总容积与压缩容积之比值(柴油机1119、汽油机5.57.5),二、柴油机的分类,6增压柴油机和非增压柴油机,1、低速、中速和高速柴油机,2筒形活塞式和十字头式柴油机,3直列式和V型柴油机,4右旋和左旋柴油机,5可逆转和不可逆转柴油机,低速、中速和高速柴油机,低速柴油机300r/minVmm/s中速柴油机3001,000r/minVmm/sm/s高速柴油机n1,000r/minVm9m/s,（活塞平均速度）,筒形活塞式,十字头式,直列机,V型机,三柴油机工作原理,1、柴油机理论循环和实际循环,2、四冲程柴油机工作原理,3、二冲程柴油机工作原理,4、二冲程柴油机的换气形式,（1）柴油机理论循环,1）柴油机理论循环和实际循环,定容加热循环,定压加热循环,混合加热循环（现代柴油机循环）,继续膨胀循环,理论循环的热效率,式中：压缩比压力升高比初期膨胀比工质绝热指数,（2）柴油机实际循环,6其他损失,1工质的影响工质的成分变化；工质比热的变化；工质的高温分解；工质分子数的变化,2气缸壁的传热损失,3换气损失,4燃烧损失,5泄漏损失,柴油机的循环是通过进气、压缩、工作（燃烧及膨胀）、排气四个过程来实现的。这样四个连续的过程就称为柴油机的一个工作循环。四冲程柴油机的一个工作循环是在活塞的四个冲程（即曲轴旋转两周）内完成的。下图分别表示四冲程柴油机四个冲程进行的情况和活塞等部件的有关动作位置及PV图上的表示线段。第一冲程进气冲程，曲柄转角表示进气过程。第二冲程压缩冲程，压缩过程用曲柄转角表示。第三冲程工作（燃烧及膨胀）冲程，工作（燃烧与膨胀）过程用曲柄转角表示。第四冲程排气冲程，排气过程用曲柄转角表示。,2、四冲程柴油机工作原理1)工作循环过程,四冲程柴油机工作原理,220250,140160,pc=36MPatc=500700,pz=58MPatz=15002000,230260,pb=0.30.6MPatb=600700,2）工作循环特点a)四冲程柴油机完成一个工作循环，曲轴回转两周，活塞移动四个冲程完成。b)每个工作循环中只有工作冲程（燃烧及膨胀冲程）是做功的，在这个冲程里完成了燃料化学能转变为热能和热能转变为机械功的两次能量转换。c)其它三个冲程都是为工作冲程作准备，都需要外界供给能量，因此柴油机常做成多缸的，这样，进气、压缩、排气冲程所需的能量可由其它正在工作冲程的气缸供给。如果是单缸柴油机，则可由较大的飞轮供给，即在工作冲程时，柴油机带动飞轮旋转加速，依靠飞轮的旋转惯性，带动柴油机完成其它三个冲程。,气阀定时和气阀重叠角,气阀重叠角：同一气缸的进、排气阀在上止点前后同时开启的曲轴转角,气阀定时：进、排气阀在上、下止点前后启闭的时刻,作用：提高换气质量；减少排气耗功实现燃烧室扫气,气阀定时圆图,3、二冲程柴油机工作原理二冲程柴油机把进气、压缩、燃烧及膨胀、排气过程紧缩在活塞的两个冲程内完成，使曲轴每旋转一周就完成一个循环。,1)基本原理二冲程柴油机的特点是没有专门的排气冲程和进气冲程，它的排气与进气是在膨胀冲程末及压缩冲程之初进行的，其废气的排出除了一部分自由泄放外，剩余部分则是靠压入气缸的新鲜空气来把废气扫出去的。为此，必须采用专设的扫气泵，以便增加进入的新鲜空气压力，以将剩余废气扫出气缸，这个过程就称为“换气过程”又叫“扫气过程”。扫气泵可采用罗茨泵、活塞泵等。由于采取扫气代替柴油机活塞来完成进、排气过程，因此每一个工作循环减少了两个辅助冲程，能在每两个冲程内得到一个做功冲程，这就大大提高了柴油机做功能力。,2)扫气方式按照扫气方式的不同，二冲程柴油机又在几种形式，常见的有直流扫气和横流扫气（a直流扫气、b横流扫气）。,横流扫气口,3）工作循环过程（直流扫气二冲程柴油机）第一冲程扫气及压缩。活塞自下死点向上移动时活塞在遮住扫气口之前，扫气空气通过扫气口进入气缸，扫气空气是由柴油机带的扫气泵供给的。气缸中残存废气被扫气空气从排气阀中排出。活塞继续上行，先遮住扫气口（曲柄在点f的位置），空气停止充入，接着排气阀关闭（点a），气缸中的空气就开始被压缩，压缩至上死点（点b）前一些（点b）喷入燃油，燃油在高温高压下自行发火燃烧。,第二冲程燃烧膨胀及排气。活塞在燃气的高压作用下向下运动，由于气缸容积增大，压力开始下降，在上死点后某一时刻（点c位置）燃烧结束，直到排气阀打开（点d），排气阀打开时间比扫气口打开更早，扫气口开启前，压力较高的大量废气便从排气阀排出。气缸内的压力迅速下降到稍高于扫气空气的压力，当扫气口开启（点e）后，扫气空气进入气缸，同时把气缸内的废气从排气阀挤出去，扫气过程一直持续到下死点（点f）后活塞将扫气口全部遮住（点f位置），排气阀关闭（点a）为止。活塞继续运动，又开始了下一个循环。,4)工作循环特点,a）二冲程柴油机能在每两个冲程内（每曲轴转一转）得到一个作功冲程。这就提高了柴油机的作功能力，对于二台气缸尺寸及转速相同的柴油机，二冲程的功率似乎应比四冲程的大一倍，但实际上由于二冲程柴油机热负荷比四冲程发动机严重，加上气口损失以及扫气所耗的功率影响等，所以功率只为四冲程的1.61.8倍。显然，如果发动机功率相同则二冲程柴油机的重量较轻。b）在构造方面，二冲程柴油机较四冲程的简单一些，特别是横流扫气式二冲程柴油机，它完全省去了气阀及其传动装置，所以二冲程柴油机的维护，保养就简单得多。c）由于二冲程柴油机在活塞的二个过程内就完成一个循环，做一次功，因而它的回转要比四冲程柴油机均匀。,二冲程柴油机虽然有以上优点，但也存在一些缺点，其换气过程远没有四冲程进行得那样完善，气缸内废气的清除和新气的充入都较四冲程困难得多。此外，二冲程柴油机进入气缸的新气在排气口开启着的时候，要随同废气一起泄出一部分，这就增加了新气的消耗量，从而损失了柴油机的一部分功率。,2.增压的分级按照增压压力的高低，增压可分为低、中、高三级：低增压：中增压：高增压：,1.增压的概念所谓“增压”就是将进入气缸前的新鲜空气的压力提高，因此在同样的气缸容积下，可以吸入更多的空气量。这样就可以保证燃烧更多的燃油从而提高了柴油机的功率。,5)柴油机的增压,3.增压的方法目前柴油机所采用的增压方法，主要有机械增压和废气涡轮增压二种。,机械增压齿轮传动的离心式机械增压器的示意图，增压器是直接由柴油机本身通过齿轮或链条来带动的。,废气涡轮增压废气涡轮增压的示意图。,机械增压的柴油机中，增压压力一般不能太高（以不超过0.160.17MPa为宜），因为增压压力过高将引起增压器消耗功率过大而降低柴油机的经济性。废气涡轮增压柴油机中，带动增压器的功率完全由废气涡轮供给，并不消耗内燃机的有效功率，因此可采用较高的增压度，增压比可达3.54。从而使柴油机平均有效压力大大提高，燃料消耗率下降，所以在增压柴油机上被广泛应用。,两种增压方法的比较,五柴油机的性能指标和工作参数,柴油机的性能通常可以从动力性、经济性、运转性、可靠性和耐久性加以衡量。为了分析比较柴油机的工作性能和质量的好坏,常用一些工作参数把它的全貌综合地反映出来。柴油机的工作参数主要有动力参数和经济性参数、重量和外形尺寸指标、排气污染指标等。本节着重分析动力性和经济性指标。1、指示指标2、有效指标3、其它常用参数,1、指示指标,1）平均指示压力2）指示功率3）指示热效率和指示油耗率b(),指示指标：以气缸内示功图所表示的工作循环指示功为基础，主要用来评定缸内工作循环的完善程度。,示功图概念：图所示，用PV图表示柴油机一个工作循环内气缸中燃气压力随活塞位移而变化的情形。纵坐标表示气缸内的气体压力P，横坐标相当于活塞行程的气缸容积V。气缸内气体的压力和容积是同时变化的，我们可以用示功仪器测量出来。因此，PV图可用来研究柴油机工作过程进行的情况，并可用来算出柴油机完成一个工作循环所作的功，所以把PV图称为示功图。燃烧膨胀所作的功，减去其他过程所消耗的功，就是柴油机一个循环向外输出的功（图中阴影线所包围的面积）。,假定有一个在整个活塞行程内不变的压力作用在活塞上,使活塞在一个行程内所作的功与闭合循环（即阴影线所包围的面积）所作的功相等，如图所示,则这个假定不变的压力称为平均指示压力Pi（MPa）。它代表了在实际循环中每单位气缸容积所做的功。表示气缸内气体工作循环所做功的大小。一般计算时,平均指示压力的单位用MPa，以Pi表示。Vs气缸工作容积,m3。平均指示压力Pi是指发动机工作循环中每单位气缸工作容积所做的指示功，平均指示压力愈高，标志着发动机气缸工作容积利用程度愈佳。,1、平均指示压力pi,一般平均指示压力,四冲程非增压：0.651.05Mpa四冲程增压：0.93Mpa二冲程非增压：0.620.9Mpa二冲程增压：0.92.0Mpa,指示功率是指柴油机气缸内的工质在单位时间内所作的指示功(kW)柴油机每个气缸每个工作循环工质所作的指示功,2、指示功率Pi,式中:n曲轴每分钟转数r/min；冲程系数，四中程=1/2，二冲程=1；Pi平均指示压力Pa；Vs气缸工作容积m3；i气缸数。,kW,提高功率Ni的方法a)增大缸径D体积和重量增加，造价增加，维护和修理较复杂。b)增大冲程S体积和重量增加，造价增加，维护和修理较复杂。c)增大转速n受到活塞的平均速度所限制，因为速度越高将增加零件的磨损，运动部件的惯性力以及气缸的热应力等，这些将影响柴油机的寿命，对于二冲程柴油机将影响到换气。d)增加气缸数i缸数增多使结构复杂，制造和维修困难。因此最有效的方法是提高Pi值也即是提高增压力的方法。,指示效率i在柴油机里，每循环喷入气缸中的燃油，并不都能作功。因为在完成一个循环时有许多损失，如由于燃烧不好而引起的不完全燃烧的损失；传给气缸壁气缸盖等受热零件而由冷却水带走的热量损失；由排气所带走的热量损失，以及由于气缸漏气所造成的热量损失等，这些都是热量的损失。通常是用指示效率i来表示损失的大小。,指示效率和指示耗油率,式中:Li气缸中每循环所作的指示功，J；Qi每循环喷入气缸的燃油所能发出的热量，J。,式中:GT每小时所消耗的燃油量，kg/h。,指示耗油率gi它代表每一指示千瓦小时所消耗的燃油量。,很明显，指示耗油率gi愈大，即表示为了在气缸里作出一千瓦小时的功所消耗的燃油愈多。这就说明工作循环进行得不好，热损失大，当然这时的指示效率i也就愈低。所以i、gi是表示工作循环进行得好坏的指标。,Ni柴油机的指示功率，kW。,2、有效指标,1有效功率Pe和机械效率m2平均有效压力pe3有效热效率e和有效油耗率be,有效指标是以在柴油机输出轴上所得到的有效功为基础的，它既考虑热损失也考虑机械损失，它是评定柴油机工作性能的最终指标。,1、有效功率Pe和机械效率m,有效功率从柴油机曲轴飞轮端传出的功率，用Pe表示。（kW）,机械损失功率作用在活塞上的指示功率传递到曲轴的(有效功率)过程中所损失的功率。（1）摩擦损失（2）拖动损失（3）泵气损失=e,机械效率是有效功率与指示功率Pi之比值,现代船用柴油机在额定工况下值：,影响机械效率的因素：柴油机负荷转速滑油温度冷却水温度,四冲程非增压柴油机约为：0.750.85；,四冲程增压柴油机约为：0.800.92；,二冲程非增压柴油机约为：0.730.862；,二冲程增压柴油机约为：0.800.95,2、平均有效压力pe,平均有效压力pe是柴油机在每一工作循环每单位气缸工作容积所作的有效功：pepimpepip,pe的数值取决于工作循环进行的完善程度和机械损失的大小，它是衡量柴油机作功能力的重要参数。,二冲程增压柴油机：pe0.71.5Mpa,二冲程非增压柴油机：pe0.420.65Mpa,四冲程增压柴油机：pe0.752.5Mpa,四冲程非增压柴油机：pe0.521.0Mpa,3、有效燃油消耗率be和有效热效率e,有效油耗率是每一千瓦有效功率每小时所消耗的燃油量，单位是kg/kwh,有效热效率是指曲轴有效功与所消耗的热量之比，,式中:GT每小时所消耗的燃油量，kg/h。,Pi柴油机的指示功率，kW。,功率名称及定义,陆用柴油机采用三级功率标定1）额定功率：大气压760mm水银柱，气温20，相对湿度50%时，柴油机带消音器、冷却水泵、滑油泵、充发电