青船院船舶柴油机课件04换气与增压

第四章换气与增压换气过程：从排气过程、扫气过程到进气终止的整个气体更换过程影响：柴油机的动力性、经济性、可靠性及排气污染角面值：气阀、气口流通面积随曲轴转角而变化的曲线与横坐标轴

所包围的面积。既定柴油机为定值时面值：气阀、气口流通面积随曲轴转角而变化的曲线与横坐标轴t所包围的面积。随转速升高而减小第一节换气过程与换气质量的评定一、四冲程柴油机的换气过程1换气过程1)自由排气阶段freeexhaust（1）排气阀在下止点前打开开始至下止点后（10－30。CA）气缸压力接近排气管压力为止（2）压差自由排气－缸内与排气管始终存在较大的压差（3）先后两个阶段：

超临界－废气以当地音速排出气缸；

亚临界－排气管压力与气缸压力之比大于临界值，小于音速排出气体（4）排气阀开启提前角要足够大以排尽废气多进新气，但如太大会使膨胀功损失增大，膨胀功减小，排气功减小（5）排气管内压力波振幅比进气管内大2)强制排气阶段compulsiveexhaust（1）自由排气结束开始到排气阀关闭为止（2）活塞推挤强制排气（3）排气阀在上止点后滞后关闭，如延后关闭角太大会使排烟管中废气又被吸入气缸

3)进气阶段scavengeorintake（1）理论上自进气阀开启点开始到进气阀关闭为止，实际自缸内压力低于进气管压力时开始（非增压机上止点后）（2）进气阀开启时刻对排气惯性有影响；关闭时刻对进气惯性作用有影响（3）进气阀开启提前角太大易产生废气倒灌；进气阀关闭滞后角太大易产生新鲜空气倒流并减小有效压缩比2气阀叠开与燃烧室扫气1）燃烧室扫气：气阀叠开期间新鲜空气对燃烧室的清扫2）四冲程机换气质量较高3）高增压机定时变化：排气阀提前角增大，滞后角增大，气阀重叠角增大，喷油提前角减小二、二冲程柴油机的换气过程1换气过程1）自由排气阶段（1）排气口（阀）开启到开始进气点（缸内压力与扫气压力相等）止，并非到扫气口开止（此时缸内压力高于扫气压力）（2）借助于缸内与排气管中的压差自由排气2）强制排气与扫气阶段（1）自缸内压力与扫气压力相等至扫气口关闭止（2）依靠扫气与缸内压差和缸内与排气管压差强制排气3）过后排气阶段（1）扫气口关闭到排气口（阀）关闭止（2）越短越好（3）排气口（阀）与扫气口同时关闭或提前关闭可避免过后排气或实现过后充气2换气特点1）换气时间短2）进气与排气同时进行且易掺混，换气结束残留废气较多3）换气过程中所消耗的功、空气量较多4）存在失效行程（1）有效压缩比

e：活塞上行扫排气口全部遮住或进气阀完全关闭时的Va与Vc之比（2）二冲程机

e=1+(1-

s)VsVc

s=气口高度

行程,称为行程失效系数，气口高度为活塞在下止点时其上平面到气口上边沿的距离，二冲程弯流扫气柴油机最大三、评定换气质量的参数1、残余废气系数1）定义：换气过程结束时，缸内残存的废气量Gr与充入气缸的新鲜空气量G0之比，即γr＝Ｇr／Ｇ０2）意义：越小说明换气越彻底，因此越小越好，理想为零2.

充量系数(充气效率)

c1）定义：每一工作循环进入气缸的实际充气量G0与在进气状态p0、T0(二冲程机为扫气压力ps、扫气温度Ts，增压机为pk、Tk）下能充满气缸工作容积Vs的理论充气量Gs的比值，即

c＝G0/Gs2）意义：表征换气过程完善程度的指标。通常均小于1，在理想状态下可能大于1，二冲程直流扫气机相对大3）影响充量系数

c的因素（1）影响因素：进气终点压力、温度、γr（压缩比无实际意义）（2）影响

气阀流通面积不足、进气系统脏污时，因进气压力降增大而使充量系数显著降低

转速升高、负荷增大、气缸过热、冷却不良及残余废气过多时，会导致进气温度升高、密度下降、进气量减少，充量系数降低4）提高措施：提高增压压力、增大进气阀（口）流道面积、增大排气阀开启提前角、增大气缸尺寸3

扫气效率ηs、扫气系数φs、给气比β(扫气过量空气系数)1）评价二冲程柴油机换气质量的指标2）

s（1）定义：换气过程结束后，气缸内的新鲜空气量G0与气缸内全部气体量Ga之比（2）意义：衡量扫气干净程度的指标；ηs愈大，标志着扫气愈干净。ηs的极限值是13）φs（1）定义：在一个循环中通过扫气口的全部扫气空气量Gk与换气过程结束后留在气缸中的新鲜空气量G0之比，即φs＝Ｇk/Ｇ０（2）意义：说明扫气空气消耗的相对量4）给气比（1）定义：每循环通过扫气口的新鲜空气量Gk与在进气状态下(ps、Ts)充满气缸工作容积Vs的理论空气量Gs之比，即β＝Gk/Gs（2）意义：说明扫气空气消耗的绝对量5）ηs愈高，

s和β愈小，扫气质量愈高，换气系统愈完善。一般

s

＝1.4－2.0，β＝1.0－1.3第二节换气机构换气机构：保证柴油机按规定顺序和时刻完成进、排气过程的机构组成：气阀机构、气阀传动机构、凸轮轴和凸轮轴传动机构作用：定时启闭气阀，保证柴油机工作过程连续和完善图4-5机械式气阀一、气阀机构1气阀和阀座1）工作条件（气阀机构中最恶劣）：（1）燃气高温、高压作用（排气阀温度最高）；（2）撞击、磨损；（3）高温腐蚀2）材料：气阀用耐热合金钢，阀座用合金铸铁或耐热合金钢，两者配合面堆焊钴基硬质合金(stellite)；阀杆用氮化、镀铬、滚压、抛光工艺提高耐磨性3）阀座用钻孔水冷，现代超长行程机开设空气槽可避免高温腐蚀。阀座安装多用过盈配合4）气阀阀面与阀座配合方式（1）全接触式：多用于小型高速机；阀线宽度一般为1.5－2.5ｍｍ（2）外接触式：多用于强载中速机；阀面锥角比座面锥角小0.5－1。；密封性好，拱腰变形后减小接触应力增加散热（3）内接触式：用于低速机；阀面锥角比座面锥角大0.2－0.5。；钒钠腐蚀小，阀盘在高温高压燃气作用下会发生热变形与机械变形，使其与阀面接触变为外接触式，减小接触应力增加散热5）阀面锥角增大，则气阀对中性好，密封性好，但磨损较大。通常为30。或45。。广泛应用的阀盘形状为平底。非增压四冲程机通常进气阀大于排气阀以提高充量系数2气阀弹簧1）作用：使气阀跟随凸轮的运动，保证气阀关闭2）类型

1）机械弹簧：大多数柴油机每个气阀有内外两根以提高抗疲劳能力及减振，增加工作可靠性。旋向相反可减少在开关阀时发生的自动研磨

2）空气弹簧：目前超长行程直流扫气机普遍采用3气阀导管1）作用：（1）承受侧推力；（2）气阀散热2）材料：常为铸铁或青铜3）润滑条件较差，常用滑油和柴油的混合油4旋阀器1）作用：（1）减少阀面与阀座上的积炭，减小磨损，贴合严密；（2）使阀盘均匀受热与散热以改善阀盘的热应力状态；（3）消除阀杆与导管间的积炭，防止阀杆卡死2）类型：（1）棘轮式；（2）杠杆式；（3）旋转帽式－用于强载燃用劣质燃油柴油机排气阀；（4）推进器式－用于大型低速机，推动力来自排气气流３）阀开启过程中使阀面与阀座周向缓慢旋转。如气阀导管结炭则无法正常旋转。5气阀机构分类1）不带阀壳式：气阀构造简单，但检修时必须拆下气缸盖，用于中小型机2）带阀壳式：气阀机构结构较复杂，但检修时不必拆卸气缸盖，检修方便，管理较方便，利于冷却，可以简化气缸盖的结构。用于大功率中、低速机二气阀传动机构1机械式气阀传动机构1）包括滚轮、顶杆、摇臂，连接方式是球形铰接，各处都需供油润滑，用于中小型机2）作用：传递凸轮运动

进、排气凸轮决定气阀启闭时刻

3）摇臂座紧固螺栓松动或摇臂轴磨损会使气阀晚开、早关；气阀卡死会造成顶杆弯曲，影响气阀传动机构工作2液压式传动机构1）用于超长行程低速机，主要包括液压传动器、顶头、油管、空气弹簧2）开阀靠液压传动器产生的油压。如气阀卡死或气阀上部液压传动器柱赛卡死会使液压系统安全阀开启。如补油阀泄漏会使气阀开度减小。检修完应进行现场试验以检查液压管路有否漏泄3）关阀靠空气弹簧的气体压力。如关阀空气压力过高，会使凸轮负荷和气阀敲击加重；如压力过低会使气阀不能很好的跟随凸轮的运动4）优点：利于布置，拆装方便，气阀不受侧推力，噪音小，阀与阀座撞击小缺点：调试与密封困难三凸轮轴及传动机构1凸轮轴1）作用：（1）控制柴油机中需要定时的设备（进、排气阀，喷油泵，空气分配器）；（2）带动调速器及其它附件的传动轮2）结构形式：（1）整体式，用于小型机；（2）装配式，用于大型机，常分成几段组装而成。某些新型机采用双轴结构3）工作条件：（1）磨损（凸轮轮廓曲率半径最小处较严重）；（2）接触应力大（易造成凸轮破坏）2凸轮轴传动机构1）齿轮传动机构（1）用于四冲程机及凸轮轴布置在机架中部的大型低速二冲程机（2）四冲程机装在飞轮端以减小曲轴扭振影响，保证传动比准确可靠。主、从动齿轮的传动速比为2：1（3）中间齿轮磨损对定时影响最大2）链传动机构用于凸轮轴布置在气缸体中部的大型低速机（1）优点：对于轴线的不平行度与中心距的误差不敏感缺点：链条容易产生晃动和敲击及松驰（2）导轨由导轨板及其上的特种耐油橡胶块组成，以防止链条的横向抖动和敲击，使之工作平稳（3）惰轮作用：张紧链条，增加包角，带动调速器（4）链条按啮合记号装在链轮上以保证定时正确（5）链传动机构磨损会使链条松弛，应用张紧轮张紧或更换链条（链条长度增加1.5％应换新）。张紧轮位于正车转动时链条的紧边（老机型）或松边（新机型，张紧链条方便）。张紧链条时要边盘车边张紧，盘车时要使张紧轮一侧的链条为松边。再度张紧时定时会发生变化。四、换气机构的故障与管理1、气阀机构故障换气机构中工作条件最为恶劣。主要故障有：1）阀面和阀座磨损和腐蚀（1）磨损症状为伤痕，由杂质冲刷或撞击造成（2）腐蚀症状为麻点，由高温腐蚀造成2）阀面与阀座烧损可能原因：（1）阀座扭曲、偏移、倾斜、失圆；（2）阀盘翘曲关闭不严；（3）气阀阀杆卡阻、弯曲；（4）阀面和阀座麻点，伤痕处漏气3）阀杆卡紧可能原因：（1）气阀导管间隙过小；（2）气阀导管间隙过大滑油结焦；（3）中心线不正4）阀杆与阀头断裂多由频繁撞击引起金属疲劳以及高温下金属机械强度降低造成5）气阀弹簧断裂多由弹簧振动造成6）阀壳产生裂纹多由安装时固紧螺栓预紧力过大造成2气阀间隙测量和调整、气阀定时检查1）气阀间隙测量和调整（1）气阀间隙

定义：气阀的热胀间隙或冷态下气阀阀杆顶端与摇臂头部之间的间隙

目的：防止运转中气阀关闭不严而漏气

影响：过小，气阀受热后关闭不严；过大，气阀晚开早关，使阀杆与摇臂撞击严重，噪声大，磨损大

具体数值见柴油机说明书，一般排气阀大于进气阀、增压机大于非增压机、大型机大于小型机。检查时数值大小可间接说明凸轮磨损程度（2）测量冷车时，正车盘车使气阀顶杆的滚轮落在凸轮基圆上。在摇臂顶杆端略加力将摇臂压向下，用塞尺测量摇臂与阀杆顶端间隙值。四冲程机保证各缸测完的最小盘车角度是小于360。CA。例：某四冲程机发火顺序为1-5-3-6-2-4，1缸盘至发火上止点，此时哪些气阀可测量

（3）调整与给定值比较，如不符合要求，可通过摇臂上的调节螺栓进行调节直至符合要求，最后锁紧螺母锁紧并再次用塞尺检查2）气阀定时的检查与调整（气阀间隙必须符合要求）（1）测量千分表触头压在进（排）气阀弹簧盘上然后缓慢正向盘车，表针稍有移动的飞轮刻度为开启提前角，回到原位时对应的飞轮刻度为关闭滞后角（2）调整转动凸轮法，气阀凸轮沿正车方向转动定时提前，反之滞后（3）以下情况需要调整气阀正时：凸轮、滚轮、传动齿轮等传动件磨损

定时滞后

，链轮、链条再度张紧，凸轮轴安装不正确，气阀间隙太大或太小3气阀与阀座的研磨与更换1）判断气阀能否研磨修理的主要依据是气阀厚度；阀座多是过盈配合，更换时应敲打出或破坏掉，安装时应首选冷却法；一般工艺次序是：车削或磨削、粗研磨砂对研、细研磨砂对研、滑油对研2）小型机阀座座面损伤时用铰刀修整；研磨时分别依据阀面和阀座角度磨削；密封面并非越宽越好3）中大型机阀座与气阀用专用研磨工具研磨，研磨时必须找正，否则会造成气阀和阀座不能密封4）厚度不足、严重烧蚀、翘曲严重应更换，通常不同时更换第四节废气涡轮增压器一、废气涡轮增压器的构造组成:废气涡轮、离心式压气机分类：轴流式涡轮增压器（大中型机用）、径流式涡轮增压器（中小型机用）发展：1978年以前提高增压比，以后提高效率为主1、轴流式废气涡轮由涡轮进气箱、喷嘴环、工作叶轮、隔热墙、排气箱等组成2、离心式压气机1）主要由进气消音器、进气箱、压气机叶轮（前弯的导风轮和半开式工作轮组成）、扩压器、排气箱（排气蜗壳）等组成2）半开式工作轮优点：（1）强度好，制造工艺简单；（2）允许有较高的轮缘速度；（3）能获得较高的增压压力图4－17VTR－4系列增压器剖视图23-隔热墙；25－压气机叶轮；26－压气机导风轮；29－涡轮机叶轮；32、33－滚动轴承；41、45－油封；42、43、44－气封；47、48－滑油泵；51－进气箱；52－喷嘴环；61－排气箱；74－进气蜗壳；79－扩压器；81－消音器；82－进气箱3、轴承1）按位置分外支承式和内支承式两种。外支承式：（1）优点－转子稳定性好，轴承受高温气体影响较小，便于密封，有利于增加轴承寿命（2）缺点－结构复杂，重量、尺寸大，清洗困难2）压气机端轴承止推轴承，承受转子径向与轴向负荷，并给转子轴向定位3）涡轮端轴承支持轴承，只承受转子的径向负荷4）滚动、滑动轴承（1）滚动轴承摩擦损失小，用于中小型增压器（2）滑动轴承结构简单，寿命长，用于大型增压器注：四冲程机常用的ABBVTR型增压器使用外置式滚动轴承5）润滑方式三种：甩油盘的飞溅润滑、专门油泵润滑、柴油机润滑系统供油润滑。最好是重力－强力混合润滑系统，因为透平油泵故障时重力油柜能维持短时供油。专门油泵润滑油泵多为齿轮泵，主机开航前备车冲车、试车后应及时检查滑油泵供油情况二、废气涡轮增压器的工作原理1、离心式压气机1）进气道流道渐缩，气体压力、温度降低，流速提高2）工作轮对气体作功，压力、温度、流速升高3）扩压器和排气涡壳流道渐扩，压力、温度升高，流速降低2、单级轴流式涡轮机1）喷嘴环喷嘴流道渐缩，废气压力、温度降低而流速升高2）叶轮叶片前缘在径向沿转向向前扭曲，工作叶轮作机械功，流道渐缩，废气压力、温度、绝对速度下降3）反动式涡轮机回转力矩来自冲动力矩和反动力矩（两力矩方向相同），都是在叶轮叶片上产生的；废气对涡轮做功多少主要取决于废气流量和热状态4）流动损失主要有：流动摩擦损失、叶轮摩擦鼓风损失、漏气损失、叶片进口撞击损失三、离心式压气机的工作特性及喘振机理1离心式压气机的工作特性1）定义：不同转速下的排气压力和效率随空气流量的变化特性2）压气机特性曲线：表示压气机特性的曲线2喘振1）压气机的固有特性2）现象：压力忽高忽低，流量忽大忽小，伴有喘息声或吼叫声3）机理：当压气机的流量小于设计流量时，气流在叶轮叶片前缘冲向叶片凹面，与叶片凸面发生分离；在扩压器中气流冲向叶片凸面，与叶片凹面发生分离。一般扩压器叶片内气流分离的扩展是主要原因，而叶轮进口处气流分离的扩展会使喘振加剧3柴油机与增压器匹配标志是：柴油机达到预定的增压指标；增压器在柴油机全部工作范围内都能稳定地运转；既不喘振也不超速，并且尽可能在高效区工作，即增压器工作特性曲线应离喘振线远一点，又要处在高效率区四柴油机废气涡轮增压系统组成：柴油机、压气机、废气涡轮、空气冷却器和辅助扫气泵(一)单独增压系统1方式：定压增压或脉冲增压2脉冲单独增压1）优点：低增压时起动性能较好2）适用机型：船用四冲程机广泛用；二冲程直流扫气机也用，但设一台应急鼓风机以备增压器完全损坏时使用3定压单独增压1）起动和低负荷性能差，附设电动辅助风机以改善2）当代高增压机主要增压方式：定压单独增压＋电动辅助风机(二)复合增压系统1二冲程机不易实现单独涡轮增压原因及改善措施1）原因：（1）热负荷比较大，要求过量空气系数α大，必须增加压气机供气量及功率；（2）靠压差扫气，采用废气涡轮增压后排气背压升高，要求扫气压力高，必须增加压气机供气量及功率；（3）扫气时新气掺混废气，废气能量降低，另气流路线长，更减少了废气能量，使涡轮机功率降低；因而导致涡轮发出功率与压气机所需功率不平衡2）改善措施：复合增压2复合增压类型1）串联增压系统（1）特点：涡轮增压器为第一级（增压约占增压压力的70－95%），往复式压气机为第二级（2）优点：柴油机起动性能好，低负荷性能好，利于实现高增压。当增压器损坏时依靠往复泵柴油机也能达70－80%标定转速，不需另设鼓风机缺点：结构复杂（3）用于意大利FIAT机，一级用定压增压2）串联旁通增压（1）特点：涡轮增压器为第一级，活塞下部空间为第二级，扫气箱外侧空间各缸共用，内侧空间各缸分开。部分串联增压。扫气前期活塞下行串联旁通增压，换气后期活塞上行串联失效为单独增压。增压压力随负荷增大而增高（2）优点：扫气初期扫气压力最高既防止废气倒冲又加强扫气效果；减小排气口高度（主要）；低负荷性能好，结构比串联简单；增压器损坏后可维持70％ｎb缺点：消耗功，一级为定压增压需附设辅助风机，空冷器后要设气水分离器除去增压空气中的水气（3）用于SULZER机和B&W机3）并联增压系统（1）特点：涡轮增压器与活塞下部空间并联工作，空冷器共用。涡轮增压器约提供75－80%的增压空气量。只用部分气缸下部做辅助增压泵，供气量随转速升高而减小（2）优点：中高负荷运转性能好缺点：低负荷性能差且易喘振（3）用于MANKZ、KSZ机五柴油机增压系统的喘振与消除1增压系统中增压器喘振的原因1）根本原因：压气机高背压低流量2）消除措施：降低背压，增加流量2运转中导致增压器喘振的原因及消除方法1）气流通道堵塞（最常见）（1）增压系统气体流动路线中任一环节发生阻塞都会使压气机流量减小，背压升高，引起喘振,如压气机进气滤网、空气冷却器、废气锅炉（2）消除方法：清洁

2）增压器与柴油机的运行失配（1）柴油机在低转速高负荷下运行－降低油门（2）操作不慎，如高速急停车或降速过快或加速过快－不久会自动消失（3）风浪天航行发生飞车并联增压系统和单独增压系统会喘振3）脉冲增压一缸熄火或各缸负荷严重不均同熄火缸相连的增压器发生喘振，消除方法：使熄火缸恢复工作或减小另一组气缸的供气量

4）环境温度的变化3、各种增压系统中增压器的运行特点1）单独增压系统：因流道堵塞常在低负荷时发生喘振，可用暂时提高负荷来消除2）串联增压系统：高（超）负荷下易发生喘振，可降低负荷消除；柴油机在全部转速范围内不会发生3）并联增压系统：低速运行时易发生喘振，消除措施－扫气箱设气阀或装设串－并联转换装置或采用并联喷射系统第五节增压系统的维护及故障排除一、增压系统的维护管理1增压器的日常管理1）运行中注意参数的测量、记录和调整2）运行时注意运转是否平稳和有无异常声响。听到钝重的嗡嗡声说明增压器失去动平衡3）特别注意轴承的润滑4）如停车超过一个月要把转子转动一个位置以防止轴弯曲变形，并在再次使用前通过起动空气吹动时倾听转动是否平稳5）拆装增压器时应阅读说明书，使用专用工具，装配时注意并严格控制有关配合间隙2、废气涡轮增压器的清洗1）一般每周一次，但不能代替定期拆检和清洗增压器2）清洗方法（1）废气