《主推进动力装置（二三管轮）》-02第二章 柴油机基础

标题第一节柴油机的类型一、柴油机基本概念动力机械和工作机械热机内燃机和外燃机往复式和回转式汽油机和柴油机

第一节柴油机的类型

一、柴油机基本概念

1.动力机械和工作机械动力机械:将其它形式的能量(热能、电能、风能等)转化为机械能。工作机械:利用机械能来完成所需的工作。

第一节柴油机的类型

一、柴油机基本概念

2.热机热机：热能转换成机械能的动力机械称之为热机。典型的热机：蒸汽机、蒸汽轮机、燃气轮机、柴油机、汽油机等。第一节柴油机的类型热机在工作过程中需要完成两次能量转化过程。第一次能量转化过程：燃料的化学能通过燃烧转化为热能第二次能量转化过程：热能通过工质膨胀转化为机械能。化学能热能燃烧机械能膨胀

一、柴油机基本概念

第一节柴油机的类型3.内燃机和外燃机内燃机：如果两次能量转化过程是在同一机械设备的内部完成的，则称之为内燃机。汽油机、柴油机、燃气轮机都属于内燃机。优点：两次能量转换均发生在气缸内部，能量损失小，具有较高的热效率。在尺寸和重量等方面也具有明显优势(燃气轮机在热机中的单位重量功率最大)。

一、柴油机基本概念

第一节柴油机的类型3.内燃机和外燃机外燃机：两次能量转化过程分别在两个不同的机械设备内部完成，则称之为外燃机。蒸汽机、蒸汽轮机都属于外燃机化学能转变成热能的过程（燃烧）发生在锅炉中热能转变成机械能发生在汽缸内部。缺点：热能经中间工质(水蒸气)传递，必然存在热损失，所以它的热效率不高，整个动力装置也十分笨重。

一、柴油机基本概念

第一节柴油机的类型4.往复式和回转式往复式：柴油机、汽油机—工质的膨胀做功是通过活塞的往复运动实现。回转式：燃气轮机、蒸汽轮机—利用高速流动的工质在工作叶轮内膨胀，推动叶轮转动而工作。

一、柴油机基本概念

第一节柴油机的类型5.汽油机与柴油机汽油机：使用挥发性好的汽油做燃料，采用外部混合(汽油与空气在气缸外部进气管中进行混合)形成可燃混合气。燃烧为电点火式(电火花塞点火)。压缩比较低，经济性较差(与柴油机相比)。不能作为船用发动机使用(汽油的火灾危险性大)，广泛应用于运输车辆。

一、柴油机基本概念

第一节柴油机的类型汽油机第一节柴油机的类型汽油机第一节柴油机的类型5.汽油机与柴油机柴油机：使用挥发性较差的柴油或劣质燃料油做燃料。采用内部混合(燃油与空气的混合发生在气缸内部)形成可燃混合气。缸内燃烧采用压缩式发火(靠缸内空气压缩形成的高温自行发火)。柴油机是热效率最高的热机。在船用发动机中，柴油机已经取得了绝对统治地位。

一、柴油机基本概念

第一节柴油机的类型柴油机第一节柴油机的类型6.柴油机的优缺点优点：

(1)经济性好在所有热机中，柴油机热效率最高，有效热效率一般可达50%以上，可使用价廉的重油，燃油费用低。

(2)功率范围宽广柴油机的单机功率从0.6kW～100,000kW，适用的领域广，基本可满足各种不同类型船舶的要求。

一、柴油机基本概念

第一节柴油机的类型6.柴油机的优缺点优点：(3)尺寸小，重量轻（与蒸汽动力装置相比）工质在气缸中做功，不需要锅炉、冷凝器等设备，减少了机舱设备所占容积，减轻了重量，有利于船舶机舱布置。(4)机动性好柴油机起动方便，加速性能好。有较宽的转速和负荷范围，可直接反转，能适应船舶航行的各种工况要求(5)可靠性高，寿命长，维修方便

一、柴油机基本概念

第一节柴油机的类型6.柴油机的优缺点缺点：

(1)存在机身振动、轴系扭转振动和噪音。(2)某些部件的工作条件恶劣，承受高温、高压并具有冲击性负荷。

一、柴油机基本概念

第一节柴油机的类型7.柴油机的基本结构参数(1)上止点(TDC)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。(2)下止点(BDC)

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。

一、柴油机基本概念

第一节柴油机的类型7.柴油机的基本结构参数(3)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R的两倍(S＝2R)。活塞移动一个行程，相当于曲轴转动180°CA(曲轴转角)。(4)缸径(D)

气缸的内径。

一、柴油机基本概念

第一节柴油机的类型7.柴油机的基本结构参数(5)气缸余隙容积(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、气缸盖底面与气缸套表面之间所包围的空间)容积。(6)余隙高度(顶隙)上止点时活塞最高顶面与气缸盖底平面之垂直距离。

一、柴油机基本概念

第一节柴油机的类型7.柴油机的基本结构参数(7)气缸工作容积（Vs）

活塞在气缸中从上止点移动到下止点时所扫过的容积。(8)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，亦称气缸最大容积。Va＝Vs＋Vc

一、柴油机基本概念

第一节柴油机的类型7.柴油机的基本结构参数(9)压缩比(ε)气缸总容积与压缩室容积之比值，亦称几何压缩比。

一、柴油机基本概念

第一节柴油机的类型四冲程柴油机和二冲程柴油机增压柴油机和非增压柴油机大型、中型和小型柴油机低速、中速和高速柴油机筒形活塞柴油机和十字头式柴油机直列式和V型柴油机右旋和左旋柴油机可逆转和不可逆转柴油机单作用和双作用柴油机二、柴油机的类型第一节柴油机的类型1.四冲程柴油机和二冲程柴油机（工作循环）柴油机的一个工作循环包括进气、压缩、燃烧、膨胀、排气五个过程。四冲程柴油机-曲轴转2转，活塞运动4个行程完成1个工作循环二冲程柴油机-曲轴转1转活塞运动2个行程完成1个工作循环二、柴油机的类型第一节柴油机的类型2.增压柴油机和非增压柴油机（进气压力）

增压柴油机和非增压柴油机的主要区别在于：进气压力不同非增压柴油机在大气压力下进气增压柴油机则在较高的压力下进气二、柴油机的类型第一节柴油机的类型3.大型、中型和小型柴油机(气缸直径)小型柴油机

气缸直径在200mm以下中型柴油机

气缸直径在200mm~400mm之间大型柴油机

气缸直径在500mm以上

柴油机的大小也和其工作循环的冲程数及转速有关，

一般两冲程低速柴油机都属于大型低速机，而四冲程柴油机属于中小型柴油机。二、柴油机的类型第一节柴油机的类型4.低速、中速和高速柴油机（速度）柴油机的速度可以用曲轴转速n(r/min)表示。低速柴油机

n≤300r/min中速柴油机

300＜n≤1,000r/min高速柴油机

n＞1,000r/min二、柴油机的类型第一节柴油机的类型5.筒形活塞柴油机和十字头式柴油机（结构）二、柴油机的类型第一节柴油机的类型5.筒形活塞柴油机和十字头式柴油机（结构）筒形活塞柴油机筒形活塞的活塞通过活塞销直接与连杆相连。优点:结构简单、紧凑、轻便，发动机高度小。缺点:由于运动时有侧推力，活塞与气缸之间的磨损较大。中高速柴油机一般都采用此结构二、柴油机的类型第一节柴油机的类型5.筒形活塞柴油机和十字头式柴油机（结构）十字头式柴油机的活塞设活塞杆通过十字头与连杆相连接,在气缸下部设中隔板将气缸与曲轴箱隔开。优点:工作可靠，寿命长。缺点:重量和高度增大，结构复杂。大型低速二冲程柴油机都采用这种结构二、柴油机的类型第一节柴油机的类型6.直列式和V型柴油机（气缸排列）二、柴油机的类型第一节柴油机的类型326.直列式和V型柴油机船用柴油机通常均为多缸机。可增大柴油机单机功率同时可满足船舶机动性、可靠性的要求。直列式柴油机-具有两个或两个以上直立气缸并呈一列布置Ｖ型柴油机-具有两列气缸(汽缸数超过12)其中心线夹角呈Ｖ型布置，气缸夹角通常为90/60/45二、柴油机的类型第一节柴油机的类型6.直列式和V型柴油机V型机特点：单机功率较高比重量(柴油机净重量与标定功率的比值)较小在中、高速柴油机中用得较多二、柴油机的类型第一节柴油机的类型7.右旋和左旋柴油机（转向）右旋(转)柴油机-观察者由柴油机功率输出端向自由端看，正车时按顺时针方向旋转左旋柴油机-正车时按逆时针方向旋转的柴油机单台布置的船舶主柴油机通常均为右旋柴油机某些船舶的推进装置采用双机双桨推进装置。右旋柴油机，亦称右机-由船艉向船艏看，布置在船舶机舱右舷左旋柴油机，亦称左机-布置在机舱左舷二、柴油机的类型第一节柴油机的类型8.可逆转和不可逆转柴油机可逆转柴油机-可由操纵机构改变柴油机自身转向。不可逆转柴油机-曲轴仅能按同一方向旋转。船舶上直接带动螺旋桨的柴油机-可逆转柴油机不可逆转柴油机-带倒顺车离合器、齿轮箱轴系、变距桨轴系二、柴油机的类型第一节柴油机的类型9.单作用和双作用柴油机（动力行程数）

单作用-每个工作循环中只产生一个动力行程。双作用-每个工作循环中可以产生两个动力行程。二、柴油机的类型目前的柴油机都是单作用柴油机。第一节柴油机的类型船舶柴油机主要有两种类型：1.二冲程十字头式柴油机大型低速两冲程柴油机一般用作船舶主机，其气缸直径30~98cm之间，其最高转速一般不超过200r/min,采用十字头结构，两冲程循环，增压。其扫气方式为气口气阀式直流扫气，长行程或超长行程。其气缸排列为直列式，由于大型柴油机的转速很低，通常与螺旋桨直接连接，根据所带螺旋桨的不同，主机有可逆转和不可逆转两种。三、当前各种类型船舶柴油机的使用情况第一节柴油机的类型船舶柴油机主要有两种类型：2.四冲程筒型柴油机

中高速机，气缸直径在640mm以下，有直列式和V型机两种，其转速一般在400r/min以上,通常不可逆转。其主要用途一是作为船舶主机使用，可通过减速齿轮机构带动螺旋桨或采用电力驱动；二是作发电机的原动机。小型高速柴油机一般是指气缸直径200mm以下，转速1000r/min以上的柴油机。这类柴油机在船上通常作应急发动机使用，如应急发电机的原动机，救生艇的主机等。三、当前各种类型船舶柴油机的使用情况第一节柴油机的类型第二节柴油机的基本工作过程一、四冲程柴油机工作原理二、四冲程柴油机的换气定时与定时圆图三、二冲程柴油机工作原理四、二冲程柴油机的扫气方式五、增压柴油机的工作原理第二节柴油机的基本工作过程第二节柴油机的基本过程

燃油在柴油机气缸中燃烧做功，必须通过进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程才能实现，这五个过程称为柴油机的基本工作过程，进行了这五个过程就完成了一个工作循环。第二节柴油机的基本工作过程第一行程—进气行程空气进入气缸时相应的活塞行程。第二行程—压缩行程工质在气缸内被压缩时相应的活塞行程。第三行程—燃烧和膨胀行程工质在气缸内燃烧膨胀时相应的活塞行程。第四行程—排气行程废气从气缸内排出时相应的活塞行程。四冲程柴油机的一个工作循环是在四个活塞行程中完成的一、四冲程柴油机工作原理第二节柴油机的基本工作过程一、四冲程柴油机工作原理第二节柴油机的基本工作过程一、四冲程柴油机工作原理第二节柴油机的基本工作过程1.四冲程柴油机的配气定时与气阀重叠角定义在上止点前后进气阀与排气阀同时开启着，同一气缸的进、排气阀在上止点前后同时开启的曲轴转角称为气阀重叠角。二、四冲程柴油机的换气定时与定时圆图气阀正时圆图第二节柴油机的基本工作过程2.四冲程柴油机气阀重叠角作用

在气阀叠开期间，进气管、气缸、排气管连通，此时依靠废气的流动惯性，可以利用新鲜空气将燃烧室内的废气扫出气缸，实现燃烧室扫气。这不仅可以提高换气质量，还能利用进气冷却燃烧室有关部件。四冲程柴油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。二、四冲程柴油机的换气定时与定时圆图第二节柴油机的基本工作过程四冲程柴油机气阀重叠角二、四冲程柴油机的换气定时与定时圆图第二节柴油机的基本工作过程1.二冲程柴油机工作循环的实现活塞在两个行程内完成一个工作循环的柴油机叫做二冲程柴油机。在二冲程柴油机中取消了单独的进气与排气行程，其进气与排气过程几乎重叠在下止点前后约120ºCA～150ºCA内同时进行，也就是用新气驱赶废气，这一过程称之为扫气。（1）气口（2）进气压力三、二冲程柴油机的工作原理第二节柴油机的基本工作过程2.二冲程柴油机工作原理第二节柴油机的基本工作过程2.二冲程柴油机工作原理对于二冲程柴油机，它的真正压缩始点不在下止点而在进气口或排气阀(口)全部关闭时刻。通常将进气或排气阀(口)全部关闭瞬时的气缸容积与压缩室容积之比值称有效压缩比εe。

三、二冲程柴油机的工作原理第二节柴油机的基本工作过程3.二冲程与四冲程柴油机的比较(1)二冲程柴油机的功率约为四冲程机的1.6倍～1.8倍(2)二冲程柴油机曲轴每一转完成一个工作循环，因而回转比四冲程机均匀，可使用较小的飞轮。(3)二冲程柴油机换气机构较简单，便于维修保养。(4)二冲程柴油机的换气质量较四冲程机差。(5)二冲程柴油机的工作循环比四冲程机多一倍，所以二冲程机的热负荷比四冲程机高。

在提高功率方面二冲程柴油机比四冲程机优越，而在提高柴油机的强化程度方面四冲程机较二冲程机优越。三、二冲程柴油机的工作原理第二节柴油机的基本工作过程二冲程柴油机的换气型式四、二冲程柴油机的扫气方式第二节柴油机的基本工作过程第二节柴油机的基本工作过程1.简单横流扫气进、排气口位于气缸中心线的两侧，空气从进气口一侧沿气缸中心线向上，然后在靠近燃烧室部位回转到排气口的另一侧，再沿着气缸中心线向下，把废气从排气口清扫出气缸。四、二冲程柴油机的扫气方式2.回流式扫气进、排气口在气缸下部同一侧且排气口在进气口的上方。进气流沿活塞顶面向对侧的缸壁流动并沿缸壁向上流动，到气缸盖转向下流动，把废气从排气口中清扫出气缸。气流在缸内作“回线”流动四、二冲程柴油机的扫气方式第二节柴油机的基本工作过程3.半回流式扫气进气口布置在排气口的下方及两侧，气流在气缸内的流动特征兼有横流与回流的特点。某些早期的半回流扫气形式，在排气管中装有回转控制阀，该回转阀可在活塞上行活塞裙开启排气口前关闭排气管，防止新鲜空气经排气口流失。四、二冲程柴油机的扫气方式第二节柴油机的基本工作过程第二节柴油机的基本工作过程4.排气阀—扫气口直流扫气气缸下部均布一圈进气口，在气缸盖上有排气阀。空气从气缸下部进气口端进入气缸，沿气缸中心线上行驱赶废气从气缸盖上的排气阀排出气缸。四、二冲程柴油机的扫气方式第二节柴油机的基本工作过程第二节柴油机的基本工作过程弯流扫气特点：弯流扫气柴油机气流在缸内流动路线长(通常均大于2S)，新气与废气易掺混且存在死角与气流短路现象，因而换气质量较差。在横流扫气中，缸套下部的进、排气口两侧受热不同，容易产生变形。弯流扫气的结构简单，维修较方便。四、二冲程柴油机的扫气方式第二节柴油机的基本工作过程直流扫气特点：直流扫气气流在缸内流动路线短(约为S)，新气与废气不易掺混，因而换气质量较好。缸套下方受热均匀。结构复杂，维修较困难。现代船用大型柴油机随着行程缸径比S/D的增加,直流式(气阀—气口式)扫气成为现代船用大型柴油机的唯一采用的换气形式。四、二冲程柴油机的扫气方式第二节柴油机的基本工作过程所谓增压，就是用提高气缸进气压力的方法，使进入气缸的空气密度增加，从而可以增加喷入气缸的燃油量，以提高柴油机的平均有效压力和功率。根据驱动增压器所用的能量的不同，柴油机增压主要分为机械增压、废气涡轮增压和复合增压三种类型。五、增压柴油机的工作原理第二节柴油机的基本工作过程第二节柴油机的基本工作过程增压比：低增压高增压中增压超高增压1.52.53.5五、增压柴油机的工作原理第二节柴油机的基本工作过程第三节

柴油机功率的计算及热平衡一、柴油机的示功图及测取二、柴油机功率的计算方法三、柴油机的从燃料中获取能量的分配第三节柴油机功率的计算及热平衡示功图的定义示功图是气缸内工质压力随气缸容积或曲轴转角变化的图形。它通过专门的测量仪器测量。示功图的面积大小代表了柴油机气缸内一个工作循环的指示功的大小。它是研究柴油机气缸内工作过程完善程度的重要依据，也是用来计算柴油机指示功率的依据。一、柴油机的示功图及测取第三节柴油机功率的计算及热平衡2.示功图的测取在船舶上通常使用机械式示功器或电子示功器测取p-V示功图，(a)为四冲程柴油机p-V示功图，(b)为二冲程柴油机p-V示功图。一、柴油机的示功图及测取

p-V示功图第三节柴油机功率的计算及热平衡平均指示压力pi的计算方法

定义：假定一个数值不变的压力作用在活塞上，在一个膨胀行程内所作的功与一个工作循环的指示功Wi相等，这个假想的压力就称为平均指示压力。

意义：作功能力，循环完善程度

影响因素：循环供油量

负荷大小，

燃烧质量

二、柴油机功率的计算方法平均指示压力pi示意图第三节柴油机功率的计算及热平衡平均指示压力pi的计算方法

1）面积仪法2)十等分法用平均高度hi再除以示功器的弹簧比例M(mm/MPa)则可以得到pi值