第一章船舶柴油机概述课件

船舶柴油机1返回234《船舶柴油机》

一、课程性质、教学目的与要求：1．课程性质：本课程是轮机工程技术专业的主要专业课和主干课,也是中华人民共和国海事局规定的海船轮机员适任证书获取的必考科目。在船舶机舱设备中，柴油机是船舶推进的主动力装置，也是船舶供电装置的原动机。通过柴油机课程的学习，使学员能够获得船舶柴油机的基础知识和实际操作与维修保养技能，适应船上值班时对柴油机的管理，满足《1978年海员培训，发证和值班标准国际公约》和95年修正案（简称STCW78/95公约）要求。

52．教学目的与要求：理解柴油机的工作原理，熟悉典型柴油机的结构、主要部件，掌握柴油机的日常操作、管理及维修保养方法，掌握柴油机各系统的组成、功用及各系统部件的动作原理、调整方法及影响柴油机运转性能的主要因素，并能根据运行中的现象判断柴油机的工作状况，熟练而准确地处理常见故障。

6二、教材及教学参考书

1．周明顺.船舶柴油机.大连海事大学出版社，20062．李斌等.主推进动力装置.人民交通出版社，2001

3．孙培廷.船舶柴油机.大连海事大学出版社，20024．黄少竹.船舶柴油机.大连海事大学出版社，20065.刘颖.柴油机原理.华中工学院出版社,19846.蒋德明.内燃机原理.机械工业出版社，19887.陈大荣.船舶柴油机设计.国防工业出版社，19808.王永顺.船舶轮机问答：柴油机分册.人民交通出版社,19959．宋汝涛等．船舶机电应用技术.中国航海学会《航海技术》编辑部，2004

710．杜荣铭.船舶柴油机.大连海事大学出版社，2005

11．廖和德等．动力设备拆装.大连海事大学出版社，2006

12．吕凤明．动力设备拆装与操作.大连海事大学出版社，1999

13．赵宗雄.船舶柴油机.大连海事大学出版社，2001

14．孙建波等.船机管理与故障处理.大连海事大学出版社，2002

15.钱耀南.船舶柴油机.大连海事大学出版社，2003年

16.徐立华．船舶柴油机．武汉船舶职业技术学院出版社出版，2003

17.杜荣铭，陈景杰.

船舶柴油机试题解答.大连海事大学出版社，2000年

8第一章船舶柴油机概述本章的重点：二冲程、四冲程柴油机的工作原理及性能比较，分类、基本概念。本章的难点：定时圆图、各性能指标的理解。9主要内容第一节

柴油机总论第二节柴油机热力循环和基本工作原理第三节柴油机的性能指标和工作参数第四节船用柴油机的发展10第一节

柴油机总论

一、柴油机的基本概念1．热机（1）概念：把热能转换成机械能的动力机械。（2）种类：

蒸汽机

外燃机

汽轮机燃料燃烧在气缸外部，效率低

热机

汽油机

内燃机柴油机燃料燃烧在气缸内部，效率高

燃汽轮机及煤气机

112．柴油机

（1）概念：是一种在气缸内进行两次能量转换压缩发火的往复式内燃机。是热效率最高的一种内燃机。（2）优缺点：①经济性好，热效率高，可达50%，可燃用劣质油。②功率范围广。③尺寸小，重量轻。④机动性好。⑤可直接反转。⑥存在振动，轴系扭转振动和噪音。⑦燃烧室部件工作条件恶劣，承受高温高压与冲击负荷。柴油机：155~270g/KWh汽轮机：435~1200g/KWh燃气轮机：245~350g/KWh汽油机：245~350g/KWh123．柴油机与汽油机的区别：

柴油机与汽油机虽然都是内燃机，但是它们在使用燃料、可燃混合气形成、发火方式、性能及压缩比等方面均有区别。134.柴油机的基本组成（动画演示）1）固定部件：包括气缸盖、气缸、机架、机座、主轴承、导板、曲柄箱、贯穿螺栓等；2）运动部件—曲柄连杆机构：活塞组件、十字头、连杆、滑块等；3）配气机构：凸轮与凸轮轴、凸轮轴传动机构、气阀驱动机构、气阀机构。4)燃油系统：5)润滑系统：6)冷却系统：7)操纵系统（包括起动、换向、调速）：8)增压系统（包括进排气管系）：14155．柴油机的基本结构参数

（1）上止点（T.D.C.）：（2）下止点（B.D.C.）：（3）行程：即S=2R。（4）气缸直径：D（5）气缸工作容积Vs：（6）燃烧室容积（余隙容积）VC：（7）气缸总容积Va：（8）余隙高度：（9）压缩比e：ε=Va/VC=（Vs+VC）/VC=1+Vs/VC16A.压缩比ε表示缸内工质压缩程度，也就是活塞从下止点运动到上止点时，把缸内空气压缩了多少倍。

它是柴油机的一个重要结构参数，对柴油机的经济性、燃烧和起动性能以及机械负荷等有重要的影响。

ε大说明缸内空气被压缩厉害，压缩终点的温度和压力就高，有利于燃油的燃烧和柴油机的起动，并可提高热效率。但ε过大，会使柴油机PZ过高，工作粗暴，机械负荷和热负荷过大，降低可靠性和缩短柴油机的寿命。ε过小，则压缩终点的气体压力和温度过低，不利于燃烧，柴油机起动困难耗油率增加，功率下降。17B．不同的机型ε特点：

①小型高速机的ε＞大型低速机。因小型高速机气缸尺寸小，单位容积的散热面积大，允许提高ε以增加热效率.②非增压机的ε＞增压机。因增压机气缸进气压力高，压缩终点压力和温度高，燃烧最高爆炸压力和温度比非增压机高，为了降低机械负荷和热负荷，ε要小些。③四冲程机的ε＞二冲程机。

④柴油机的ε＞汽油机。

18C．影响ε的因素：

①连杆大小端轴承严重磨损，使活塞组件下沉。

②十字头销（活塞销）与曲柄销严重磨损。

③活塞顶面、缸盖底面被烧蚀或积碳，使VC改变。

④船用大端杆身凸缘与大端轴承座之间的调整垫片厚度。

⑤缸盖底面密封垫片厚度。

⑥连杆杆身发生弯曲。

19D．ε的调整方法：

(1)增加或减小连杆长度：（增加船用大端垫片或十字头式柴油机活塞杆与十字头间平面或与活塞裙连接面间的垫片，可使活塞组件升高，即hc减小，从而压缩比增大）；(2)增加或减小气缸垫床厚度：当增加时，压缩比减小。20二、柴油机的类型

1．按工作循环分类：四冲程和二冲程柴油机。

2．按是否增压分类：增压和非增压柴油机。

3．按曲轴转速分类：高速、中速和低速机。（1）低速柴油机：n<300r/min，Vm＜6m/s；（2）中速柴油机：n=300～1000r/min，Vm=6-9m/s；（3）高速柴油机：n>1000r/min，Vm＞9m/s。21

4．按结构特点分类：

（1）筒状活塞式：活塞起导向作用，缸壁承担侧推力。

22（2）十字头式：活塞不起导向作用，缸套没有侧推力的作用，导向作用由十字头滑块承担，侧推力由导板承担。气缸下部加设一横隔板，把气缸与曲轴箱隔开，以防气缸中的污油、结炭或燃气漏入曲轴箱污染滑油。十字头式柴油机可靠性较筒形活塞式高。

5．按气缸排列分：（1）直列：气缸数小于12缸（2）V型：气缸夹角有90°、60°、45°。236．按转向分：

右旋机：由飞轮端（功率输出端）向自由端看，正车时按有顺时针方向旋转的柴油机。

左旋机：由飞轮端（功率输出端）向自由端看，正车时按有逆时针方向旋转的柴油机。

7．按可否逆转分：有不可逆转和可逆转柴油机。

三、船舶用柴油机的型号24船舶柴油机的型号2526四、柴油机在船舶动力装置中的应用低速柴油机的特点经济性最佳（热效率达到55%，155g/KWh）柴油机的转速很低（直接配螺旋桨）船用低速柴油机功率大（二冲程大缸径）结构简单、工作可靠可燃用劣质燃料27中速柴油机的特点重量轻，尺寸小可选择最佳螺旋桨转速可以多台柴油机联用油耗率比低速机略高寿命比低速机略短管理麻烦28

第二节柴油机热力循环和基本工作原理柴油机的基本工作原理是采用压缩发火，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-曲柄将往复运动变成曲轴的回转运动，从而带动工作机械。

一个工作循环的五个过程：进气、压缩、燃烧、膨胀作功和排气。

29一、柴油机的理论循环和实际循环

（1）理论循环，是建立在下列假设的基础上：1）工质为理想气体，其压力、温度、容积变化符合气态方程式PV=MRT；2）压缩与膨胀过程为绝热过程，与外界没有热交换，也不存在摩擦；3）工质在整个循环中保持不变（包括物理及化学性质、工质数量及比热保持不变）；4）没有实际循环中进、排气过程，没有换气损失；301、柴油机理论循环一、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

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）314.继续膨胀混合加热循环（图d）321.混合加热循环（图a）

2.定容加热循环（图b）

3.定压加热循环（图c）

4.继续膨胀混合加热循环（图d）

柴油机的理论循环基本上为混合加热循环

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二、柴油机的实际循环1．工质的影响

理论循环中的工质是理想气体，而实际循环中的工质是空气和燃烧产物。（1）工质成份变化（2）工质比热变化（3）工质的高温分解（4）工质的分子数变化。382．换气损失

（1）排气提前开启的膨胀功（2）排气耗功（3）吸气耗功

3．燃烧损失

4．气缸壁的传热损失

5．其它损失，如泄露损失等。

二、四冲程柴油机工作原理

用四个行程（曲轴回转两转）完成一个工作循环的柴油机称四冲程柴油机。曲轴与凸轮轴转速之比为2/1。3940411．进气行程

（1）作用：使气缸满新鲜空气。

（2）进气提前角：进气阀开启时曲柄与上止点之间的夹角。用α1表示，α1过大，则缸内压力大可能产生废气倒流。

（3）进气延迟角：进气阀关闭时曲柄与下止点之间的夹角。用α2表示，α2过大，则压缩行程变短。

一般增压机的α1、α2均大于非增压机。气阀开启的延续角约为220˚～250˚CA。

422．压缩行程

（1）作用：①使燃烧过程的温度升高，提高工作循环的热效率②提高工质的温度和压力，为冷车起动和着火作准备③使循环的工质得到更大的膨胀比，对活塞做更多的功。

（2）压缩终点：Pc=3～6MPa；Tc=600～700℃。燃油自燃温度为210~270℃。3．膨胀行程（1）作用：进行燃烧膨胀对外作功。（2）PZ=5～8MPa；TZ=1400～1800℃。Pb=0.3～0.6MPa，Tb=600～700℃。434．排气行程

（1）作用：将做功后的废气排出缸外，为下一个循环充入新气做准备。

（2）排气提前角：排气阀开启时曲柄与下止点之间的夹角，用β1表示。排气阀提前开启有两个好处：①多排出废气②减少排气耗功。但β1过大，则膨胀功损失大。

（3）排气延迟角：排气阀关闭时曲柄与上止点之间的夹角。用β2表示，β2过大，则排气管中的废气会倒流（活塞下行）。

44一般增压机的β1、β2均大于非增压机。气阀开启的延续角约为230˚～260˚CA。

进气和排气冲程均大于180˚CA。二压缩与膨胀冲程均小于180˚CA。

综上所述，在四冲程柴油机中，要经历进气、压缩、膨胀、排气等四个行程才完成一个工作循环；与此相应的是曲轴回转两转，即720˚曲轴转角。而且，在四个行程中，只有膨胀行程才作功，其余三个行程都要消耗功。因此，单缸柴油机，飞轮较大。

45三、气阀重叠角和定时图

1．气阀重叠角：进、排气阀同时开启的曲轴转角。为α1+β2作用：（1）在气阀叠开期间，利用废气流动惯性的作用，在燃烧室内形成一定的低压，造成抽吸新鲜空气的有利条件，将新气吸入气缸。（2）利用吸入的新气更好地把废气扫出气缸。（3）利用新气对燃烧室部件进行冷却。四冲程机均有一定的气阀重叠角，而且增压柴油机的气阀重叠角均大于非增压机。一般非增压机为25˚～50˚CA，增压机为80˚～130˚CA。

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3．定时图：用曲轴转角表示气阀正时的圆图。正时圆图的要素：①止点；②转向；③提前角和延迟角；④过程。进气过程：ψ12=ψ1+180+ψ2；进气凸轮作用角：ψ12=（ψ1+180+ψ2）/2；排气过程：ψ34=ψ3+180+ψ4；排气凸轮作用角：ψ34=（ψ3+180+ψ4）/2；4.气阀提前开延迟闭的目的：将废气排除干净和增加空气的吸入量，从而有利于燃油的燃烧。因此，气阀正时影响四冲程柴油机的作功能力、经济性和寿命。474849四、二冲程柴油机的基本工作原理

1．概念：两个行程（曲轴回转一转）完成一个工作循环。曲轴与凸轮轴转速之比为1/1。二冲程柴油机一个工作循环的五个过程是在两个行程中完成的。其扫排气过程约为120~150℃A，进气必须增压以利于换气。2．工作原理：（动画演示）（1）换气—压缩行程换气：(0-3-4)压缩：(4-c)（2）膨胀—换气行程燃烧膨胀：（c-z-1）排气过程：（1-2-0）505152（3）定时图：

（4）有效压缩比：εe=1+(1-φS)VS/VC

53（5）二冲程机与四冲程机相比的优缺点

①二冲程机做功能力强，其功率实际约为四冲程机的1.6～1.8倍。②二冲程机相邻两个做功冲程间隔时间短，回转均匀。③二冲程机省去了气阀及其传动机构，结构简单，管理方便。④二冲程机换气质量差。⑤二冲程机空气消耗量多，燃油耗率高。⑥二冲程机燃烧室部件热负荷高。54五、增压柴油机的基本工作原理

1．概念：

在气缸容积不变的情况下，通过提高进气压力来提高柴油机功率的方法。2．增压方式：（按增压器所利用能量不同）（1）机械增压（2）废气涡轮增压（3）复合增压3．增压压力分类（1）低增压PK≤0.17MPa(2)中增压0.17MPa＜PK≤0.25MPa（3）高增压0.25MPa＜PK≤0.35MPa（4）超高增压PK＞0.35MPa55五、增压柴油机的基本工作原理

1．概念：

在气缸容积不变的情况下，通过提高进气压力来提高柴油机功率的方法。2．增压方式：（按增压器所利用能量不同）（1）机械增压（2）废气涡轮增压（3）复合增压3．增压压力分类（1）低增压PK≤0.17MPa(2)中增压0.17MPa＜PK≤0.25MPa（3）高增压0.25MPa＜PK≤0.35MPa（4）超高增压PK＞0.35MPa56增压柴油机的特点气阀重叠角加大-这是为了利用压力空气来赶走残存在缸内的废气。加强“燃烧室扫气”；同时降低燃烧家组件以及其它有关机件的温度，提高柴油机的工作可靠性。喷油提前角减小，因为增压后．燃油燃烧滞燃期缩短。减小喷油提前角可防止柴油机了作粗暴。57六、二冲程柴油机的换气形式

横流

弯流半回流换气形式回流直流1．横流（1）特点：缸盖上没有进、排气阀，扫、排气口分别布置在气缸两侧，排气口高于扫气口。5859（2）优缺点：

①无排气阀，结构简单，管理方便。②换气质量差。气体流动路线长，弯曲转向，阻力大。③缸套下部两侧受热温度不同，易产生变形。④缸套易产生偏磨。在扫气压力作用下会将活塞压向排气口一侧。⑤增压系统布置较困难。⑥存在过后排气损失。602．回流扫气：

（1）特点：缸盖上没有进、排气阀，扫、排气口分别布置在气缸同一侧，排气口高于扫气口，扫气口向下倾斜，活塞制成凹顶。

（2）优缺点：

3．半回流（新横流）扫气兼有横流和回流扫气的特点。缸盖上没有进、排气阀，扫、排气口分别布置在气缸同一侧，排气口高于扫气口，在排气管中装有回转控制阀。614．直流扫气

（1）特点：缸盖上设有排气阀，扫气口均匀分布在气缸下部一周，扫气口有水平和垂直方向倾斜。

（2）优缺点：

①设有排气阀，结构复杂，管理麻烦。喷油器布置困难。

②气体流动路线短，阻力小，换气质量好。

③缸套下部受热均匀，不会变形，活塞与缸套间磨损均匀（因扫气压力均匀作用在活塞外圆上）。

④扫气口总宽度比弯流式大，流通能力强。

⑤排气阀正时可调，可避免过后排气损失。

62二冲程机换气质量从好到坏依次为直流横流半回流回流

弯流扫气S/D＜2.2

长冲程S/D＞2.5

超长冲程S/D＞3.0

直流扫气成为现代船用大型柴油机的主要换气型式。

63第三节柴油机的性能指标和工作参数

一、动力性和经济性指标柴油机的主要性能指标包括动力性和经济性两个方面的指标。动力性和经济性指标又可以分成指示指标和有效指标两类。

641．指示指标：是以缸内工质对活塞所作的功为基础的指标，表征气缸内部工作情况，其优劣取决于气缸内部实际工作循环进行的完善程度（包括不完全燃烧、燃烧延迟、气体泄漏、气缸壁传热损失等）。

2．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指标，它扣除了柴油机内的一切损失，其优劣取决于工作循环进行的完善程度外，还得取决于机械损失的大小。65二、指示指标

1．平均指示压力pi平均指示压力pi：是一个假想的作用在活塞上的数值不变的压力，它推动活塞一个行程所作的功与一个工作循环的指示功Li相等。即：

（N·m或J）式中：pi——平均指示压力，Pa；F——活塞面积，m2；S——活塞行程，m；VS——气缸工作容积，m3。66因此平均指示压力pi是单位气缸工作容积每一工作循环的指示功。它的数值与气缸工作容积的大小无关。因此可以用pi

来比较不同气缸尺寸和不同类型的柴油机的做功能力——强化程度。pi

值大，表明其单位气缸工作容积的做功能力大，柴油机气缸工作容积利用程度大。喷入的燃油量相同时，pi

值大表明其工作循环进行得比较完善。所以pi

是评定柴油机工作循环动力性的重要指标。

67

影响pi值的因素：（1）负荷即循环的供油量。（2）缸内工质混合的完善程度（3）过量空气系数（4）换气质量（5）燃烧质量

增压机pi＞非增压机；四冲程机pi＞二冲程机；直流pi＞弯流

2．指示功率Ni

指示功率是指气缸内的工质在单位时间内所作的指示功。683．指示热效率ηi和指示油耗率gi

式中：3600——一千瓦小时相当的热量，kJ/（kW·h)；Gf——柴油机每小时油耗量，kg/h；Hu——所用燃料低热值Ni——指示功率，kW。69三、有效指标

1．有效功率Ne和机械效率

m

（1）曲轴输出端传出的功率称为有效功率，用Ne表示，Ne=Ni-Nm

。（2）机械损失功率Nm：包括：①摩擦损失。主要是活塞、活塞环与缸套间的摩擦损失，约占全部摩擦损失55％～65％。②拖动损失。③泵气损失功率。非增压四冲程柴油机。70（3）机械效率

m：机械效率

m是有效功率Ne与指示功率Ni，之比值，即：

影响机械效率

m的因素：①负荷：当转速不变，机械效率随负荷增加而增加。空载运行时，

m=0。②转速：当负荷（pi）不变，机械效率随转速提高而降低。③滑油温度与冷却水温度：应适当，过高或过低均会使

m降低

m。712．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。pe

值大，表明其单位气缸工作容积的做功能力大，柴油机气缸工作容积利用程度大。

3．有效燃油消耗率ge和有效热效率

e

有效油耗率是指每一千瓦有效功率每小时所消耗的燃油量。单位是kg/（kW·h）。即72式中：Gf——柴油机每小时油耗量，kg/h；

Ne——柴油机有效功率，kW。

有效热效率

e是指曲轴有效功与所消耗的热量之比，即：

73四、其它常用参数

1．最高爆发压力pz：燃烧过程中气缸内工质的最高压力。表示柴油机零件所承受的机械负荷的大小。最高爆发压力pz对柴油机结构性能的影响：（1）pz增大使柴油机结构尺寸增大，柴油机笨重。（2）pz增大使各受力部件的应力和变形，会造成疲劳破坏、使磨损和振动和噪音增大。（3）pz增大会破坏润滑油膜，加剧活塞环与缸套、轴颈与轴瓦等的磨损，使寿命下降；（4）pz增大会提高最高爆发压力pz，可提高柴油机的热效率，降低燃油消耗。

742．排气温度：一般用排气温度来衡量热负荷的高低。

3．活塞平均速度Vm

Vm=n.S/30。Vm增加Ne增加，但零件的机械负荷和热负荷同时增加，机件磨损增加。

4．行程缸径比S/D。

5．强化系数peVm。

6．压缩比。

7.比重量。

8.单位体积功率。

75第四节船舶柴油机的发展

一、船舶柴油机的发展

1.船舶柴油机发展的沿革

1776年瓦特蒸汽机

1876年，德国人奥托第一次提出四冲程循环原理，发明了电点火的四冲程煤气机(14%)

1880年，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RudolfDiesel申请了压缩发火内燃机专利

1897年在MAN公司制成第一台实际使用的柴油机(压燃式、空气喷射、定压燃烧)，其效率因可采用较大的压缩比而比煤气机有显著提高

1904年柴油机首次用于船舶推进装置(29.4kw，260r/min)。

1927年在柴油机上正式使用了由R.Bosch发明的喷油泵(回油孔式)一喷油器喷射系统，代替了原需用7MPa压缩空气喷油的空气喷射系统．实现了混合燃烧。

1926年瑞士人A．JBachi设计了一台废气祸轮增压柴油机.

762.船舶柴油机的现状与发展趋势提高经济性的研究，包括燃烧、增压、低摩擦、低磨损等的研究；智能化技术提高可靠性和全寿命经济性电子技术在柴油机中的运用自动遥测监控系统柴油机的研发采用虚拟技术代用清洁燃料研究和低排放技术的实施77二、现代船用柴油机提高经济性的措施

1．采用定压涡轮增压系统和高效率废气涡轮增压器；2．增大行程缸径比S/D；S/D增加，燃气的膨胀功增加。同时在Vm不变的情况下，转速降低，可提高螺旋桨的效率。3．提高pz与pe之比；

可提高经济性，但机械负荷也大幅度增加。4．增大压缩比；增压机为限制pz，为保证柴油机有足够的机械强度，常降低压缩比，但经济性也降低。现在为提高经济性，仍采用增大压缩比的措施。785．采用VIT机构：

部分负荷时可保持较高的pz，改善部分负荷的经济性。

6．提高机械效率

m：

采用短裙活塞，减少活塞环数目以减少磨擦。

7．采用动力涡轮系统（TCS）

8．轴带发电机；

9．废热再利用：

如废气、缸套水再利用。

10．改进喷射与燃烧技术：

采用高喷油压力、高喷油率、二