船舶动力系统2-1

船舶动力系统,第二章柴油机（1）,柴油机是一种“内燃机”能量转换：化学能热能机械能绝大多数舰船上都以柴油机作为主机和发电机的原动机,柴油机的分类,按工作循环分四冲程柴油机二冲程柴油机,按转速分低速机：1000r/min（活塞平均速度v9m/s）,按结构特点分类筒形活塞柴油机缺点：活塞裙部起向导作用，在侧推力的作用下，活塞与缸套磨损较大。优点：结构简单，紧凑，轻便用于中，高速柴油机,十字头活塞柴油机优点：活塞与缸套间无侧推力，侧推力由十字头滑块和导板承受，活塞和缸套磨损较小，不易擦伤和老死缺点：柴油机高度和重量大，结构复杂需在汽缸下部设横隔板，以免汽缸内的脏油，烟灰，燃气等漏入曲轴箱，污损曲轴箱底部的滑油用途：船用大型低速柴油机,筒形活塞式,十字头式,按照气缸数目单缸机多缸机,按照气缸排列方式分类直列V形,活塞连杆机构,上止点：e，活塞距离曲轴中心最远的位置下止点：c，活塞距离曲轴中心最近的位置活塞冲程（行程，S）：活塞上止点和下止点间的距离，S=2R,1气缸；2气缸盖；3活塞；4连杆；5连杆上轴承；（活塞销轴承）6连杆下轴承（曲柄销轴承）；7曲柄臂；8主轴；9主轴承；10飞轮,参考：柴油机名词解释.swf,压缩室容积（Vc）：活塞位于上止点时，活塞顶部与缸盖间的容积，又称燃烧室容积汽缸工作容积（Vh）：活塞上、下止点之间的容积称为一个汽缸的工作容积,汽缸的最大容积（Va）：活塞在下止点时，气缸的容积，即气缸工作容积与压缩容积的之和：Va=Vh+Vc汽缸的总容积V，总排量：室内燃机所有汽缸工作容积的总和V=Vh*i式中i气缸数,压缩比：汽缸最大容积/压缩室容积=1+Vh/VC机构参数，柴油机一般=11-20，过大or过小，柴油机的经济性均下降【汽油机8-12，点火】压缩比愈大，压缩终点的压力和温度愈高，易于着火起动；but过大，最高燃烧压力提高，机件受力增大，影响工作可靠性和使用寿命，压缩室容积减小，混合气形成和燃烧带来困难，机械效率降低压缩比愈小，压缩终点的压力和温度下降，燃油不易自燃、燃烧耗油量增加，功率下降，起动困难非增压高，增压小,燃烧室烧蚀，压缩比减小；轴承磨损，压缩比减小调整方法：1）缸盖垫片厚度：减薄，压缩比增大。2）船用连杆大端垫片厚度：减薄，压缩比减小3）,船用连杆的杆身于大端分开，用螺栓联接。1船用连杆大端垫片改变垫片厚度，相当于改变连杆长度，达到调整压缩比的目的（可用于使柴油机各缸压比一致，或改变压比）增加连杆长度，压缩室容积减小，压比增加,1,2,c,h,柴油机的基本结构,运动件：活塞、连杆、曲轴飞轮,固定件：机座、机架、缸套、主轴承、缸盖、贯穿螺栓,系统部分：燃油系统、配气系统、润滑系统、冷却系统、操纵系统、增压系统,WARTISA四冲程柴油机结构剖分图,四冲程柴油机工作原理,柴油机的一个工作循环：由进气、压缩、燃烧、膨胀、排气5个过程完成四冲程柴油机：活塞走完4个行程才完成一个工作循环的柴油机,柴油机工作原理.flv,第一行程：进气使气缸中充入新鲜空气p=0.085-0.095MPa，压力大致保持不变第二行程：压缩气缸容积，温度近上止点时，p34MPa，600700喷入柴油柴油在高温下自行发火,第三行程：工作行程，燃烧膨胀燃油剧烈燃烧，急剧，p68Mpa，14001800膨胀作功，容积p,p0.250.45Mpa，600700第四行程：排气燃气排出气缸，为下次循环做准备,只有一个冲程作功,其他三个冲程靠惯性完成发动机的输出端加飞轮，增加惯性，运行平稳性增加单缸发动机飞轮转动惯量大,进气行程，进气阀提前打开、延后关闭1a：进气准备。原因，气阀不能瞬时全开，初始时气流流通面积小ab：活塞从上止点下止点，p大气压力b2：补充进气。利用内外压差，多进气，且气阀不能瞬时全关,a,b,喷油提前角：由于柴油存在发火延迟期（0.0010.005秒）在上止点前1035度曲柄转角时开始将雾化的的燃料喷入汽缸,排气行程，排气阀提前打开、延后关闭5c，为减小排气上行的时的缸内压力，提前开启排气阀ca：活塞上行，强制排气a6：排气流有惯性，利用惯性，尽可能排气,a,c,正时（定时）：以曲柄上下止点为基准，用曲柄转角表示的进排气阀、喷油器、起动阀刚刚开启和完全关闭的时刻正时圆周（定时图）：将柴油机的各种正时，以曲柄上下止点为基准，按一定的转向，用曲柄转角位置来表示在同一个圆上的图形。,四冲程机正时图,进气阀开,进气阀关,排气阀开,排气阀关,喷油开始,起动开始,起动结束,气阀重叠角：进、排气阀同时开启，这段时间用曲轴转角来表示，称为气阀重叠角排气快终了时，废气流有惯性，且惯性流在燃烧室内造成一定的低压，帮助抽吸新鲜空气充入气缸气阀重叠角不会引起废气倒灌气阀重叠角有利于提高换气质量、降低热负荷,四冲程中吸、排气阀的正时吸气过程：ab，220-250，开始时，曲柄在上止点前10o左右（点a），吸气阀开启，曲柄过下止点后20o左右（点b），吸气阀关闭压缩过程：bd，140-160点c时开始向气缸中喷油，燃油点燃燃烧膨胀过程：cde排气过程：ef，210-240，曲柄在下止点前35o左右（点e），排气阀开启，点f排气阀关闭,四冲程柴油机正时圆周（曲柄的回转角度）参考：四冲程正时.swf,四冲程中吸、排气阀的正时早开晚闭进气阀气阀不能瞬时全开，且开启之初流通面积小，则进气早开气阀不能瞬时全闭，且利用气缸内外压差多进气，进气晚闭,四冲程柴油机正时圆周（曲柄的回转角度）参考：四冲程正时.swf,排气阀为减小活塞上行的背压，则排气阀提前开利用惯性尽量排尽废气，晚闭,四冲程柴油机正时圆周（曲柄的回转角度）参考：四冲程正时.swf,四冲程柴油机，吸气和排气过程长；燃烧、膨胀和压缩过程短点a点f，吸气阀和排气阀同时开启排气快终了时，废气流有惯性，且惯性流在燃烧室内造成一定的低压，帮助抽吸新鲜空气充入气缸气阀重叠角不会引起废气倒灌,四冲程柴油机正时圆周（曲柄的回转角度）参考：四冲程正时.swf,进、排气阀开闭不能任意提前或迟后进气阀开启过早，废气将通过进气阀冲入进气管，产生废气倒灌进气阀关闭过晚，活塞上行会使部分新鲜空气向外排出，降低压缩压力排气阀打开过早，会使有效功损失增大排气阀关闭太迟，会使废气重新吸入,增压时，气阀重叠角加大（进气提前角、排气滞后角增加；喷油提前角减小）,换气机构,换气机构：保证按规定顺序和时刻完成进、排气过程的机构功能：实现对柴油机换气过程的控制。即依照柴油机各气缸的工作次序，定时地打开或关闭进排气阀。以保证气缸里废气的排除和新鲜空气的充入。组成：气阀机构、气阀传动机构、凸轮和凸轮轴传动机构,四冲程柴油机吸、排气阀的正时启闭机构,凸轮轴由曲轴通过齿轮传动，曲轴回转两转，凸轮轴回转一转正确地将凸轮轴与曲轴的相对回转位置配合好，凸轮可按照要求定时地开闭气阀,气阀传动机构1凸轮；2顶杆；3摇臂；4气阀杆；5气阀,参考：气阀凸轮传动.swfV型机凸轮轴与推杆.swf柴油机机体.flv,凸轮轴,挺柱,推杆,摇臂,凸轮轴正时齿轮,摇臂轴,飞轮,活塞,活塞环,连杆,曲轴,凸轮轴,气门摇臂,气门顶杆,正时齿轮,中间齿轮,曲轴齿轮,凸轮轴由曲轴带动四冲程机，凸轮轴与曲轴转速比为1：2二冲程机，凸轮轴与曲轴转速比为1：1传动方式齿轮传动：传动平稳，可靠、耐久，但结构复杂，要求严格链条传动：结构简单，但链条加工要求高，易断裂、松动，不可靠,凸轮传动机构,链条传动（四、二冲程）,齿轮传动（四冲程）,【总结】四冲程柴油机四冲程柴油机完成一个循环，活塞往复4个行程，曲轴回转2转（720o），吸气阀、排气阀各启、闭一次每个循环中，只有工作行程（第3行程）作功。其它3个行程都是为工作行程服务的，都要消耗功（压缩气体，克服进、排气阻力）柴油机转速不均匀运动零件受到冲击，磨损严重柴油机上必须安装飞轮（单缸机飞轮尺寸、质量相当大），利用飞轮的转动惯量，使曲轴在四个行程中连续、均匀运转。,并列连杆机.swf,二冲程柴油机工作原理,二冲程柴油机：5个工作过程在活塞的2个行程中完成的柴油机活塞2冲程，曲柄1周360度结构特点：全部或部分取消进、排气阀，而采用气口换气，或者是二者兼而有之二冲程柴油机没有独立的进气和排气过程，进气、排气过程重叠，在下止点前后约120150内同时进行,单缸2冲程柴油机.swf,图为采用特设的活塞式扫气泵的二冲程柴油机（横流换气）扫气泵活塞，柴油机的曲柄连杆机构带动,扫气泵气缸a扫气泵吸入阀b排出阀c扫气箱d扫气口e排气口f排气管g,空气准备：空气泵吸入阀b泵气缸a压缩泵排出阀c扫气箱d换气过程：l234膨胀行程中，活塞下行点1处排气口出废气出P点2处扫气口出d中空气入（进、排气同时进行）到下止点活塞上行点3除扫气口闭点4处排气口闭压缩、燃烧和膨胀过程为保证先进行自由排气，排气口f略高于扫气口e,扫气泵气缸a扫气泵吸入阀b排出阀c扫气箱d扫气口e排气口f排气管g,该类型柴油机正时圆数据：约上止点前6o开始喷油，上止点后36o燃烧结束扫、排气口的开闭时刻分别为下止点前后40o和30o左右,扫气泵气缸a扫气泵吸入阀b排出阀c扫气箱d扫气口e排气口f排气管g,1）直流扫气：气缸盖上装有排气阀，气缸套下部设周围均匀开设一圈有一定倾斜角的扫气口优点：排气干净，换气质量好，不易混气。适用于超长行程机；缸套、活塞受热均匀，不易变形和产生裂缝。缺点：有排气阀，结构复杂现代船用大型柴油机主要换气形式二冲程.swf,二冲程柴油机的换气形式,2）横流扫气：气缸盖没有排气阀，扫气口与排气口布置在气缸下部圆周两侧，排气口高于扫气口。新气由一侧扫气口进，同时将废气从对面排气口逐出优点：结构简单，管理方便。缺点：活塞上行，先关扫气口后关排气口，形成过后排气，损失部分新鲜空气，扫气有死角，易新、废气混合，且两侧气缸受热不同，易产生变形，校中时活塞中心线偏向排气口的对侧。前例,3）回流扫气：气缸盖无排气阀，由扫气口和排气口进气、排气。扫气口、排气口在气缸同一侧，排气口在上。气口与气缸在纵、横方向均有倾斜角，以控制气流方向。新气由扫气口进，先冲向对缸壁，折回转向上，驱赶废气，再回向下，将废气从排气口逐出。,优点：结构简单，扫、排气口位于同侧，便于增压器管理布置。缺点：路程长，换气差，新废气易混2q01.swf,【结论】：二冲程柴油机结构上，全部或部分取消进、排气阀二冲程柴油机曲柄1个回转中作功1次，四冲程机曲柄2个回转中作功1次气缸尺寸和转速相同时，理论，P二冲程机=2P四冲程机实际，P二冲程机=(1.61.7)P四冲程机二冲程机扭矩均匀性较好，运转平稳，可用小飞轮,换气时间,二冲程机短换气质量差柴油机转速高，换气质量更差二冲程机的效率比四冲程机低。船用低速柴油机均为二冲程机，而中速和高速柴油机均为四冲程机二冲程机热负荷高活塞、气缸盖、气缸、气阀温度高,具有两个或两个以上气缸，各缸活塞连杆机构都连接在同一曲轴上的柴油机每个气缸的工作过程与单缸机一样同一时刻，各缸所进行的工作过程不相同，各缸工作过程相互间隔一定的曲轴转角根据气缸数目和曲柄排列方式的不同，各缸按照一定的顺序工作,多缸柴油机,对某一气缸来说，除“燃烧膨胀行程”外，所需的能量由其它缸供给多缸结构，可提高柴油机运转均匀性常用4缸、6缸、8缸、12缸、16缸,组合曲柄.swf柴油机基本工作原理.flv,为保证柴油机运行的均匀性，各缸工作冲程应均匀分布在一个工作循环中。即，各缸发火顺序间隔角为(i:缸数)=720/i(四冲程）=360/i(二冲程)【如】，四缸四冲程柴油机，4个缸应间隔（720/4=180）发火缸数越多，做功间隔角越小，同时参与做功的气缸数越多，发动机运转越平稳,曲柄布置：多缸发动机曲轴的连杆轴颈互相之间的角度和距离大多数多缸发动机的曲柄排列可使曲轴系统自身实现外部平衡由于多缸各缸应按均匀间隙轮流工作，为使曲轴受力均匀和运转平稳，为使活塞、连杆和曲轴在运动中产生的惯性力得到平衡曲柄布置须对称,单列柴油机曲柄的排列，各缸曲柄曲轴转角间隔与发火间隔角相同，=720/i（或=360/i）。各缸曲柄按此布置成不同的角度（见左图）V型发动机相当于共用一根曲轴的两台单列发动机。但V型发动机发火间隔与V型夹角K有关。通常按均匀发火间隔来确定汽缸夹角。,二冲程6缸,四冲程6缸,曲柄的排列曲轴的曲柄都是以气缸的号数命名的。气缸的排号有两种方法，一种是由自由端排起，另一种是由动力端排起。我国和大部分国家都是采用自由端排起曲柄的排列是由气缸的发火间隔角和发火顺序决定的，而气缸的发火间隔角和发火顺序要按照下列原则决定：1)柴油机的动力输出要均匀，即发火间隔角要相等。这样，相邻发火的两个缸的曲柄夹角,二冲程柴油机为360i，四冲程柴油机为720/i。i为柴油机气缸数。2)要避免相邻的两个缸连续发火以减轻相邻两缸之间的主轴承的负荷。为此，最好在柴油机首、尾两端轮流发火。,3)使柴油机有良好的平衡性。柴油机在往复惯性力与惯性力矩、离心惯性力与离心力作用下要产生振动。曲柄合理排列可使引起振动的力和力矩减至最小4)注意发火顺序对轴系扭转振动的影响。发火顺序不同，各段轴上扭矩的交变情况也不同,对轴系扭转振动的影响也不同。要力求减轻扭转振动。5)脉冲增压式柴油机中，为了防止排气互相干扰，各缸舶排气管要分组连接。,【例】四冲程四缸机，曲柄夹角=720/4=180度。1、4同位置，相差360度，2个发火间隔角；2、3同理,各缸的发火顺序可为：1-3-4-2（第一缸发火以后，依次为第3、4、2缸的顺序相继发火），也可按1-2-4-3的发火顺序工作。当第1、4缸内的活塞到上止点时，1#作功行程，4#缸行吸气行程，而3#压缩行程，2#排气行程,【例】六缸四冲程，发火间隔角=720/6=120各曲拐平面间的相互夹角也为120。即1-6，2-5，3-4同位置，差360度，3个发火间隔角。直列各缸发火顺序一般153624或124653既能保证发动机有较好的运转均匀性和平衡性，又不使相邻两气缸连续发火（最好在柴油机首、尾两端轮流发火），对曲轴主轴承的工作有利,6缸二冲程柴油机，各缸曲柄夹角为60o，发火次序即为162435,柴油机的增压,增压技术是提高柴油机功率最有效的措施之一提高柴油机功率的措施：增加工作容积，即加大缸径、行程、气缸数量but，加大柴油机的总质量和总尺寸，增加造价，维修造成困难增加单位时间内的工作循环次数，即提高转速、采用二冲程柴油机but，使柴油机机械负荷、热负荷增加，充气系数、机械效率下降，使燃烧恶化，影响工作可靠性和使用寿命提高平均有效压力，即提高缸内平均指示压力和机械效率机械效率变化范围小，主要应提高缸内指示压力,增加每工作循环的喷油量，能提高pi，但应相应增加气缸充其量，以确保燃油完全燃烧气缸工作容积不变的条件下，增肌气缸充其量，必须增加进气密度增压器（即空气压缩机）：压缩空气，提高空气密度提高冲入气缸的空气量提高空气的压力，需要消耗功空气的压力提高得越高，所耗功就越大。当增压的压力提高到某一定值以后，柴油机所提高的功率可能会全部消耗于空气的增压得不偿失,两类增压柴油机：废气涡轮增压柴油机：利用柴油机废气热能（约占30%37%燃油发热量）驱动涡轮机作功，带动压缩机机械传动增压柴油机,机械增压发动机输出机械能传动设备空气压缩机空气压力,涡轮,压气机,排气管,进气管,轴,涡轮：废气带动叶轮转动，工质热能机械能压气机：压缩空气，机械能压力能,废气涡轮增压,废气涡轮增压,a扫气口；b排气阀；c喷油器；d废气涡轮机；e压气机；f空气吸入口；g导管；h扫气箱；i扫气室；j排气管；k空冷器,增压器基础.flv涡轮增压.swf,二冲程直流扫气式柴油机废气涡轮增压气缸排气排气阀废气涡轮叶轮回转压气机叶轮回转压气机吸入空气、压缩扫气箱高压空气进入气缸工作,增压可应用在二冲柴油机，也可应用在四冲程柴油机船用主机和发电机原动柴油机全部采用废气涡轮增压,采用废气涡轮增压后，柴油机本身的各工作循环过程不变，but空气量，if喷油量相应功率,柴油机的结构,缸盖燃烧室部件缸套活塞组件主要零部件连杆曲柄连杆机构曲轴主轴承主要固定件：机架、机座、贯穿螺栓,单体式气缸盖,整体式气缸盖,作用：（1）组成燃烧室（2）安装喷油器、进、排气阀、启动阀、示功阀、安全阀等附件（3）构成冷却水通道和进、排气通道,气缸套作用：（1）组成燃烧室（2）四冲