华科大船舶动力装置课件第4章 船舶柴油机

第4章船舶柴油机

一柴油机的主要部件及常用名词

柴油机根据其工作原理的不同，可分成四冲程柴油机和二冲程柴油机两大类。这两类柴油机在结构上有一定的区别。

1、四冲程柴油机的主要部件如图4-1所示，它包括：

4-1柴油机的基本构造和工作原理柴油机是以柴油为燃料，且燃料在机器内部（气缸中）经过燃烧，将化学能转变为热能，并以燃气为工质，再将热能转变为机械功的一种内燃式热力发动机。由于它热效率高，经济性好，使用安全可靠，因此，无论在陆地上或船舶上都获得了广泛的应用。

1）固定部件机座1、机身4、主轴承3、气缸套6、气缸盖7等。

2）运动部件活塞8、活塞销9、连杆10、连杆螺栓11、曲轴13等。

3）配气机构凸轮轴14、顶杆15、摇臂16、进气阀17、排气阀18、气阀弹簧19等。

4）燃油系统高压喷油泵20、高压油管21、喷油器2等。

5）辅助部件进气管5、排气管12等。此外，柴油机还必须具备润滑、冷却、操纵控制、调整、传动机构等系统的零部件。

图4-1四冲程柴油机的主要部件

1-机座；2-喷油器;3-主轴承；4-机身；

5-进气管;6-气缸套;7-气缸盖；8-活塞；

9-活塞销；10-连杆;11-连杆螺栓;12-排气管;13-曲轴;14-凸轮轴;15-顶杆；16-摇臂；17-进气阀;18-排气阀;19-气阀弹簧；20-高压喷油泵；21-高压油管。

2、二冲程柴油机的主要部件如图4-2所示，它包括：

1）固定部件机座1、主轴承2、机架3、导板4、扫气箱5、气缸体7、气缸盖6等。

2）运动部件活塞8、活塞杆9、十字头10、连杆11、曲轴12等。

3）配气机构凸轮轴15、凸轮轴传动链16、排气转阀17等。

4）燃油系统喷油泵18、高压燃油管19、喷油器20等。

5）增压系统增压器21、单向阀14、空气冷却器13等。此外，它也具备润滑、冷却、传动机构、操纵调节等系统。图4-2二冲程柴油机的主要部件

1-机座；2-主轴承；

3-机架；4-导板；

5-空气箱；6-气缸；

7-气缸体；8-活塞；

9-活塞杆；10-十字头；11-连杆；12-曲轴；13-空气冷却器；14-单向阀；15-凸轮轴；16-凸轮轴传动链；17-排气转阀;18-喷油泵；19-高压柴油管；20-喷油器；21-增压器。

3常用名词述语

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：（如图4-3所示）

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（图1-13）。

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。

图4-3气缸容积

1、四冲程柴油机工作原理

1)工作循环过程

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。图4-4所示的四个简图，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。

二柴油机的工作原理

图4-4四冲程柴油机工作原理

1-进气阀；2-排气阀；3-喷油器；4-连杆；5-曲轴；6-活塞第一冲程——进气冲程，曲柄转角Φa-b

表示进气过程。第二冲程——压缩冲程，压缩过程用曲柄转角Φb=c

表示。第三冲程——工作冲程，工作过程用曲柄转角Φc-d-e

表示。第四冲程——排气冲程，排气过程用曲柄转角Φe-f

表示。

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。

2.二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（如图4-5所示，a直流扫气b横流扫气）。

图4-5a)直流扫气b)横流扫气

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（曲柄在点的位置），空气停止充入，接着排气阀关闭（曲柄在点a的位置），气缸中的空气就开始被压缩，压缩至上死点（点b）前一些（点）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位置），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（曲柄在点e位置）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（点位置）后活塞将扫气口全部遮住（点位置），排气阀关闭（点a位置）为止。活塞继续运动，又开始了下一个循环。

图4-6(1)二冲程柴油机工作原理图4-6(2)二冲程柴油机工作原理

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1.6~1.8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。

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。

三柴油机的增压

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：

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。

a)机械增压图4-7a）所示为一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。

图4-7柴油机的增压

a)机械增压

b)废气涡轮增压图4-7b)表示了废气涡轮增压器的简单线图。图4-7柴油机的增压

b)废气涡轮增压

c)两种增压方法的比较机械增压的柴油机中，增压压力一般不能太高（以不超过0.16~0.17MPa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3.5～4。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。

4-2柴油机的工作参数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。

一指示指标

示功图概念

如图1-18a）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）。a)b)

图1-18柴油机示功图

1．平均指示压力Pi

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1-18b)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，即

Vs——气缸工作容积,m3。一般计算时，平均指示压力的单位用MPa，以Pi

表示。

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。

2.指示功率Ni

1）指示功率的表达式从示功图知道柴油机每个气缸，每个循环所作的功为Li，则每秒钟作功为：式中:

n——曲轴每分钟转数；

τ——冲程系数，四中程τ

=4，二冲程τ

=2；

Pi——平均指示压力，MPa(应该是Pa吧？)；

Vs——气缸工作容积，m3。

对于i个气缸的整台柴油机来说，指示功率为：

2）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值也即是提高增压度的方法。

3．指示效率和指示耗油率

1)指示效率ηi

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ηi来表示损失的大小。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。

式中:Hu

——每千克燃油的低发热值，KJ/kg。

2)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ηi也就愈低。所以ηi、gi是表示工作循环进行得好坏的指标。

（二）有效指标柴油机的指示指标是以工质对活塞作功为基础上的。但在实际上，柴油机是通过曲轴对外作功的，曲轴上的功才是实际的有效功。以曲轴上所得功为基础的指标即为有效指标，有效指标有下列几种：

1．械损失功率Nm和有效功率Ne

1）机械损失功率Nm

：（

由以下四部分组成）

a）摩擦损失功率Nm1：柴油机各相对运动部件表面因摩擦而消耗的功率（与摩擦面上的正压力、运动速度，加工质量等有关）。

b）带动辅助机械所消耗的功率Nm2：如带有喷油泵、燃油泵、冷却水泵、滑油泵、分配机构等。

c）泵气功率损失Nm3：这种损失只产生在非增压四冲程柴油机中，即进排气过程中所引起的功率损失。

d）机械增压器或扫气泵功率损失Nm4：机械增压器或扫气泵（罗茨泵），由于通过曲轴驱动，均需消耗一部分功率。显然废气涡轮增压或不带机械增压器的柴油机，无这种功率损失。

整个机械损失功率为：

2)有效功率Ne

将气缸内，发出的指示功率Ni扣除了机械损失功率Nm以后就是柴油机输出轴向外输出的有效功率Ne，又称轴功率或制动功率。柴油机有效功率是在试验台上用水力测功器或电力测功器直接测出，在船上可用扭力测功器等仪器测出。

2．机械效率ηm

柴油机的机械效率就是有效功率与指示功率的比值，即

现代船用柴油机在额定工况下ηm值：四冲程非增压柴油机ηm约为0.75~0.85；四冲程增压柴油机ηm约为0.80~0.92；二冲程非增压柴油机ηm约为0.73~0.862；二冲程增压柴油机ηm约为0.80~0.95。

3．平均有效压力Pe

知道了平均指示压力Pe和机械效率ηm之后，就可以求出柴油机的平均有效压力。

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。pe值高，则说明柴油机的强化程度高，气缸内的潜力发挥得充分，所以它是柴油机中一个极为重要的指标。

4．柴油机的有效效率ηe和有效耗油率ge

在考虑了柴油机的热损失和机械损失之后，所剩下的就是柴油机的输出功了。我们用有效效率ηe来表示柴油机的总效率：和有效效率ηe相对应的是有效耗油率ge，它表示柴油机每发出一千瓦小时的功率所消耗的燃油量。式中:GT——每小时燃油消耗量。

4-4柴油机的特性

一概述

1、指示功率的表达式

Ni=pi·vs

·

n·i/(0.03τ)KW2、有效功率的表达式

Ne=Ni·

ηm=pi·vs

·

n·i·ηm/(0.03τ)KW(pe=pi·ηm)

Ne

=pe·vs

·

n·i/(0.03τ)KW3、参数关系

1)对一给定的柴油机来讲，vs、i、

τ为已知常数。因此，Ne是随pe

、

n而变的函数：

Ne

=f（pe

、n）

2)

输出矩扭Me与Ne之间的关系为：

Ne

=Me·n/9

.55

或Ne

=f（Me、n）或Me=9

.55Ne

/n式中：Me————柴油机的输出矩扭。

3)

输出矩扭Me与平均有效压力pe

之间的关系为：

Me=9

.55Ne

/n=9

.55Vs·pe/(0.03τ)=K·pe式中：

Vs————柴油机的气缸工作容积总和。Vs=vs

·iK———对一给定的柴油机来讲，

K=

9

.55Vs/(0.03τ)=常数。因此，

Me与pe

成正比，即与喷油量成正比。记为：

Me=f(pe

)

4)

总结：

Ne

=f（pe

、n）

Me=f(pe

)

3、柴油机运行规律与参数之间的关系：

1）n变，

pe

不变。（即每一个工作循环的喷油量不变）

2）n变，

pe

也变。

3）n不变，

pe

变。

4、柴油机特性概念：柴油机工作参数（

Ni，Ne，ηi，ηe，gi，

ge，Me等）和变量pe

、n之间的函数关系为称柴油机的特性。

5、柴油机特性分类：柴油机工作参数（Ni，

Ne，ηi，ηe，gi，

ge，Me等）随转速n和随平均有效压力Pe而变化的规律分别叫做柴油机的速度特性和负荷特性。

柴油机特性分类如下：

柴油机特性

二、速度特性(n变)

1、外特性

n变，pe一定时，由Ne=f（pe

、n）知:

Ne∝n;Me=f(pe

)=常数。

Ne

=Me·n/9

.55=f(n)

即Ne

与n成直线关系,如下图所示.

实际上有如下因素影响：

（1）每循环进气量与n有关。2）热态状与n有关。（3）指示效率的变化。（4）每循环喷油量也与n有关。定时，因此，pe

是变化的。

1）外特性的定义

在速度特性线中，把柴油机在喷油量（即pe）不变时，在各种转速n下的最大做功能力称为柴油机的外特性。

2）外特性的种类

根据柴油机工作时的强化程度不同，其又可分为：（1）极限功率外部特性曲线（简称极限外特性线）（平均有效压力pe1

）含义：柴油机热负荷和机械负荷达到极限程度。

（2）冒烟外特性线（又称为15分钟功率特性曲线）含义：柴油机热负荷非常高，表示开始冒烟与不冒烟的分界线。（平均有效压力pe2

）

pe2=(0.85~0.92)pe1

（3）超额外特性线（又称为1小时功率特性曲线）

含义：柴油机热负荷很高，一般作为船用主机的最大功率或超额功率，持续使用时间不应超过1小时。