船舶柴油机的基本知识

1、.课题1船舶柴油机的基本知识目的要求：1 .了解船舶柴油机的基本概念、优缺点。2 .掌握柴油机的基本结构和主要系统。3 .掌握柴油机的主要结构参数。掌握4.4、二冲程柴油机的工作原理。5.4、2冲程柴油机工作原理和结构差异比较。6 .了解船舶柴油机的基本分类和型号。主要难点：1 .柴油机和汽油发动机的不同。2 .进排气重叠角时序图。上课时间： 4学期教育方法：多媒体授课课外思考问题：1 .柴油机和汽油发动机有什么区别？2 .柴油机的主要结构构成和作用。3 .压缩比的意义和对柴油机工作性能有什么影响？4.4循环柴油机各工作过程的特点和特点。5 .二、四冲程通风在工作原理和结构上有什么区别？6.4

2、冲程柴油机的进排气为什么必须提前和延迟？阀重叠角是如何作用的？课题1船舶柴油机的基本知识第一节柴油机的概要和发展趋势一、柴油机概要1 .热机热机是指将热能转换成机械能的动力机械。 蒸汽发动机、汽轮机以及柴油机、汽油发动机等是热机中典型的机型。蒸汽发动机和汽轮机是同一个外燃发动机。 在这种机器中，燃烧(燃料的化学能变化为热能)在汽缸的外部(锅炉)产生，热能变化为机能在汽缸的内部产生。 该机器由于有热能传递中间工质(水蒸气)，必然会有热损失，因此热效率不高，动力装置整体非常重。 在能源问题突出的现在，无法与内燃机竞争，消失在船舶的动力装置中。2 .内燃机汽油发动机、柴油发动机和燃气轮机属于内燃机。

3、 这些机械运动形式(往返、旋转)虽然不同，但具有相同的工作特征燃料在发动机的汽缸内燃烧，直接利用燃料燃烧产生的高温高压气体在汽缸内膨胀而工作。 从能量转换的观点来看，这种机器的能量损失小，具有高热效率。 另外，因为在尺寸和重量等方面也有明显的优势，所以在与外燃机的竞争中取得了明显的领先地位。根据内燃机使用的燃料，大致分为汽油发动机、燃气发动机、柴油机、燃气轮机。 这些都有内燃机的共同特征，但都有各自的工作特征。 根据这些特征的不同，工作的原理、工作的经济性、使用范围有一定的差异。 当汽油发动机使用挥发性好的汽油作为燃料时，使用外部混合法(将汽油和空气混合在汽缸外部的进气管中的气化器)形成可燃混

4、合气体。 缸内燃烧是电点火式(电火花塞点火)。 这项工作的特征是汽油发动机不能采用高压缩比，限制了不能大幅度提高汽油发动机的经济性，也不允许作为船用发动机使用(汽油的火灾危险性很大)。 但是，它广泛应用于运输车辆。3 .柴油机柴油机是压缩点火的往复式内燃机。 使用低挥发性柴油和劣质燃料油作为燃料。 采用内部混合法(燃料和空气的混合在气缸内部发生)，形成可燃混合气体的缸内燃烧采用了压缩式(通过缸内空气的压缩引起的高温自我点火)。 这项工作的特征是柴油机具有热机领域最高热效率(达到55%左右)，允许作为船用发动机使用。 因此，柴油机在工程界得到了广泛的应用。 特别是在船用发动机上，柴油机是绝对领先

5、的。根据英国劳斯船级社的统计，1985年全世界制造的船舶中(2000t以上)，以柴油机为推进装置的占99.89%，1987年100%成为柴油机船。 船用主机的经济性、可靠性、寿命居第一位，尺寸、重量居第二位，低速机作为船用主机，大功率的4循环中速机作为滚动装船和集装箱船，中、高速机作为发电机适用。 柴油机通常具有以下优点(1)经济性好。 有效热效率在50%以上，可以使用廉价的重油，油耗低。(2)电力范围宽，单体电力为0.6kW45600kW，适用领域广泛。(3)尺寸小、重量轻，有利于船舶飞机的配置。(4)机动性好。 起动方便，加速性能好，具有宽转速和负荷调节范围，可直接逆转，适合船舶航行的各种

6、情况要求。同时，柴油机也有以下缺点(1)有机体振动、轴系扭振、噪音。(2)部分零件工作条件差，耐高温、高压，有冲击性负荷。二、现代船用柴油机的发展趋势经过近几十年特别是近十年的发展，现代船用柴油机发展到了高技术水平。 今后，随着生产力的发展，对船用柴油机提出了更高的要求，船舶柴油机也将继续发展和改善。 目前柴油机的发展，可以以节能为中心，充分考虑排放和可靠性要求，全面提高柴油机的性能。 根据这个发展目标，今后的研究趋势大致如下1 )提高燃烧、增压、低磨损等经济性的研究2 )减少柴油机排放的研究、排放是现代柴油机面临的严重挑战，随着船舶柴油机排放控制的限制，更加难以提高经济性也是船舶柴油机发展中

7、的新课题3 )提高可靠性和耐久性的研究4 )电子控制技术的研究5 )替代燃料的研究。1 .现代船用柴油机提高经济性的主要措施近年来，现代船用大型低速柴油机在提高经济性方面的成果超过了过去几十年。 各种节能措施相继出现，日益完善。 这些措施主要包括：1 )采用定压涡轮增压系统和高效排气涡轮增压器。2 )增大行程直径比S/D。3 )提高最高爆炸压力pz和平均有效压力pe之比pz/pe。4 )增大压缩比。5 )采用可变喷射正时(VIT )机构。6 )降低摩擦损失的工作会提高机械效率m。7 )采用动力涡轮系统(TCS )。8 )轴上有发电机(PTO )。9 )柴油机的废热再利用。10 )改善喷射和燃烧

8、技术。2 .现代船用低速柴油机的结构特征1 )燃烧室零件一般采用钻头冷却结构。2 )采用旋转式排气阀及液压式阀致动器。3 )油泵采用可变喷射正时(VIT )机构。4 )采用薄壁轴承。5 )采用独立的气缸润滑系统。6 )在曲柄轴上增设轴向阻尼器。7 )焊接曲柄轴。第二节柴油机的基本结构一、柴油机的基本工作原理柴油机是压缩点火的往复式内燃机。 其基本工作原理是，用发动机汽缸直接燃烧燃料，把燃料的化学能转化成热能，生成高温高压气体，通过气体膨胀推进活塞运动，通过曲柄连杆工作，把热能转化成机械能。柴油机经过进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程才完成工作周期。 然后，重复这些过程，继续柴油机的工作。二、

9、柴油机的基本结构(教材图1-1 )图1-l柴油机的基本结构构成l-气缸盖2-活塞3-气缸套4-心活塞销5-连杆6-连杆螺栓7-曲轴8-支架9-主轴承10-机体11-凸轮轴12-喷油泵13-顶杆14-进气管15摆臂1 阀17-高压油管18-喷射器19-排气阀20-阀弹簧21-排气管(1)固定部件主要由气缸盖、气缸套、机体、床、主轴承等构成柴油机主体和运动部件的支撑，和相关运动部件合作构成柴油机的工作空间。(2)运动部件主要由活塞、活塞销、连杆、连杆螺栓、曲柄轴等构成。 它们与固定部件合作完成空气的压缩和热能向机械能的转换。(3)配气系统有进气系统和排气系统。进气系统主要由空气滤清器、进气管部件、

10、气缸盖内的进气道、进气阀、阀弹簧、摇臂、挺杆、凸轮轴和凸轮轴的传动机构等构成，用于在规定时间内向气缸内填充足够的新鲜空气。排气系统主要由排气阀、阀弹簧、摇臂、插口、凸轮轴和传动机构、排气管、排气消音器等构成。 用于在规定时间内将气缸内工作后的废气排出到大气中。(4)燃料系统有供给和喷射两个系统。 前者由日用油箱、燃料过滤器、油泵等组成，后者由油泵、高压油管和喷射器组成。 其作用是供给柴油机燃烧所需的燃料。(5)润滑系统主要作用是润滑摩擦表面，减少零件磨损，延长寿命，降低摩擦功率损失，提高机械效率。(6)冷却系统主要作用是保持柴油机受热零件在适当的温度状态下工作。(7)启动系统柴油机本身没有自动

11、起动能力。 启动系统的任务是把柴油机从停车状态启动。(8)调速装置调速装置的作用是，柴油机根据外部阻力扭矩的变化使油泵的喷射量自动变化，使柴油机以选定的转速稳定运行。此外，船舶柴油机还设有转向装置，以起动、调速、转向和停车集中控制为操纵系统。 很多柴油机还设置了增压系统，以进一步提高柴油机的发动机能力。三、柴油机的基本结构参数(教材图1-2 )(1)气缸径d :气缸套的名义内径。(2)曲柄半径r :曲柄轴的曲柄销中心和主轴颈中心的距离。(3)上死点(TDC ) :活塞在气缸内移动的最上端位置，即活塞离曲轴中心线最远的位置。(4)下死点(BDC ) :活塞在气缸内移动的最下端的位置，即活塞最接近

12、曲轴中心线的位置。(5)也称为行程(s )、行程：活塞从上死点移动至下死点的直线距离。 相当于曲柄轴的曲柄半径r的两倍(S=2R )。 活塞移动1个行程，相当于曲柄轴旋转180 (曲柄角)。(6)气缸间隙容积(压缩室容积Vc ) :活塞位于气缸内上死点时，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包围的空间)容积。(7)间隙高度(尖端间隙):上死点时的活塞最高顶面与气缸盖底面的垂直距离。(8)气缸工作容积(Vh ) :活塞从气缸的上死点移动到下死点时扫描的容积。(9)汽缸总容积(Va ) :活塞在汽缸内位于下死点时，活塞顶部以上的汽缸总容积也称为汽缸最大容积。 Va=Vc Vh(1

13、0 )压缩比() :气缸总容积与压缩室容积之比，也称为几何学压缩比。 =Va/Vc=1 Vh/Vc图l-2柴油机的主要几何名称压缩比是柴油机的主要性能参数之一，表示缸内的工质被压缩的程度。 越大，被压缩的终点的压力、温度越高，柴油机容易起动，热效率也越高，越高，柴油机的工作变得粗鲁，机械负荷太大，磨损变得激烈，消耗压缩功增大，机械效率降低，输出功率减少。 可以通过改变Vc来调节。 柴油机压缩比约为1222。 中高速机的压缩比比低速机高。 低速机： 1315，中速机： 1417，高速机： 1522，增压器： 1114 (低散热少，增压后的Pc、Tc高)。如果汽缸直径和活塞行程决定，汽缸工作容积V

14、h也决定，因此为了调整压缩比，可以通过改变压缩容积Vc来实现。第三节柴油机的工作原理一、四冲程柴油机的工作原理(教材图1-3 )如果柴油机工作循环的进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程通过四个行程完成，即曲柄轴旋转两周，则该柴油机被称为四冲程柴油机。第一行程-进气行程这个行程的任务是给汽缸内充满新鲜空气。 活塞从上死点下降，进气阀打开，汽缸容积增大，因此汽缸内的压力下降，由于汽缸内外的气压差，新鲜空气通过进气阀被吸入汽缸。 由于流动阻力等的影响，在进气过程的大部分时间，气缸内的压力比大气压低，到达下死点时，气缸内的气压为0.080.95Mpa，温度约为3070。 此时，排气阀和喷射器都关闭。为

15、了改善柴油机的工作，必须在进气过程中尽量吸入新鲜空气。 从进气阀开阀开始点到上点的曲柄角称为进气提前角。 从下死点到进气阀关闭位置的曲柄角称为进气延迟角(利用惯性进气)。 吸气过程整体所占的总角度约为220250CA。第二行程-压缩行程这个行程的任务是压缩第一行程吸入的空气，提高空气的温度和压力，为柴油机的燃烧和膨胀创造条件。 活塞从下死点向上运动，进气阀关闭后压缩，直到活塞到达上死点。 活塞上升，气缸容积减少，气缸内的气体压力和温度上升，到达压缩终点后，压力上升到36MPa，温度上升到600700(柴油机的自燃温度为270左右)，通常，压缩终点的气体压力和温度分别用Pc和tc表示。四冲程发动

16、机压缩过程所占的总角度约为140160CA。图1-3循环柴油机的工作原理第三行程燃烧和膨胀行程这个笔划的任务是完成两次能量转换。 在活塞到达上止点之前，燃料经由喷射器向气缸的高温高压空气中呈雾状喷射、混合，在上止点附近自燃，燃料强烈燃烧，因此气缸内的气体温度急速上升到14001800以上，压力为58MPa，进而13MPa以上燃烧产生的最高压力称为最高爆炸压力，用pz表示，用最高温度tz表示。 高温高压气体(即工质)膨胀，推进活塞的下行工作。 在上死点后的某个时间点燃烧几乎结束，气体持续膨胀，在排气阀下死点前打开时，膨胀过程结束。 膨胀结束时气缸内气体压力pb约为0.250.45MPa，温度tb约为600700。四冲程发动机燃烧膨胀过程所占的总角度约为130160CA。第四行程-排气行程这项行程的任务是把工作后的废气排出汽缸外，为下一次循环新鲜空气的进入提供条件。 在这个阶段，因为要求废气的排出越干净越好，所以和进气阀的开闭一样，排气阀也提前打开，延迟关闭。 排气阀打开时，活塞还在下降，废气通过气缸内外的压力差自由排出。 排气阀打开到下止点的曲柄角称为排气提前角。 活塞从下死点上升时，废气被活塞从气缸中挤出，此时的排气过程比大气压(约1.051.1气压)稍高，在压力几乎不变的状态下进行。 排气阀延迟关闭直到活塞到达上死点，利用气流的惯性作用，可以继续排出废