船舶机电基础PPT教材和课后练习之————第二、三章

1、学习目标知识目标：1. 能正确叙述柴油机的基本结构参数以及柴油机的优缺点2. 初步掌握各种常见类型的柴油机的工作原理3. 了解柴油机的主要部件的组成、工作原理和功用4. 熟悉船舶操纵控制系统各组成部分的结构、工作原理及功用5. 能正确叙述船舶轴系的组成、作用及轴线的布置6. 能正确叙述船舶传动轴系的结构能力目标：1. 熟悉船舶动力装置的基本组成部件；2. 熟悉柴油机的类型、能基本识别柴油机主要部件。3. 基本熟悉船舶操纵控制系统，初步具有操作柴油机的能力4. 能识别船舶传动轴系第二章 船舶动力装置第一节 柴油机的基本概念一、 概述1热机所谓热机是指把热能转换为机械能的动力机械。根据燃料燃烧场所

2、的不同，热机可分为外燃机和内燃机两大类。外燃机燃料的燃烧发生在机器的外部，而热能转变为机械能发生在机器内部。由于热能需经中间工质（蒸汽）传递，必然存在热损失，所以外燃机的热效率不高。典型的外燃机有蒸汽机、汽轮机和燃气轮机等。内燃机燃料的燃烧发生在机器的内部，它以燃气为工质，直接利用燃烧产生的高温高压燃气在气缸中膨胀做功（热能转换为机械能）。由于内燃机的两次能量转换过程都发生在气缸内部，能量损失小，所以其热效率较高。典型的内燃机有柴油机、汽油机、煤气机等。2柴油机柴油机是一种压缩发火的往复式内燃机。它使用柴油或劣质燃油做燃料，采用内部混合法形成可燃混合气，缸内燃烧采用压燃式，即靠缸内空气压缩形成

3、的高温自行发火。这些特点使柴油机在热机范畴内具有最高的热效率，因而柴油机在工程界得到了广泛的应用，尤其在船用发动机中取得了绝对领先地位。柴油机在船舶上除用作主推进发动机（主机）外，还广泛用作发电机的原动机、动力型救生艇发动机、应急发电机原动机和应急消防泵原动机等。3柴油机的优缺点与其他热机相比，柴油机具有如下优点：(1) 经济性好、热效率高。有效热效率达到50以上，可使用劣质燃料，耗油率低，燃料费用低。(2) 尺寸小、重量轻，有利于船舶机舱布置。(3) 功率范围广。能满足不同类型、不同尺寸船舶的使用要求。(4) 机动性好。启动方便，加速性能好，有宽广的转速和负荷调节范围，并可直接反转，能适应船

4、舶航行的各种要求。同时，柴油机也具有以下缺点：(1) 存在着振动和噪声；(2) 某些部件的工作条件恶劣,高温高压并有冲击性负荷。二、 柴油机的基本结构参数（图2-1）(1) 上止点（T.D.C）：活塞在气缸中运动到离曲轴中心线最远的位置。(2) 下止点（B.D.C）：活塞在气缸中运动到离曲轴中心线最近的位置。(3) 曲柄半径（R）：曲轴主轴径中心线与曲柄销中心线的距离。(4) 行程(S)：活塞从上（下）止点移动到下（上）止点的直线距离。它等于曲轴曲柄半径的两倍(S=2R)。活塞移动一个行程，相当于曲轴转动180CA（曲轴转角）。(5) 缸径（D）：气缸的内径。(6) 压缩室容积（VC）：活塞在

5、上止点时，活塞顶面以上的全部空间（活塞顶、气缸盖底面与气缸套表面所包围的空间）容积，亦称气缸余隙容积或燃烧室容积。上止点下止点图2-1 柴油机基本结构参数(7) 气缸工作容积（Vh）：活塞在气缸中从上止点移动到下止点时所扫过的容积VhD2.S/4 （8）气缸总容积（Va）：活塞在气缸内位于下 止点时，活塞顶面以上的全部气缸容积。 显然 ： VaVhVC（9）压缩比（）：气缸总容积与压缩室容积 之比值。亦称几何压缩比。 Va/ VC（VhVC）/ VC1Vh/ VC 压缩比是柴油机的一个重要性能参数，它表示 气缸内空气被活塞压缩的程度。压缩比越大，压缩 终点的压力和温度就越高，燃油就越容易燃烧，

6、柴油机就越容易起动。压缩比对柴油机的燃烧、热效率、起动性能和机械负荷都有一定影响，其大小随柴油机的型式而定，一般柴油机的压缩比在1120之间。第二节 柴油机的工作原理 柴油机的基本工作原理是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中膨胀推动活塞作往复运动，再通过活塞连杆曲柄机构将活塞往复运动转变为曲轴的回转运动，从而带动工作机械。 根据柴油机的工作特点，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。柴油机每完成从进气到排气这五个过程一次称为一个工作循环，然后进入下一个工作循环，从而周而复始的运行下去。 如果柴油机的一个工作循环分别在四个活塞行

7、程中完成（即曲轴回转720A），称为四冲程柴油机。若柴油机的一个工作循环分别在二个活塞行程中完成（即曲轴回转360CA），称为二冲程柴油机。 一、四冲程柴油机的工作原理 1、四冲程柴油机工作过程 第一行程：进气冲程。 如图2-2所示，活塞从上止点下行，进气阀a已打开，由于气缸容积的不断增大，缸内压力下降，依靠缸内气体与大气的压差，新鲜空气经进气阀a被吸入气缸。进气阀一般均在活塞到达上止点前即提前打开（曲柄位于点1），进气阀提前在上止点前开启的曲轴角度称进气阀开启提前角，活塞到下止点后延迟关闭（曲柄位于点2），进气阀延迟在下止点后关闭的曲轴角度称进气阀关闭延迟角。曲轴转角12（图中阴影所占的角度

8、表示进气持续角）为进气冲程，约为220250CA ，其作用是使气缸内充满新鲜空气。 第二行程：压缩行程。 活塞从下止点向上运动，自进气阀a关闭（点2）开始对气体进行压缩，一直到活塞到达上止点（曲柄到达点3）为止。第一行程吸入的新鲜空气经压缩后，压力增高到36MPa，温度升至600700（燃油的自燃温度为210270）。压缩终点的压力和温度分图22 四冲程柴油机工作原理图别用符号pc和tc表示。在压缩过程的后期，喷油器在活塞运行到上止点前某一角度（喷油提前角）将燃油喷入气缸，使高压燃油与高温空气混合、加热，并自行发火燃烧。曲柄转角23表示压缩过程，约为140160CA。压缩行程的作用是通过活塞的

9、压缩，使气缸内的空气达到一定的压力和温度，从而为燃油的燃烧和工质的膨胀作功创造条件。 第三行程：燃烧和膨胀行程。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，（至达到14MPa以上），温度约为14001800或更高些。将燃烧产生的最高压力称最高爆发压力，用Pz表示，最高温度用tz表示。高温高压的燃气（即工质）膨胀推动活塞下行而作功。由于气缸容积逐渐增大，而压力下降，在上止点后的某一时刻（曲柄位于点4）燃烧基本结束，膨胀一直持续到排气阀b开启时结束。膨胀终了时缸内气体压力Pb 约为0.250.45MPa，温度tb约为600700。由于排气阀流通截面积在开启

10、过程中只能逐渐地增大，因此与进气阀相同，排气阀b总是在活塞到达下止点前(点5)提前开启，实现充分排气。曲柄转角345表示燃烧和膨胀，约为140160CA。其作用是将燃油燃烧产生的热能转变成机械能向外输出。第四行程：排气行程。为使下一循环的新鲜空气再次进入，应先将气缸内的废气排出。在上一行程末，排气阀b开启时活塞尚在下行，废气靠气缸内外压力差经排气阀排出，当活塞由下止点上行时，剩余废气可被上行活塞强行推挤出气缸，此时的排气过程是在略高于大气压力（约1.051.1大气压）且在压力基本不变的情况下进行的。为使缸内废气排出得更干净，并减少排气过程的耗功，排气阀一直延迟到上止点后（点6）才关闭。排气过程

11、用曲柄转角56表示，约为230260CA。其作用是将作功后的废气排出气缸。进行了上述四个行程后，柴油机就完成了一个工作循环。当活塞继续运动时，另一个新的工作循环又按同样的顺序重复进行。四冲程柴油机每完成一个工作循环，曲轴要回转两转（凸轮轴回转一圈）。每个工作循环中只有燃烧膨胀行程对外作功，其它三个行程都是为燃烧膨胀行程服务的，都需要由外界供给能量。因此柴油机常做成多缸的，这样，进气、压缩、排气行程所需的能量可由其它处于作功行程的气缸供给。如果是单缸柴油机，那就由较大的飞轮储存和提供能量。图22下方PV图表示一个工作循环内气缸中气体的压力随活塞位移（或气缸容积）变化的情况，称pv示功图。可用来研

12、究柴油机工作过程进行的情况。并可用来计算柴油机一个工作循环的指示功。图 23 二冲程柴油机工作原理图二、二冲程柴油机工作原理通过活塞的两个行程完成一个工作循环的柴油机叫做二冲程柴油机。在二冲程柴油机中，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前后约120150CA内同时进行。因此在结构上，二冲程柴油机必须采用a、气缸套下部设扫气口排气口，或气缸套下部设扫气口气缸盖上设排气阀的换气机构。b、而且还必须设置一个专门的扫气泵以提高进气压力，使进气能从扫气口进入气缸并清扫废气出气缸。由此可把进、排气过程缩减到下止点前后的部分行程中完成。现以扫气泵为罗茨式泵的二冲程柴油机为例来说明其工

13、作原理。如图23所示，采用扫气口排气口换气形式。机带扫气泵b设在柴油机一侧，空气由泵的吸入口a吸入，经压缩后储存在具有较大容积的扫气箱d中并保持一定压力（105140kpa）。在柴油机膨胀行程中，柴油机活塞下行，先将排气口f打开（曲柄点1位置）。缸内废气经排气口排入排气管g。当气缸内压力降至接近扫气压力时，活塞下行把扫气口e打开（曲柄位于点2位置），扫气空气由扫气箱d经扫气口e进入气缸同时清扫废气出气缸，于是进气与排气同时进行，一直到下止点（点0）并转而上行把扫气口关闭（点3）扫气结束，活塞继续上行把排气口关闭（点4）。至此，换气过程全部完成（进、排气结束），而开始进行压缩、燃烧和膨胀过程。这

14、两个过程进行情况同四冲程柴油机基本相同。 图23（b）示出二冲程柴油机的P-V示功图。其尾部12034即为它的排气、进气过程（称换气过程）。尾部形状明显不同于四冲程柴油机，是在膨胀行程末和压缩行程初这一较短时间内完成的。在上止点前d1开始喷油，在上止点c开始燃烧，到点d2时燃烧结束。二冲程柴油机与四冲程比较，在相同条件下，其功率约为四冲程的1.61.7倍，而且其回转也比四冲程均匀，但二冲程的换气质量较四冲程差、热负荷也比四冲程机高。图2-4 废气涡轮增压二冲程柴油机工作原理图 三、二冲程增压柴油机的工作原理在柴油机中我们把用增加进气压力来提高气缸功率的方法称为柴油机增压。为此必须装设一个压气泵

15、。如果压气泵是由柴油机带动的，则进气压力的提高会使柴油机消耗于压气泵的功率增多。这种方式称为机械增压，一般用这种机械增压的增压压力不超过0.17103kpa。实现柴油机增压的最好方案是采用由柴油机排气驱动的废气蜗轮增压器，这种增压方式称为废气涡轮增压。它既能提高柴油机功率，同时又可提高柴油机的经济性，这是目前应用广泛的一种增压方式。废气涡轮与同轴安装的压气机合称为废气涡轮增压器。图24所示为一种具有废气涡轮增压的二冲程柴油机工作原理图。 它的新气通过气缸下部的进气口a进入气缸，而废气则通过气缸盖上的排气阀b排出气缸。在进、排气管道上分别安装了离心式压气机e和废气蜗轮机d。废气蜗轮从废气中获得能

16、量而带动压气机高速回转。新鲜空气经压气机压缩后压力和温度升高，然后由管g经冷却器k冷却后进入进气管h和扫气箱i准备进入气缸。 气缸内工作循环的各主要过程：压缩、燃烧和膨胀的进行情况与非增压柴油机一样，只是由于采取了增压，使各过程的压力和温度有所增高。至于换气过程，则与非增压的二冲程柴油机相似。第三节 柴油机的主要部件 柴油机的主要部件包括燃烧室部件、曲柄连杆机构、机座机架及贯穿螺栓等部件。这些部件的好坏不但直接影响柴油机的技术性能指标，而且还对船舶安全航行起着重要作用。一、 燃烧室部件 活塞在上止点时，活塞顶面、气缸盖底面以及缸套共同组成的密闭工作空间称为燃烧室。燃烧室部件包括活塞、气缸盖、气

17、缸三大部分。它们的共同任务是组成燃烧室，并把燃气的作用力通过活塞经连杆传给曲轴。1、 气缸盖气缸盖是燃烧室的上盖，除和气缸套、活塞共同组成燃烧室外，在它上面还要安装各种阀件。主要有喷油器、气缸起动阀、示功阀、安全阀、排气阀（四冲程机和气口气阀式二冲程机）、进气阀（四冲程机）等。另外，对于设置进、排气阀的气缸盖上还要布置进、排气道和气阀摇臂机构。 由气缸盖所起的作用和它所处的位置可以看出，气缸盖要受到螺栓预紧力和缸套支反力的作用，在柴油机工作中还要受到燃气的高温、高压作用；其冷却水腔还受到水的腐蚀。气缸盖结构复杂，金属分布不均匀，各部位温差很大。所以，气缸盖承受着很大的、分布很不均匀的机械应力和

18、热应力，它的工作条件较为恶劣。 因此，对气缸盖要求应具有足够的强度和刚度，以保证气缸盖既不会因应力过大而损坏，也不会因变形而漏泄；气缸盖的底板，特别是各种阀孔之间的金属堆积处和高温部位，需要进行良好的冷却，力求做到各部位的温度合适且均匀；还要求气缸盖上的各种阀件拆装简便、维护方便，冷却水腔的水垢容易清除。气缸盖的主要类型有：单体式气缸盖、整体式气缸盖、分组式气缸盖及组合式气缸盖等。 2、 气缸 气缸是柴油机的主要固定部件之一（如图2-5所示），是燃烧室部件的主体。柴油机的工作循环是在气缸的工作空间里进行的，活塞在气缸内部往复运动。在筒形活塞式柴油机中气缸起导承作用，承受活塞的侧推力。二冲程柴油

19、机的气缸要开气口、布置气道。有 图2-5 RTA型柴油机气缸 1、3、6-O型密封圈;2-气缸套;4-导水环; 5-传感器; 7-气缸体;8-布油槽;9-冷却水导套D、D1-放泄孔；L-进 水孔;KB、KB1-检漏孔；KW-冷却水腔;LR-空腔;TB-冷却 水孔；SS-扫气口;ZS-注油孔;A-填料函座孔;B-扫气通道 C-人孔些十字头式柴油机还把气缸下部空间做为扫气泵空间。此外有的柴油机在气缸的外部还安装扫气箱、排气管、凸轮箱、增压器等。因此气缸上部将受到安装预紧力的作用，气缸内壁受到燃气高温、高压和腐蚀作用以及活塞的摩擦、敲击和侧推力作用。气缸的冷却水空间受到冷却水的腐蚀和穴蚀。当采用贯穿

20、螺栓把气缸体、机架和机座紧固到一起时气缸承受压力。在非贯穿螺栓结构中，气缸体承受作用在气缸盖和活塞上的气体力所形成的拉力。 由气缸所起的作用和所处的工作条件可知，要求它具有足够的强度和刚度，要有良好的耐磨性和抗腐蚀性，并要求对它进行良好的润滑和冷却，在气缸套和气缸盖的结合面、气缸体和气缸套的结合面要有可靠的气封和水封。 3、 活塞 活塞也是组成燃烧室的重要部件之一，它与连杆、曲轴等部件组成运动机构，将气体力经连杆传给曲轴。在筒形活塞式柴油机中，活塞承受侧推力，起滑块的作用。在二冲程柴油机中还启闭气口，控制换气。 在柴油机工作中,活塞受到燃气的高温、高压、烧蚀和腐蚀作用。它的热负荷和机械负荷很高

21、，而活塞材料在高温下机械性能又有所降低，所以活塞在工作中容易产生裂纹和变形。活塞与气缸、连杆之间，在相对运动中产生摩擦与撞击。活塞由于温度很高及燃气冲刷、往复运动等原因，它和气缸之间不可能建立液体动力润滑，因此摩擦损失功大，磨损严重。在中、高速柴油机中，活塞具有较大的往复惯性力，使得柴油机的振动加剧。 活塞是柴油机的关键部件之一，对柴油机的动力性、经济性和可靠性影响很大。因此要求活塞强度大、刚性大，密封可靠，散热性好，冷却效果好，摩擦损失小，耐磨损。对中、高速柴油机还要求活塞的重量轻。活塞的材料常用铸铁、钢和铝合金三种。图2-7 筒形活塞(OPC2-6)1-活塞裙;2-卡簧;3-活塞销;4-衬

22、套 5-刮油环;6、7、8-压缩环 9-活塞头 10-柔性螺栓 11、15-密封圈 12-垫块 13-螺母 14-衬管端盖;A、C-冷却腔 B-避让坑 活塞的构造，活塞可分为十字头式活塞（图26）和四冲程筒形活塞（图27）两大类。十字头式活塞由活塞头、活塞裙、活塞环、活塞杆和活塞冷却机构等组成。筒形活塞由活塞本体（头、裙为一体）、活塞环和活塞销以及刮油环等组成。图2-6 十字头式活塞（L-MC/MCE）1- 活塞杆;2-冷却油管;3-活塞裙 4-活塞环;5-活塞头 二、曲柄连杆机构1、 十字头和导板十字头和导板的作用是将活塞组件和连杆组件连接起来，把活塞的气体力和惯性力传给连杆，承受侧推力并为

23、活塞在气缸中的运动导向。如图28所示，十字头一般由十字头销和滑块等组成，导板则固定在机架上。在工作时，十字头本体要承受强大的冲击负荷，十字头滑块则承受侧推力（其大小和方向周期地变化）的作用。因十字头销的直径、长度受限制，尺寸较小，所以其承压面积小。此 图2-8 十字头柴油机结构简图1-活塞;2-活塞杆;3-十字头4-滑块;5-正车导板;6-倒车 导板;7-连杆 外，十字头销在轴承内作摆动运动，故润滑条件较差。十字头销与轴承及滑块与导板间均存在着摩擦和磨损。工作过程中，正车导板承受正车膨胀冲程（倒车压缩冲程）的侧推力；倒车导板承受倒车膨胀冲程（正车压缩冲程）的侧推力。若正、倒车导板分设在十字头左

24、右两侧的结构形式称双导板式（图29）。若正、倒车导板处在十字头同一侧的称为 单导板式（图210）。另外还有一种圆筒形导板，其圆筒形 图2-9 RTA柴油机十字头导板1- 连杆小端轴承座;2-十字头销;3-小导板;4-贯穿螺栓孔 5-正车导板;6-止动盖板;7-滑块;8-机架;9-导板固定螺栓 10-倒车导板;11-连杆小端轴承(薄壁轴瓦);12-活塞杆插入孔 图2-10 单导板式十字头简图 1-安装活塞杆孔;2-十字头销;3-滑块;4-正车导板;5-倒车导板滑块可兼作扫气泵使用。 2、连杆 连杆的作用是将作用在活塞上的气体力和惯性力传递给曲轴，并把活塞或十字头与曲轴连接起来，将活塞的往复运动变

25、成曲轴的回转运动，使曲轴对外输出功。连杆大端随曲柄销作回转运动，连杆小端随活塞作往复运动，杆身绕着往复运动的活塞销或十字头销摆动。连杆承受周期性变化的气体力和活塞、连杆惯性力的作用。在二冲程柴油机中，连杆始终是受压的，但压力的大小是周期性变化的。在四冲程柴油机中，连杆有时受压，有时受拉。连杆通常由杆身、连杆大端、连杆小端三部分组成。其构造形式主要有十字头式柴油机连杆（二冲程机小端为十字头端）图211和筒形活塞式柴油机连杆（四冲程机小端与活塞销连接）图212两种。1-衬套;2-杆身;3-大端轴瓦;4-连杆螺栓5-大端端盖图212 PC2-2和PC2-5型柴油机连杆1-小端轴承;2、5-连杆螺栓;

26、3-大端轴承 4-大端轴承盖;6、7-轴承间隙调节垫片 8-螺帽;9-压紧盖;10-压缩比调节垫片 11-自整位支架;12-杆身图2-11 十字头式柴油机连杆 3、连杆螺栓 连杆螺栓的作用是将连杆的轴承盖和轴承座紧固在一起。二冲程柴油机的连杆螺栓在工作中只受装配预紧力的作用；而四冲程柴油机的连杆螺栓在工作中除受预紧力外，还在排气冲程后期和进气冲程前期受到惯性力的作用。此外，还受到大端变形所产生的附加弯矩作用。所以连杆螺栓（特别是四冲程机）的工作条件是比较恶劣的。 连杆螺栓在工作中一旦发生故障，将发生严重的机损事故。为此，必须严格按照说明书的要求选择预紧力、上紧方法及上紧步骤。定期检查连杆螺栓，

27、当发现有损伤、裂纹或伸长量超过规定值，应及时更换。三、曲轴1、 曲轴的作用、工作条件及要求 曲轴的主要作用是把活塞的往复运动通过连杆变换成回转运动；把各缸所作的功汇集起来向外输出和带动柴油机的附属设备。在曲轴带动的附属设备中，柴油机的喷油泵、进排气阀、起动空气分配器等均因正时的要求，必须由曲轴来驱动。离心式调速器要根据柴油机转速的变化自动调节柴油机的喷油量，也必须由曲轴带动。此外，在中、小型柴油机中，为了简化系统，布置紧凑，曲轴还带动润滑油泵、燃油输送泵、淡水泵和海水泵，也有少数柴油机曲轴带动空气压缩机。 曲轴因受力复杂、应力集中现象严重、轴颈磨损也较为严重甚至会因振动的缘故容易产生很大的附加

28、应力，所以，其工作条件是比较苛刻的。因而对曲轴的要求较为严格：疲劳强度高，工作安全可靠；有足够的刚性，工作时变形小，使轴承负荷均匀；有足够的轴颈承压面积，以保证较低的轴承比压；曲轴的轴颈要有良好的耐磨性能，并允许多次车削修复；曲轴的布置要兼顾动力均匀、主轴承负荷低、平衡性好、扭转振动小、有利于增压系统的布置。以上这些要求是互相关联的，有些又是相互矛盾的，要权衡利弊妥善解决好。2、 曲轴的类型及构造 曲轴的结构形式可分为整体式和组合式两大类。（1）整体式曲轴：整体式曲轴是整根曲轴一体锻造或铸造出来，具有结构简单、重量轻、工作可靠的优点，在中、高速柴油机中广泛使用，并逐渐扩大到大型低速柴油机领域。

29、（2）组合式曲轴：将曲轴的不同部分分开制造，然后应用一定的连接工艺连为一个整体的曲轴称为组合式曲轴。组合式曲轴又分为：把曲柄臂、曲柄销、主轴颈分别锻造，然后红套在一起的全套合式；把曲柄销与曲柄臂制成一体，然后与主轴颈套合在一起的半组合式；把曲轴分成两段制造，然后用法兰连接起来的分段式曲轴。组合式曲轴普遍应用于大型低速柴油机中。采用组合式主要是为了制造方便，解决曲轴制造设备能力的限制问题。组合式曲轴套合方法除红套外，还有冷套方法。在L-MC型柴油机上还应用焊接方式。曲柄由曲柄销、曲柄臂、主轴颈三部分组成。如图213所示。 图2-13 Sulzer RLA56型机曲轴1-动力输出端法兰;2-飞轮固

30、定法兰;3-油封;4-推力盘;5-单位曲柄;6-法兰;a-主轴颈;b-曲柄臂;c-曲柄销颈3、曲轴的曲柄排列 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又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轴夹角，二冲程柴油机为360/i，四冲程柴油机为720/i，i为气缸数。 （2）要避免相邻的两个缸连续发火，以减轻相邻两个缸之间的主轴承的负荷。为此，最好在柴油机的首、尾两端轮流发火

31、。 （3）要使柴油机有良好的平衡性。柴油机存在振动，曲轴合理的排列可使引起振动的力和力矩减至最小。 （4）要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）在脉冲增压式柴油机中，为了防止排气互相干扰，各缸的排气管要分组连接。为了既使相邻的气缸排气管接到一起，共用一台增压器，又使这些气缸的排气不会互相干扰，要求柴油机有相应的发火顺序。 要同时满足上述要求，往往是不可能的，而只能满足某些主要要求，兼顾其他要求。四、飞轮 飞轮的主要作用是保证柴油机回转的均匀性。在气缸数较少的柴油机中，飞轮还起协助柴油机起动的作用。

32、在大、中型柴油机中，飞轮缘上设有供盘车用的插孔或与盘车机相啮合的齿轮（蜗轮）。在飞轮缘上也刻有（配气或喷油）定时的记号，供检查调整时使用。 单缸机与多缸机相比，其飞轮的相对重量较大，因为单缸机的进气、压缩和排气等辅助冲程全靠飞轮带动。随着气缸数的增多飞轮尺寸相对减小。但在同功率同缸数的情况下，二冲程机飞轮要比四冲程机的飞轮小而轻些。这是因为二冲程机的发火间隔时间短，运转平稳。五、机座、机架和贯穿螺栓 十字头式柴油机中，气缸、机架和机座是分开制造，然后由贯穿螺栓连成一刚性整体。这一刚性整体构成了柴油机的主体部分如图214所示 。而筒形活塞式柴油机的气缸体、机架和机座，由于刚性、尺寸和重量等方面的

33、要求不同，有三者分开制造用贯穿螺栓连接的结构，有两个造在一起（气缸体与机架造在一起，或机架与机座造在一起）的机体结构，还有的去掉了机座代之以油底壳，形成倒挂式主轴承的结构。在二冲程柴油机中，由气缸体、机架和机座构成的箱体内部要安装运动部件的导承，支承气缸套、导板、主轴承等，形成运动部件与传动部件（齿轮、链轮）的运行空间，并且是布置水、油、气的空间。其外部则安装喷油泵、起动、换向等设备。机座底面则紧固于船体的基座或机舱底板上。1、机座 机座位于柴油机的最底部，是整台柴油机的基础，也是柴油机装配时的基准件。它的作用除了支撑机器的全部重量之外，还要承受燃气的压力和运动部件的惯性力；十字头式柴油机的机

34、座多为由纵梁、横梁和油底壳焊接组成的箱式结构，并用贯穿螺栓把它与机架和气缸体装配在一起形成一个抗弯、抗扭的刚性整体。筒形活塞式柴油机的机座多采用气缸体与机架整体制造的机体结构。3、 机架机架是柴油机的支架，它与机座形成的空间（曲轴箱空间）是柴油机运动部件的运行空间。机架分为A字型机架与箱型机架两种。箱型机架的刚度优于A字型机架，但制造加工困难，图215所示L-MC柴油机机架立体图。它由上面板、底板、横向隔板和左右侧板焊接而成。这种结构的机架称焊接箱式机架，具有结构紧凑、重量轻、刚性好等优点。在隔板上设有导板2，在侧板上开有检修道门7。由于整个机架为刚性整体，使安装简单，找 图2-14 气缸、机

35、架、机座的连接 图215 机架1、10-螺钉;2-锁紧垫片;3-保护架;4-下螺母 1-上面板;2-导板;3-活塞冷却油管插入孔5-贯穿螺栓下面部分;6-连接套;7-贯穿螺栓 4-贯穿螺栓;5-横向隔板;6-链条箱(输出端)上面部分;8-上螺母;9-保护罩;11-气缸体;12-机架;13-机座正容易，结合面少，曲轴箱密封性好。3、贯穿螺栓 在十字头式柴油机中，都采用贯穿螺栓把气缸体、机架和机座连在一起。在大功率筒形活塞式柴油机中，大尺寸的固定机件之间也广泛采用贯穿螺栓连接。气缸体、机架、机座三者只受压应力不受拉应力，使用贯穿螺栓连接合理地利用材料抗压不抗拉的性能，提高了柴油机的刚度。贯穿螺栓都

36、是采用液压专用工具紧固的。为了尽可能减小在固定机件中产生的附加应力，紧固应当从中央向两端交替成对地进行，紧固一般分为两个阶段进行，每个阶段应达到的螺栓伸长量或泵油压力要遵守说明书规定。对紧固情况要定期检查。第四节 船舶操纵控制系统 船舶经常要在各种复杂的情况下航行。例如：在进、出港和靠离码头时，要求船舶多次改变船速和航向；在海洋中正常航行时，要求船舶定速前进；在紧急情况下，为了避免事故要求紧急刹车，强迫主机迅速停车或倒转；在大风浪中航行时，由于船舶摇摆颠簸，主机可能会超速或超负荷，这时应限制主机的转速和负荷。为了实现上述目的，柴油机必须设置起动、换向、和调速装置，并且为了便于操纵应使上述各种装

37、置组成能够实现联合动作的操纵机构。 一、起动装置 柴油机本身没有自行起动的能力，为了使静止的柴油机开始工作，必须利用某种外力使柴油机转动起来。此外还必须使柴油机达到一定的转速，以便为燃油发火创造必要的条件。柴油机起动所要求的最低转速叫做起动转速。图2-16 压缩空气起动装置原理图1-气缸起动阀;2-空气分配器;3-主起动阀4-操纵手柄;5-出气阀;6-空气瓶;7-起动控制阀 8-截止阀 柴油机的起动方式常见的有人力起动、电力起动、空气马达和压缩空气起动等几种。其中压缩空气起动的能量最大，而且最经济，可靠和安全。但该装置构造复杂，不适用于小型高速柴油机。因此，目前大型船舶柴油机都采用压缩空气起动

38、。 压缩空气起动装置的组成和工作原理（图216所示）： 压缩空气起动就是利用一定压力（2.53.0MPa）的压缩空气,按柴油机的发火顺序在工作行程时引入气缸,代替燃气推动活塞,使柴油机达到起动转速,完成自行发火。 压缩空气起动装置的主要组成部分包括空气压缩机、空气瓶、主起动阀、空气分配器、气缸起动阀和起动控制阀等。 起动前空压机向空气瓶6充气至规定压力。备车时，先打开空气瓶出气阀5和截止阀8，使瓶内空气经截止阀8通到主起动阀3和起动控制阀7处等候。当接到起动命令时，将操纵手柄4推到“起动”位置，这时起动控制阀7被打开，控制空气进入主起动阀3中活塞上面推动活塞下移，使主起动阀开启。于是起动空气分

39、成两路：一路为起动用的压缩空气，经总管引到各缸的气缸起动阀1的下方空间等候；另一路为控制用的压缩空气，被引至空气分配器，然后按照柴油机的发火顺序依次到达相应的气缸起动阀的顶部空间，并轮流将气缸起动阀打开，使等候在此阀前的起动空气进入气缸，推动活塞运动，从而使曲轴旋转。当柴油机达到起动转速时，随即将燃油手柄推至起动供油位置。待柴油机起动后，立即通过操纵手柄4关闭控制阀7，切断起动空气。主起动阀3随即关闭，气缸起动阀上部的控制空气也经空气分配器泄放，气缸起动阀关闭。至此起动过程结束。然后可逐渐调节供油量，使柴油机在指定转速下运转。当无须再次起动主机时，将截止阀8和出气阀5先后关闭。 为了保证柴油机

40、的可靠起动，起动系统必须具备一下几个条件： （1）压缩空气必须具有一定的压力和足够的储量。依据我国海船建造规范的规定，起动空气压力一般为2.53.0MPa；空气瓶至少有2个，其容量须保证在不补气、冷车下正倒车交替起动不少于12次（不可换向主机为6次）。 （2）压缩空气要有一定的供气正时，即供气要适时，并有一定的延续时间。压缩空气必须在活塞处于膨胀冲程之初的某一时刻开始向气缸供气，并使其延续一段时间后结束。二冲程机的进气持续角不超过120曲柄转角，四冲程机的进气持续角一般不超过140曲柄转角。 （3）必须保证最少的气缸数。要使柴油机在任何曲轴位置下至少有一个气缸处于起动位置，则起动所要求的最少气

41、缸数：二冲程柴油机为4个，四冲程柴油机为6个。 二、换向装置 根据航行要求，如果船舶要从前进变为后退，一般是靠改变螺旋桨的旋转方向（称直接换向），或者保持螺旋桨转向不变而改变螺旋桨桨叶的螺距角使推力方向改变（称变距桨换向）来实现。目前，多数船舶使用直接换向实现航向的变换，即柴油机旋转方向的改变。因此要求主柴油机应具有换向的性能。所谓换向就是改变曲轴的旋转方向。 要使柴油机换向，首先应停车，然后应使柴油机反向起动起来，最后使柴油机按反转方向运转起来。由此，必须改变起动正时、喷油泵正时和进、排气阀正时，以满足反向起动和反向运转对正时的要求。由于上述正时均由有关凸轮控制，所以柴油机的换向问题就是如何

42、改变空气分配器、喷油泵和进、排气凸轮与曲轴相对位置的问题。为改变柴油机的运转方向而设置的改变各种凸轮相对于曲轴位置的机构称为换向装置。 （1）、双凸轮换向图2-17 双凸轮换向原理 双凸轮换向的特点是对需要换向的设备包括空气分配器、喷油泵、气阀等配置两套凸轮。一套供正车时使用，一套供倒车时使用。正车时正车凸轮处于工作位置，倒车时轴向移动凸轮轴使倒车凸轮处于工作位置。这样便可使柴油机各缸的有关定时和发火次序符合倒车运转的需要。 双凸轮换向的原理以二冲程直流扫气柴油机为例来说明。如图217所示。图中实线表示正车凸轮，虚线表示倒车凸轮，正、倒车凸轮对称于上、下止点位置的纵轴线ob，当柴油机正转时，凸

43、轮轴顺时针转动。如果凸轮的升起点a即为供油始点，图示位置曲柄正处于上止点，供油提前角为11。此后，缸内为燃油发火燃烧和膨胀行程，直至曲轴按正车方向转到上止点后104即下止点前76时，排气阀开始打开进行换气。当柴油机换向后从图示位置倒转时，喷油泵和排气阀改由倒车凸轮驱动，这时倒车凸轮逆时针转动，同样可保证供油提前角为11（即供油始点为a）排气提前角为76。(2）、单凸轮换向单凸轮换向的特点是每个需要进行换向操作的设备（如喷油泵、空气分配器、排气阀等）都各自由一个轮廓对称的凸轮来控制，正、倒车兼用。换向时不是轴向移动凸轮轴，而是将凸轮轴相对曲轴转过一个换向差动角即可。这种换向装置所使用的凸轮线型有

44、两种：一般线型和鸡心形线型。三、 调速装置 柴油机的不同转速和负荷是通过改变循环喷油量来获得的。改变柴油机的油量调节机构，使其转速调节到规定的转速范围称为柴油机调速。为了使柴油机在规定的转速下能够自动稳定运转，必须装设专门的调速装置。它能根据柴油机负载的大小自动调节供油量，使其转速维持在规定范围内，这种装置称为调速器。 调速器的类型：调速器因原理、结构和用途不同而有不同的类型，船舶柴油机所使用的调速器主要有以下类型。1、 按调速范围分类 (1）、极限调速器：只用于限制柴油机的最高转速不超过某规定值，而在转速低于此规定值时不起调节作用。这种调速器仅用于船舶主机，目前已很少使用。 (2）、定速调速

45、器：亦称单制调速器，是在任何负荷下直接调节供油量以保持柴油机在预定转速下稳定运转的调速器。这种调速器应用于要求转速固定不变的发电柴油机上。通常，为满足多台柴油发电机并联运行的要求，本调速器应有一定的转速调节范围（一般为10标定转速）。 (3）、双制式调速器：能维持柴油机的最低运转转速并可限制其最高转速的调速器，其中间转速由人工手动调节。这种调速器能改善柴油机怠速工况的稳定性和限制最高转速。因而用于对低速性要求较高或带有离合器的中小型船舶主机。在这种使用场合，当离合器脱开的瞬时相当于柴油机突卸负荷，该调速器就能防止柴油机飞车。在低转速时接上离合器又能避免柴油机转速急剧下降而保持最低转速。 (4）

46、、全制式调速器：在从最低稳定转速到最高转速的全部运转范围内，均能自动调节油量以保持任一设定转速不变的调速器。这种调速器广泛用于船舶主机及柴油发电机组。 2、按执行机构分类 (1）、机械（直接作用式）调速器：直接利用飞重产生的离心力去移动油量调节机构以调节柴油机的转速。 (2）、液压（间接作用式）调速器：利用飞重产生的离心力控制一个功率放大元件（称伺服器），再利用液压作用所产生的更大动力去移动油量调节机构来调节柴油机转速。 (3）、电子调速器：信号监测或执行机构采用电气方式的调速器称电子调速器。 四、操纵系统 船舶柴油机的操纵系统就是将起动、换向、调速等装置联结成一个整体并可以集中控制柴油机的机

47、构。该系统机构复杂、零部件多、排列错综复杂。尤其近几年来遥控技术和自动化技术在操纵系统的应用，更增加了该系统的复杂程度。 操纵系统的类型： 1、按操纵部位和操纵方式可以分为： (1）、机旁手动操纵：操纵台设在机旁，使用相应的控制机构操纵柴油机使之满足各种工况下的需要。 (2）、机舱集控室控制：在机舱的适当位置设置专用的集中控制室实现对柴油机的控制和监视。 (3）、驾驶室控制：在驾驶室的控制台中由驾驶员直接控制柴油机。 在这三种控制方式中，机旁手动操纵是操纵系统的基础。机舱集中控制和驾驶室控制称为遥控，即远距离操纵主机。遥控系统是用逻辑回路和自动化装置代替原有的各种手动操纵程序。近代电子计算机技

48、术在船舶上的有效应用，使柴油机的操纵系统提高到一个新的水平，“船舶自动化”也进入了“超自动化”时代，但在遥控系统中仍保留最基本的机旁手动操纵系统，以保证对主机的可靠控制。2、 按遥控系统所使用的能源和工质分为： (1）、电动式遥控系统：以电作能源，通过电动遥控装置和电动驱动机构对主机实现远距离操纵控制。 (2）、气动式遥控系统：以压缩空气作为能源，通过气动遥控装置和气动驱动机构对主机进行遥控的方式。 (3）、液力遥控系统：该系统的优点是结构牢固，工作可靠、传递力大。但易受液压传动的惯性和液压油粘温特性的影响而降低传动的灵敏性和准确性，因此只适用于机舱范围内，一般不适于远距离传递。 (4）、混合

49、式遥控系统：综合利用上述各系统的优点，如电气混合式、电液混合式等，即从驾驶台到机舱采用电传动，机舱系统采用气动或液动。目前在船上应用比较广泛。 (5)、微型计算机控制系统：在常规的遥控系统中，程序控制等功能是通过各种典型环节的控制回路来完 成的。采用微型计算机遥控是通过软件设计，给出一个计算机执行程序以取代常规遥控系统的控制回路，用软件取代硬件程序。微型计算机在执行时将根据从接口输入的指令和表征柴油机实际运行状态的各种信息进行综合判断和运算，得出需要的控制信息并经输出接口去控制操纵系统的执行元件，实现对柴油机的操纵。这种控制系统体积小、功能强，可实现最佳状态和最经济控制，是当代向综合性自动化方

50、向发展的主要目标和方向。第五节 船舶轴系 船舶轴系是船舶动力装置中的重要组成部分，承担着将主机发出的功率传递给螺旋桨，再将螺旋桨产生的轴向推力传递给船体实现推船航行的目的。 船舶轴系是从主机动力输出端法兰至尾轴为止，连接主机和螺旋桨的轴及其轴承的统称。 一、轴系的组成、作用及轴线的布置 1、船舶轴系的种类 根据船舶类型、用途和动力装置等的不同，船舶轴系的数目、布置和结构也不同。对于民用商船来说，主要有单轴系和双轴系之分；对于军用舰船来说，除单、双轴系外，还有多轴系。 2、轴系的组成 （1）传动轴 包括推力轴（有的柴油机把推力轴和曲轴造为一体）、中间轴和尾轴。 （2）轴承 推力轴承（有的柴油机推

51、力轴承设在柴油机机座内）、中间轴承和尾轴承。 （3）传递设备 主要有连轴器、减速器、离合器等。 （4）轴系附件 主要是润滑、冷却、密封设备等。图218所示一大型低速柴油机直接传动轴系的组成简图。机舱18位于船舶的中后部，柴油机1通过推力轴、调整短轴3和中间轴5、8、10以及尾轴11驱动螺旋桨13。推力轴承2给整个轴系轴向定位，推力轴由推力轴承内的径向轴承支承，中间轴由中间轴承4、7、9支承。轴承12是最后一道位于轴隧内的中间轴承，但其作用是和尾轴管中的尾轴承一起1-柴油机;2-推力轴承;3-短轴;4、7、9、12-中间轴承;5、8、10-中间轴;6-隔舱填料箱 11-尾轴;13-螺旋桨;14-

52、尾轴管;15-窗口;16-轴隧;17-水密门;18-机舱; 图2-18 轴系组成简图 支承尾轴，也称尾轴前轴承。尾轴从尾轴管14伸出船尾，曲轴、推力轴、中间轴和尾轴之间通过法兰用螺栓连接，螺旋桨用键和螺母固定到尾轴上。 3、轴系的作用 轴系的作用是把柴油机曲轴的动力矩传给螺旋桨，以克服螺旋桨在水中转动的阻力矩，同时又把螺旋桨产生的推力传递给推力轴承，以克服船舶航行中的阻力。 4、轴线的布置 传动轴系通常是由位于同一直线上的轴联接起来的，这种位于同一直线上的轴中心线称为轴线。商船轴线的数目一般不超过三根。远洋货船往往用一根，一些船速较快、经常进出港口的客船或集装箱船往往用两根。单桨船的轴线布置在

53、纵中剖面上，双桨船的轴线常对称地布置在两舷。由于机舱位置的不同，轴线的长度差别很大，尾部机舱的轴线较短，有的不用中间轴，而使推力轴直接和尾轴相连。船中机舱的中间轴段数较多，轴线往往很长，这时在机舱和尾尖舱间必须围成水密的走廊，以使轴系与货舱分隔开，即轴隧（地轴弄）。轴隧用水密门与机舱相通，轮机人员可通过此门进入轴隧对轴系进行检查和维护管理工作。轴隧高度一般在2米以上（便于更换或修理轴线中的任何部件），尾部设逃生孔，轮机人员可由此通道撤离或供上面人员进入机舱实施各种应急措施。图 2-19 轴系的倾斜角和偏斜角 在主机位置和螺旋桨的位置确定之后，轴线的位置和长度便可决定。轴线首尾两个端点中，前面一

54、个是主机功率输出端法兰中心，后面一个是螺旋桨中心。理想的轴线位置最好与船体的龙骨线（基线）平行，而在多轴线时，轴线还应保持与船纵中剖面对称。但这种理想的轴线很难实现，因为它的首尾位置必须服从于主机和螺旋桨的位置。如主机位置比较高而船舶吃水比较浅时，为了保证螺旋桨能浸入水下一定距离，有时不得不使轴线向尾部倾斜一定角度，如图219（a）所示，图中即为倾斜角。有些双桨或多桨船的轴系，为了使螺旋桨桨叶的边缘离开船的外板并留有一定的空隙，允许轴线在水平投影面上离开船舶纵中垂面偏斜一个角度，如图219（b）所示，图中为偏斜角。当轴线出现倾斜和偏斜时，螺旋桨输出的推力将受到损失，这一方面是由于此时螺旋桨推力

55、与船舶运动方向变得不一致，另一方面，轴倾斜使轴系重量产生方向朝后的轴向分力，抵消了一部分桨的推力。为了使桨的推力不致损失太多以及保证主机的工作可靠，一般角不超过5，角不超过3。 二、传动轴系的结构 1、中间轴和中间轴承 中间轴位于主机曲轴（或推力轴）与尾轴之间，承担传递主机动力的作用，由法兰和轴构成，可整体锻造或分段焊接成一体，工作轴径较非工作轴径一般大520mm。如图220（a）所示。各中间轴法兰用螺栓连接。中、小船舶采用加工容易的圆柱形螺栓；大、中型船舶广泛采用圆锥形紧配螺栓，对中性好、不易松动，但加工较难。对采用圆柱形连接螺栓的法兰，其紧配螺栓的数目应不少于总数的50，对中、小型船舶也不少于4只，并要求紧配螺栓与其他螺栓相间排列。图2-20 中间轴和推力轴1-连接法兰;2-轴干;3-甩油环;