柴油机的换气和增压

1、柴油机的换气和增压 柴油机从开始排气、扫气到进气结束的整个气体更换过程称为换气过程。换气过程进行的完善，压缩过程开始时残留的废气量就少，寸留在汽缸中的新鲜空气就多，就为燃油的完全、及时燃烧创造了良好的条件。燃油完全、及时的燃烧，不但使柴油机发出更大的功率从而提高其动力性，使柴油机有较高的热效率，提高其经济性，而且完全的燃烧还意味着结碳减少，改善排气的污染，及时的燃烧还以为着较低的循环平均温度，从而提高柴油机的可靠性。因此，换气质量的好坏是柴油机工作优劣的先决条件。一四冲程柴油机的换气过程 因为汽缸压力及排气管内压力随曲轴转角的变化而变化；进、排气阀的通流截面积也随曲轴转角的变化而变化，因此，根

2、据气体流动的特点，将换气过程分为几个阶段：*自由排气阶段： 当排气阀开启时，汽缸压力远远高于排气管压力，排气管压力与汽缸压力之比小于临界值，气体流动为超临界流动，汽缸内废气以音速流过排气阀最小截面处。汽缸压力迅速下降，排气管压力升高。当排气管压力与汽缸压力之比大于临界压比时，气体流动转入亚音速流动阶段。到某一时刻，汽缸压力接近于排气管压力时，自由排气阶段即告结束。*强制排气阶段： 活塞上行将汽缸内的废气强制推挤入排气管的阶段，即为强制排气阶段。由于排气阀延迟关闭，此阶段的末尾可利用排气管中废气的流动惯性把汽缸内的废气继续吸出。*进气过程： 进气阀提前开启，汽缸中的废气压力低于进气压力时开始进气

3、。进气流具有一定的惯性。进气阀滞后关闭可使气体的动能转化为压力能，使进气终了时汽缸压力接近或略高于进气管压力。 *气阀叠开和燃烧室扫气过程： 在气阀叠开期间，进气管、燃烧室和排气管连通起来，当进气管中压力比排气管压力高时，新鲜空气进入汽缸并驱赶残留在燃烧室的废气一并进入排气管。这样，既有利于清扫残余废气、增加新鲜空气量，又有利于降低燃烧室部件冷却液难以冷却到的高温壁面的温度。但是，应该指出：气阀叠开角并不是大的就好，因为进气阀开启过早会造成废气倒冲入进气管；排气阀关闭过迟，过量的扫气空气会降低涡轮前排气温度，减少增压器涡轮获得的可用能。*在换气过程中，新鲜空气与废气是不相掺混的。因此，四冲程柴

4、油机的换气质量高。而。二冲程柴油机的换气过程 根据二冲程柴油机汽缸内气体变化的特点，可将换气过程分为三个主要阶段。*第一阶段（自由排气阶段）： 在膨胀冲程的末尾，下行的活塞把排气口打开，此时汽缸内的压力比排气管中的压力高得多，汽缸内压力与排气管压力之比值小于临界值，废气以临界速度流出排气口进入排气管。超临界流动持续到该比值等于临界值。此后废气以亚临界速度自由排出汽缸。当汽缸内压力约等于扫气箱空气压力时，自由排气阶段结束。注意：扫气口刚打开时，汽缸压力仍略高于扫气压力，但因压差不大而时间又很短，因此，倒流可以忽略。如果排气不畅、排气阀开启正时偏迟，废气倒冲就会很严重，甚至可能引起扫气箱着火。*第

5、二阶段（强制排气和扫气阶段）： 该阶段开始时，由于扫气口开度小，排气口已开得很大，汽缸中的废气正以很高的速度进入排气管，汽缸内的压力继续迅速降低。由于废气流的惯性作用，汽缸内压力进一步降低。然后，随着扫气口开度的增加，新鲜空气大量进入，汽缸中压力逐渐升高。在扫气口关闭而结束此阶段前，汽缸内压力趋于稳定。在本阶段中，主要是利用扫气空气进入汽缸把汽缸内的废气排挤出去，因此称为强制排气及扫气阶段。*第三阶段（过后排气阶段）： 活塞上行先关闭扫气口。此时，汽缸中的残余废气掺混部分新鲜空气经由仍然开启的排气口继续进入排气管，直到排气口（或阀）关闭，汽缸内开始进行压缩过程。*二冲程柴油机换气的持续时间约为

6、120150度曲柄转角。四冲程柴油机实现换气过程所占时间则相当于400500度曲柄转角。如果转速相同，则二冲程柴油机的换气时间只有四冲程柴油机换气时间的1/3。因此，讹传齿唇音机进行比较完善的换气比较困难，高、中速柴油机尤其困难。三。时面值、角面值 在一次换气过程中各个阶段气口或气阀的通流能力是以它们所拥有的时面值来衡量的。它不仅考虑了气口或气阀开启面积的大小，同时还考虑了开启时间的长短。 角面值表示气口或气阀的通流能力。对于给定的柴油机它是一个定值，它的大小与柴油机的转速无关。注：关于时面值、角面值的详细资料及相关的计算公式、符号均在船舶柴油机教材P61。四。充七系数 在进气过程结束后，由于

7、存在流动阻力，汽缸内压力低于进气管处压力，同时由于壁面对吸入空气的加热，进气与残留在汽缸中废气的混合以及进气动能部分转变为热能等原因，汽缸内进气温度比进气管处空气的温度高。因此，如果把吸进汽缸内的新鲜空气体积换算成进气管状态的体积，该换算体积将小于汽缸工作容积。*充气系数的定义为实际吸入汽缸的新鲜空气量与进气管状态下充满汽缸工作容积的空气量的比值。 根据进气过程的能量平衡关系，可以得到充气系数的由各种影响因素组成的表达式（见船舶柴油机教材第八章），并进而估算出各种影响因素对充气系数的影响程度。*影响充气系数的有关因素：1。进气流动阻力的影响： 由于进气流道存在流动阻力、产生压降，所以要提高充气

8、系数必须减小压降，要求尽可能增大进气通道截面积。因此，中、大型四冲程柴油机普遍采用多个进气阀结构（2个甚至3个）。而且由于降低进气流动阻力比降低排气流动阻力对提高充气系数更为有效，所以柴油机往往尽可能增大进气阀的直径，使进气阀的直径大于排气阀的直径以达到提高充气系数的目的。*随着转速的提高，压降将增大、充气系数将下降。因此，运行管理应注意经常保持进气系统的清洁以减少流动阻力。（*在很低的转速下，由进气流动阻力在朝的充气系数下降占有很大的份额，是影响充气系数的主要因素）2进气过程结束时汽缸内气体温度的影响： 在进气过程中，由于壁面对空气的加热、与残留废气的混合以及进气动能部分转变为热能等原因，使

9、吸入的新鲜空气温度升高，从而导致充气系数的下降。当柴油机的负荷增大，喷油量增加，循环的平均温度升高，汽缸壁温升高，充气系数也有所下降。当柴油机转速增加时，进气与壁面接触时间减少，壁面传给进气的热量减少。因此，壁面传给进气的热量导致了充气系数的下降。进气过程结束时汽缸内气体温度有所升高对充气系数的影响较小，是影响充气系数的次要因素。3残余废气系数的影响： 当换气终了时，汽缸内的残余废气系数（即换气结束时汽缸内残余废气量与新鲜空气量之比值）增加，则吸入汽缸内的新鲜空气减少，从而使充气系数下降。如果排气背压增加，将使残余废气系数增加，导致充气系数下降。但是，四冲程柴油机的残余废气系数很小而且变化范围

10、也很小，因此，残余废气系数对四冲程柴油机的影响也相对就小。4柴油机气阀正时的影响：（1）排气阀提前开启： 排气阀开启初期其通道截面积很小、流动阻力很大。如果排气阀过于接近下止点时才开启，提前开启的角度太小，废气排出不畅，就会造成活塞上行推出废气消耗的功增大，残余废气量增加，充气系数就会降低。但是，排气阀提前开启的角度也不能太大，否则会使气体膨胀损失过大；（2）排气阀滞后关闭： 排气阀的滞后关闭一方面使活塞到达上止点时排气阀仍有足够的通道截面，有利于废气的排出；另一方面，由于利用了排气流的惯性，可使废气排的更干净。（3）进气阀提前开启： 进气阀提前开启除了使进气冲程开始时有较大的通道截面以减少进

11、气阻力、提高充气系数外，还可形成进、排气阀叠开，对燃烧室进行扫气，减少残余废气量，提高充气系数。（4）进气阀滞后关闭： 进气阀延迟在下止点后关闭，一方面使活塞在下止点附近时进气阀仍有足够的开度，不致因开度不足而使压降增加。另一方面还可充分利用进气流的惯性而吸入更多的空气。在某一个转速范围内有一个选定的气阀正时，在这个转速范围内，受进气阀关闭正时的影响最小。高于这个转速时，进气阀关闭过早，没能充分利用进气惯性；低于这个转速时，则进气阀关闭过迟，造成进气倒流。不同的转速下，存在不同的最佳正时。因此，要使柴油机的性能达到最佳，运行于不同的转速时，其正时应该是不同的。但是，常规的气阀启闭控制机构做不到

12、这一点。因此，变速使用的船舶主柴油机的说明书所规定的气阀正时，只是在常用的高转速下才能得到最佳的充气系数值。*二冲程柴油机中，进气流动阻力在进气过程结束时汽缸内气体温度、残余废气系数等因素对充气系数的影响与四冲程柴油机相似。柴油机排气阀、扫气口正时影响到排气阀、扫气口的通流能力和扫气气流在汽缸中的流向，对充气系数有很大的影响。为了达到在耗费新鲜空气尽可能少的条件下把尽可能多的废气排出汽缸外，排气阀、扫气口正时应符合说明书的规定值，应定期清洁扫气口以保证扫气气流在汽缸中的流向并减少流动阻力。换气机构 换气机构的功能是实现对柴油机换气过程的控制，即依照柴油机各汽缸的工作次序、定时地打开或关闭进、排

13、气阀，以保证汽缸内废气的排除和新鲜空气的充入。四冲程柴油机采用气阀式换气机构。当前船用二冲程柴油机均采用气口气阀式换气机构。*气阀式换气机构主要包括气阀机构和气阀驱动机构两部分。（本内容还将包括凸轮轴和凸轮轴传动机构的阐述） 一气阀机构1气阀的工作条件： 气阀承受着很高的热负荷。气阀头部直接与高温、高压的燃气接触，特别是排气阀还受到高温燃气的冲刷。在高增压柴油机上，排气阀打开的瞬间的燃气温度可达到9001000摄氏度，排气的气流速度可超过800m/s。因此，在结构上如不采取有效措施，排气温度可达650800摄氏度以上。目前，船舶主、辅柴油机均燃用劣质重油。这类重油常含有大量的钒、钠和硫等元素。

14、燃油的燃烧过程中这些元素形成的氧化物和盐有可能早产所谓的“高温腐蚀”。气阀承受着很高的机械负荷、很高的气体爆发压力的作用及落座时的撞击使气阀工作过程中承受很大的冲击性交变载荷，造成气阀密封面弹性、塑性变形，阀盘反复滑移着楔入阀座，造成磨损。因此，气阀、特别是排气阀的工作条件是极其严酷的。其检修周期成了柴油机重要的技术指标之一。2。气阀组件： 在结构上气阀机构有带阀壳和不带阀壳之分。小型柴油机使用不带阀壳的气阀机构。大型低速柴油机使用带阀壳的气阀机构。大功率的中速柴油机、尤其是排气阀，普遍广泛采用带阀壳的气阀机构。 带阀壳的气阀机构把气阀组件的所有零件装在一个单独的阀壳中，再用柔性螺栓把阀壳安装

15、在汽缸盖上，这样在检修气阀时，只要卸掉紧固螺栓把阀壳取下，而不用卸下汽缸盖。这给维护和检修带来很大的方便。 气阀采用耐热、耐磨合金钢制造。气阀座圈则采用合金铸铁或耐磨合金钢。 气阀导管是气阀的导承。它承受着摇臂推阀所带来的侧推力，还承担气阀的散热作用。普通气阀经过导管的散热量约占总散热量的25%。导管材料常用各种铁基粉末合金、灰铸铁和球墨铸铁。粉末合金能在润滑条件较差的情况下工作而磨损较小。 阀壳紧固螺栓均采用柔性螺栓。这是因为采用柔性螺栓使阀壳、汽缸盖等受热零件因受热膨胀不一致而产生的附加应力较小，不易发生蠕变而松脱；阀壳承受着脉动的气体压力，柔性螺栓所受的交变应力变化幅度比普通螺栓小，不易

16、疲劳断裂；柔性螺栓断面比较细、表面光滑，结构上力求避免应力集中，疲劳强度较高。3气阀的常见故障及提高气阀工作能力的措施： 由于柴油机的增压度越来越高，气阀的热负荷越来越大，特别是燃用劣质燃油，使气阀、尤其是排气阀的工作条件更为严酷。因此，气阀、尤其是排气阀仍是故障率最高的部件之一。为了延长排气阀的检修周期及寿命，新型柴油机普遍采取了几种提高气阀工作能力的措施。（1）气阀的常见故障： 排气阀烧损：这是气阀最常见的故障。其主要原因是排气阀密封不严，造成高温燃气漏泄，使该处严重过热。严重时可使该处熔穿一个大洞。造成排气阀密封不良的原因有：A由于阀盘不同部位受热、散热条件不同，阀盘圆周上的温度分布不均

17、匀，即靠汽缸中心的部位温度高，而靠汽缸盖外侧的温度低。温差较大会造成阀盘变形而漏气。B排气阀阀盘及阀座密封锥面沉积一层混有炭粒的玻璃状物质。这些物质主要由Na2SO4、CaSO4、Fe2O3、V2O5等组成。它们的成分主要来自重油中的杂质。玻璃状沉积物性脆，当沉积厚度较大时，在气阀关闭时的撞击下该沉积物会产生裂纹，反复撞击后进而发展到剥落，从而形成高温燃气喷口使气阀烧损。C普通气阀密封锥面在工作温度下并不很高，沉积的硬质燃烧产物颗粒在气阀关闭的撞击下，可使密封面出现哦凹坑，也可以造成漏气。排气阀的高温腐蚀： 劣质燃油中含有钒、纳和硫等元素。在燃烧后这些元素的生成物对金属有腐蚀作用。在氧化环境中

18、，钒盐作为氧的载体把氧带入金属并促使金属氧化。钠系化合物对金属的腐蚀则是通过钠的硫酸盐使金属硫化进行的。形成的金属硫化物不耐热、在高温下转变为金属氧化物。在排气阀的温度较高的情况下，这些被氧化的生成物就容易黏附在排气阀上。这是，即使是非常耐腐蚀的硬质合金或合金钢也会受到腐蚀。腐蚀的结果是在密封锥面上形成麻点、凹坑。凹坑相连就非常可能造成漏气。所以，这也是造成气阀烧损的原因。由于上述腐蚀都是在高温条件下产生的，所以称为高温腐蚀。上述产生高温腐蚀的有害元素钒、钠和硫当中，钒的危害性最为严重。气阀密封锥面磨损过快： 在爆发压力作用下的阀座及阀盘弹性变形，气阀的落座撞击也会造成阀座及阀盘弹性变形，使阀

19、盘锥面反复楔入，密封锥面产生相对运动，造成密封锥面磨损。气阀间隙过大，阀盘和阀座刚度（包括汽缸盖底板刚度）不足，气阀和阀座材料性能达不到要求或不匹配，重油含有较多的钒、钠和硫，高负荷运行或燃烧恶化、冷却不良、阀杆与导管间隙过大、气阀机构振动使气阀落座速度过大等，都会使磨损速率增大。 增压柴油机的进气阀容易发生快速磨损。这是因为增压柴油机进气阀密封锥面不像排气阀会形成一层非金属层而不发生金属接触。增压柴油机进气阀密封锥面的润滑条件恶劣，容易发生金属接触。因此，有的增压柴油机向进气道喷滑油以防止进气阀发生快速磨损。阀盘和阀杆断裂： 阀盘和阀杆的断裂主要发生在阀盘与阀杆过渡圆角处和阀杆装卡块的凹槽处

20、。阀盘与阀杆的过渡圆角处发生断裂的原因有：阀杆与导管的间隙过大；阀盘或阀座变形使局部受力过大；气阀间隙过大；气阀机构振动。*阀杆装卡块的凹槽处是气阀最薄弱的部位。如该凹槽加工不良或气阀关闭时的冲击力较大，会产生疲劳断裂。（2）提高气阀工作能力的措施：采用水冷式阀座： 气阀头部从燃气中吸收的热量中约75%左右是经由阀座传导出来的。如果进入气阀的热量不能迅速地传导出去，则气阀及阀座的温度将升高，这将导致燃烧产物沉积增加，高温腐蚀加剧，热变形增大和材料强度与硬度下降等。降低气阀组温度最有效的措施是采用冷却式阀座。燃用重油的新型柴油机均采用了强制水冷式阀座。目前，燃用劣质燃油的中速柴油机排气阀密封锥面

21、温度均已能控制在410430摄氏度以下。新型低速柴油机阀座采用钻孔冷却，其密封锥面的平均温度已降到350摄氏度。*最新型的中速柴油机加大了汽缸盖高度，采用了厚燃烧壁钻孔冷却，气阀座圈直接安装在汽缸盖上并强制水冷。尽管爆发压力大大提高，燃烧壁面的热应力和机械应力均可降低，将燃烧壁面的变形减至最小，这就意味着改善了气阀与阀座的接触状态，从而延长了气阀的维修周期。新的设计还使拆装汽缸盖的工作量大大减少。因此，最新型中速机已不用带阀壳的气阀。 安装旋阀器： 安装了旋阀器后由于每起=闭一次都能使气阀转过一个角度，这样就可以保证阀盘的温度分布均匀，大大减小了阀盘的温差变形，同时也减小了密封锥面的最高温度。

22、安装旋阀器可减少密封锥面上导热不良的沉积物，使之贴合严密，有利于散热，减少高温腐蚀和烧损磨损。安装旋阀器还可改善阀杆与导管间的润滑条件，减少阀杆漏气和减少阀杆周围形成沉积物，防止卡住。因此，气阀的使用期限可延长2倍以上。*常见的旋阀器有两种：一种是在气阀阀杆下端安装的由排气吹动的叶片式旋阀器；另一种是在气阀弹簧的上端或下端安装的旋阀器。*目前，在燃用劣质重油的中速柴油机排气阀上安装了一种新型的旋阀器。这种称为“TURNOMAL”的旋阀器也属于在气阀弹簧的上端或下端安装旋阀器，该旋阀器使排气阀在落座时仍有强制转动，以便擦掉密封锥面上的沉积物，该旋阀器可进一步延长排气阀的使用期限。*阀盘温度的均匀

23、程度与气阀转动的速度有关。柴油机的运转在标定的转速时，旋阀器的转速应达到设计值。如果旋阀器的钢球滚道脏污则气阀的转速将下降。因此，当气阀旋转速度降至一定值（如：1r/min）时，旋阀器必须清洗。采用新材料、新工艺： 由于存在楔入磨损，所以对排气阀密封锥面有高温硬度要求。燃用劣质重油既可能使排气阀的高温部位发生高温腐蚀，又可能使阀杆、导管等低温部位发生低温腐蚀。因此，气阀的密封锥面普遍采用在基材上堆焊一曾钴基或镍基硬质合金，而在阀杆部位则采用氮化、镀铬等工艺，以提高其耐腐蚀、耐磨性能。目前，燃用劣质重油的低、中速柴油机 的排气阀、甚至整个气阀均用昂贵的超耐热Nimonic合金（高铬镍基合金）制造

24、。阀盘与阀座的密封锥面采用不同的锥角： 为了提高气阀的气密性，阀盘与阀座为线接触。通常设计成接触线靠近密封锥面外边缘，即阀座锥面角比阀盘锥面角大0。51。0度。这种配合形式可避免接触线内侧锥面与高温燃气接触，使得排气阀的检修周期得以延长。新型低速柴油机的气阀改为接触线靠近内边缘，阀座锥面角阀盘锥面角小0。20。5度，则阀盘锥面和阀座锥面之间形成狭窄的楔形空间，接触线离燃烧的气体远了，接触线附近的温度降低了，不易产生高温腐蚀，使排气阀的检修周期延长。有的新型低速柴油机的排气阀阀座密封锥面靠外边缘处还车有一道隔热空气槽，当扫气结束时，槽内充满了空气，燃烧时，燃烧的气体在此节流冷却后才到达接触线，这

25、样更使接触线附近的温度降低，进一步延长了排气阀的检修周期。4气阀组件的管理、维修注意事项：（1）尽管柴油机的气阀采取了各种措施以提高其工作能力，但在采购燃油时，仍应特别注意燃油的含钒量，否则，气阀的检修周期和使用寿命还是会明显缩短。如果必须燃用高钒燃油，应降低负荷运行，这个方法对较老形式的柴油机尤其有效。 （2）必须及时对气阀进行检查。在磨削时必须注意气阀阀盘和阀座锥面的锥角存在的角度差。研磨后的实际接触密封带宽度应符合要求，过宽会降低阀面的密封锥面比压，气密性较差，不利于挤碎气阀锥面的沉积物，妨碍气阀的密封；过窄，密封面磨损快并且不利于热量的传出。（3）气阀导管和阀杆的间隙必须合适。磨损超差

26、应及时更换导管。因为过大的配合间隙会引起散热不良，早成阀杆处漏气。排气阀的阀杆处漏气更易造成滑油结焦使气阀卡死；间隙过大还会使气阀的横向振动加剧，使阀盘与阀座密封面的滑移量增大、磨损增大；还可能造成气阀单边落座，这往往是造成阀盘与阀杆过渡圆角处断裂的原因。阀杆和导管的间隙也不能过小，否则会导致气阀卡阻。（4）实际气阀锥面磨损率除与气阀本身的材质和表面处理工艺有关外，还与其配对的阀座材质有关。同一种气阀与不同材料的阀座配对工作，其磨损率可相差几倍。因此，在检修时更换阀座不能轻易改变阀座的材料。*阀座安装时的过盈度必须适度。过盈量过小，座圈可能松动和脱落；过盈量过大，将出现塑性变形，座圈也容易脱落

27、。为此，更换座圈时应严格采用推荐的过盈量。安装时应采用冷冻气阀座法装入，严禁采用敲击法安装阀座。（5）带阀壳的气阀检修后装复时，阀壳的紧固螺栓不宜上的过紧，否则阀壳容易因受热膨胀应力过大而产生裂纹。*虽然正确的上紧可能在初期会有少量的漏气，但运行一段时间后，漏气会逐渐减少。二气阀驱动机构 气阀驱动机构有机械式和液压式。机械式是传统的气阀驱动机构，广泛应用于各型柴油机上；新型的柴油机均采用了液压式气阀驱动机构。1机械式气阀驱动机构： 机械式气阀驱动机构主要由带滚轮的顶头、推杆和摇臂等组成。摇臂经轴销安装在摇臂座上，摇臂用螺栓固定在汽缸盖上。柴油机冷态时，滚轮落在凸轮的基圆上，摇臂与气阀之间应留有

28、间隙，此间隙即称为气阀间隙。气阀间隙是为了保证柴油机在达到最高工作温度时，气阀及气阀驱动机构受热膨胀后仍能完全关闭。过小的气阀间隙将使气阀在达到最高工作温度时因关闭不严而导致漏气，这样会使气阀烧损，汽缸还可能因漏气而导致压缩压力下降，燃烧恶化，排气温度升高和功率下降。但是，过大的气阀间隙也是有害的，因为这不但将改变气阀正时，并且使气阀落座时撞击速度增大，造成气阀损坏。为了调节此间隙，在摇臂的一端均装有调节螺钉。排气阀的气阀间隙大于进气阀的气阀间隙，高增压柴油机的气阀间隙大于低增压柴油机的气阀间隙。2液压式气阀驱动机构：*以MANB&WMC型低速柴油机的液压驱动排气阀为例。 该型排气阀阀杆顶端有

29、推动活塞，当进油时它在液压油缸中向下运动并迫使排气阀打开。阀杆中部装有一个空气弹簧活塞，此活塞位于空气弹簧汽缸中，由启动空气瓶来的空气经减压后，经止回阀想空气弹簧汽缸补充压缩空气。阀杆下部装有由排气吹动的叶片式旋阀器，在排气阀开启期间使气阀旋转。当测试杆放下后，从测试杆升降的变化频率可判断排气阀的旋转是否正常。空气密封装置中的密封空气阻止了来自排气道的废气和微粒的侵入，防止了阀杆的卡阻及阀杆和导管的磨损。液压油缸顶上装有节流阀，以排除液压系统中的空气。由节流阀逸出的油与液压活塞漏油一起竟回油管排出，再回到凸轮轴箱。气阀落座的瞬间，液力缓冲器先进入液压油缸顶上的进油孔，由于活塞顶上的环形空间里油

30、的阻尼作用，减小了气阀落座时的撞击。气阀的整体用Nimonic合金制造，配以钻孔冷却座合面淬硬的合金钢阀座。排气阀采用这种液压驱动机构的优点有：维护管理和检修拆装方便，不用调整气阀间隙；气阀落座的速度可以控制，减少了气阀与阀座的撞击；气阀的开启由推动活塞来推动，阀杆做无侧推力的轴向运动，改善了气阀的受力情况；减少气阀的导管的磨损；采用空气弹簧使气阀结构更为简单可靠。*这种液压驱动排气阀在其它公司的新型低速柴油机上均加以移植采用并取得良好的效果。*液压驱动排气阀的驱动油泵顶上的弹簧使滚轮与凸轮保持接触，其供油时刻和供油规律由凸轮控制，输出的油来推动排气阀。其油液由凸轮轴滑油系统来的油通过驱动油泵

31、液压缸上部的止回阀供给。油量由调节螺钉调整。当液压系统中的油压过高时，油经安全阀泄掉。有的新型排气阀在推动活塞处增设了液力缓冲器，即使液压系统中发生漏泄，也能减轻气阀与阀座之间的撞击，因此，就可以取消可调针阀。3变排气阀关正时及升程（VEC）系统： 柴油机在不同的工况下，进、排气有不同的最佳正时。主机通常是根据标定工况来确定配气正时的。在部分负荷运行时，配气正时就很不理想。近来，大功率中速柴油机发展到用两根凸轮轴分别调节喷油正时和进、排气正时。MANB&W和Sulzer在其低速柴油机上均已开发了变排气阀关正时及升程（VEC）系统，以优化部分负荷性能，减少排气污染。其VEC机构设在驱动油泵处。它

32、是用改变液压驱动系统中的滑油量来改变排气阀关正时及升程的。在负荷降低时，泄放部分滑油，这样可以提早关闭排气阀，减少过后排气，使汽缸内空气量增多，有效压缩比提高，压缩终点压力提高，最高爆发压力提高，热效率提高；新鲜空气流失减少，使燃烧完善，热效率提高；过量空气系数增大；同时也减少了排气污染。三凸轮轴及其传动机构1凸轮轴： 柴油机进、排气阀的启闭、喷油泵和启动空气分配器的驱动，目前一般都是通过其凸轮进行的。为了使其结构尽可能地简单，通常都把这些凸轮安置在同一根凸轮轴上。小型柴油机的凸轮与凸轮轴制成整体。较大汽缸直径的柴油机的凸轮与凸轮轴则是分开制造，然后再把凸轮紧固在凸轮轴上。这种凸轮轴当凸轮损坏

33、时可单独更换凸轮。大型柴油机为了制造方便，凸轮轴常常是每12缸一段，然后用刚性连轴节连接成整根凸轮轴。*凸轮在凸轮轴上的安装方式分为不可调节式和可调节式。*不可调节式是凸轮和凸轮轴之间采用平键或销固定。这种安装方式简单可靠，但凸轮相对于凸轮轴不能调整。柴油机在实际运行中往往需要调节正时。因此，大、中型柴油机的凸轮在凸轮轴上的安装，往往采用可调节式。凸轮在凸轮轴上可调节的安装方式很多，目前得到广泛应用的是液压套合式*液压套合式连接凸轮片的方法（包括简单的结构）： 与凸轮轴接触的套筒其内径与凸轮轴为间隙很小的动配合，其外圆与凸轮片内孔按同样的锥度（如1：35）加工。在凸轮片内孔车有很浅的布油槽，与

34、液压油孔相连。*安装时先把套筒和凸轮片按要求的位置套好并装上液压千斤顶。然后先用手动式径向高压油泵压入高压油（压力可达100200Mpa），凸轮片内孔即产生弹性变形被胀大，套筒与轴则有少量压缩，随后用轴向高压油泵向产生轴向推力的液压千斤顶泵油，迫使凸轮片产生轴向移位。待到位后，先泄去径向高压油，然后泄去轴向液压千斤顶的高压油，安装即告结束。这样就依靠凸轮片内孔内径收缩，造成凸轮片、套筒和凸轮轴之间的过盈配合来传递工作扭矩。需要使凸轮片相对凸轮轴转过一定角度（即调整正时）或需要更换凸轮片时其操作与此相同。为了安装和调整方便，在凸轮轴上刻有刻度线，而在凸轮片上有找准记号。2凸轮轴传动机构： 凸轮轴

35、由曲轴带动，两者保持准确的相对位置。按照柴油机工作循环的要求，由凸轮控制的机构每循环必须动作一次。由于四冲程柴油机曲轴回转两周完成一个工作循环，因此其一揽子与曲轴的转速比应是1：2。同理，二冲程柴油机则应为1：1。*凸轮轴传动机构有齿轮传动、链传动等形式。其中以齿轮传动的应用最为普遍。中、高速柴油机的齿轮传动机构大多数布置在飞轮端。这是因为轴系的扭转振动节点多数在飞轮附近。将传动机构布置在飞轮端可因扭振的振幅小而使传动较准确可靠。目前，除MC型柴油机继续采用链传动外，其它的低速柴油机的凸轮轴传动均为齿轮传动。*为了缩短柴油机的长度，降低柴油机的重量和造价，新型低速柴油机都在推力盘外缘装上齿圈，

36、作为传动凸轮轴的主动链（齿）抡。传动机构一般都安置在专门的传动轮箱中。3使用管理注意事项：（1）重装凸轮轴传动机构必须注意对准其啮合记号。在传动机构已拆卸而机械式气阀驱动机构未拆卸的情况下，禁止盘动曲轴，以防止活塞顶撞上开启的气阀，造成气阀损坏事故。（2）凸轮及其传动机构必须经常检查其润滑的情况，检查油路是否畅通、喷嘴有否堵塞。（3）对于链传动机构，必须注意链条的张紧情况。当磨损使链条伸长达到规定值（指针下沉到一定刻度）时，就必须调整液压缓冲装置中阻尼活塞的位置，使其也相应下移，先盘车使张紧轮边成为松边并达到平衡重垂直向下地悬挂着的位置，这时才调整液压缓冲活塞的位置。*当链条磨损，增长超过1%

37、时，就应报废。（4）检查和调整气阀正时，必须在检查和调整好气阀间隙后再进行。过小的气阀间隙不但可能使气阀关闭不严，而且会使气阀提前开启、延后关闭；过大的气阀间隙使气阀的撞击加大；同时使气阀延后开启、提前关闭。废气涡轮增压系统和涡轮增压器 增压是提高柴油机功率的主要途径。柴油机的功率随增压压力的增加成比例的增加。采用废气涡轮增压后，由于利用了废气能量，柴油机的经济性同时得到了提高。一。废气涡轮增压发展概况 废气涡轮增压技术的发展使柴油机性能的提高产生了飞跃。柴油机的发展离不开增压技术的发展。50年代、60年代商船不断地向大型化、高速化方向发展，要求船用柴油机的功率不断地增加，船用柴油机的增压度迅

38、速提高。50年代，一般的增压压比（压气机的出口压力与进口压力之比）小于1。5，增压器的效率在45%左右；60年代，增压压比为2。02。5，增压器的效率在55%左右；而70年代，有些增压器的增压压比已达3。0，增压器的效率达60%左右。70年代的石油危机，促使造船界将注意力转向了节能，降低燃油消耗率成为船用柴油机市场激烈竞争的焦点。因此，增压器发展工作的侧重点明显地倾向提高增压器效率方面。 如果不是改善了增压器的空气动力性能，涡轮增压器的效率随着增压压比的提高而有所下降，而且工作范围也会变窄，性能恶化。现在采用三元流动理论来进行涡轮增压器的气动设计。在设计、制造过程中更深入地采用了计算机技术，使

39、得设计越来越合理，制造越来越精确，增压器的空气动力性能得到不断地改善。*ABB公司VTR增压器的性能已有了惊人的发展：增压器的最高效率已达72%；具有更宽的工作范围。目前，广泛采用减速航行来节油，使得人们更加重视低负荷性能。这就要求增压器要有更宽的工作范围，尤其在部分负荷（低压比）时有较高的效率；具有更高的可用压比。 当前，石油价格有所回落，航运界要求柴油机要有高的综合经济性（包括高的可靠性、提高平均有效压力、降低单位功率造价及保持低的燃油消耗率），排气污染应降低至法规限定的范围内。这样，就要求增压器要有更高的增压压比。当然，在该压比时也应有足够高的增压器效率。针对低速机，ABB公司推出了VT

40、R4D型增压器（由VTR4P型增压器的压气机与VTR4E型增压器的涡轮择优拼装而成，其压比达3。9，总效率为67%），使新型低速机的性能进一步提高，平均有效压力已达到1。9Mpa。二废气涡轮增压技术1废气能量的组成（1）排气阀打开时汽缸中废气具有的可用能；（2）活塞推出废气而给予的可用能；（3）扫气空气带来的可用能。*废气能量有脉冲能和定压能两种。2废气涡轮增压的两种基本方式：（1）等压增压：A结构特点： 柴油机所有汽缸的排气管够连接于一根排气总管，排气总管再与废气涡轮连接。排气总管实际上还起到了一个稳压箱的作用，尽管各汽缸轮流排气，但进入涡轮时气体压力的波动并不大。B废气可用能的损失： 在等

41、压涡轮增压系统中，排气管中维持着恒定的压力。排气阀刚打开时，废气在超临界压差作用下，以临界速度迅速排出。当汽缸内压力下降到与排气管压力差低于临界值时，排气流动变为亚临界流动。在这个排气过程中废气的可用能损失主要是节流损失，它包括流出气阀的高速气流进入排气管后由于管子较粗，流速大大降低，因此大量的动能通过气体分子互相撞击、摩擦和形成涡流而损失，以及废气流入排气总管时产生不可逆膨胀的损失。超临界阶段的节流损失是废气可用能损失的最主要的部分。亚临界阶段的节流损失不大。除节流损失外，还有废气在管道中流动的摩擦损失和通过排气管壁的散热损失，但在数量上则更是小得多了。C脉冲能量的利用； 等压增压中脉冲能量

42、复热回收的比例很低，它随涡轮前压力的增加而增加。在高增压柴油机中，由于涡轮前压力高，因此回收复热的比例也很高。（2）脉冲增压： 采用脉冲增压的目的就是要尽量多的利用脉冲能。A结构特点： 将涡轮增压器尽量靠近汽缸，并把柴油机各缸的排气管做的短而细，即尽量使排气管的容积小一些。四冲程柴油机的汽缸直径较小，排气量也较小。因此，常是2、3个缸为一组 ，共用一根排气支管，然后再让几根排气支管分别通往废气涡轮的几个进口。废气进入涡轮壳内相互隔开的几个腔，再分别流向喷嘴环对应的部分。每根排气支管只与部分喷嘴环接通。这种系统工作时，排气管中形成脉冲压力波，进入涡轮的废气压力和速度都是变化的，所以称为脉冲涡轮增

43、压。B脉冲能的损失减少： 由于排气管短而细，排气阀一开启，管内就迅速建立起压力，使排气的超临界阶段大大缩短，汽缸内外压差很快变小进入亚临界阶段，节流损失减小了。这部分可用能就表现为脉动的压力和速度，它包含了脉冲势能和脉冲动能。在设计良好的情况下，脉冲增压可利用可用能的4050%。C脉冲涡轮增压柴油机汽缸的分组： 如果脉冲涡轮增压柴油机也像等压增压那样，各缸的废气排入一根共同的排气管，由于排气管很细，就会产生扫、排气互相干扰。如：某一汽缸正在进行扫气而另一汽缸开始排气，排气压力波传到扫气缸的排气口处，使该缸的背压升高，妨碍扫气，甚至可能使排气倒灌。因此，汽缸必须进行分组。分组的原则是：同一组汽缸

44、的扫、排气时间相互不重叠或重叠很少。排气管中的压力波不是排气阀（或排气口）一开始打开就达到高峰，而且压力波是以音速传递的，传到正在扫气的汽缸得花一点时间，而且对扫气的汽缸而言，扫气后期，排气阀（或排气口）已经关的很小，即使有些干扰影响也已很小了，因此允许有点重叠。 在四冲程柴油机中，曲轴转过720度后各缸完成一个工作循环，而每一缸排、扫气的持续时间约为240度曲柄转角。根据上述分组原则，分在同一组各缸排气间隔应等于或大于240度曲柄转角，所以，同一组允许最多汽缸数等于720度/240度，即是3个缸。在二冲程柴油机中，曲轴转过360度各缸就完成一个工作循环，而每一缸排、扫气的持续时间约为120度

45、曲柄转角，同理，同一组允许最多汽缸数为3个。对四冲程柴油机或二冲程柴油机，同一组汽缸数少于3固然不会产生扫、排气互相干扰，但废气不能连续供给，使废气传递过程可用能损失加大，也使涡轮间歇进气、部分进气引起的损失加大，使涡轮效率下降。所以，不管是四冲程柴油机还是二冲程柴油机，同一组中的汽缸数以3为最佳。因此，汽缸数为3 的倍数（3、6、9、12缸）的柴油机采用脉冲增压效果很好。*例如：四冲程6缸柴油机的发火顺序为1-5-3-6-2-4，各缸发火间隔为720/6等于120度曲柄转角。按上述原则分组就得到1、2、3缸为一组，4、5、6缸为另一组。（3）脉冲增压与等压增压的比较：A排气可用能的传递效率：

46、 排气可用能传递效率的大小代表了从柴油机排气阀（或排气口）到涡轮喷嘴环之前这一段排气系统工作的良好程度。脉冲增压由于节流损失减少了，所以它相对于等压增压可多利用可用能，但随着增压度的提高，涡轮前压力也提高脉冲能量所占比例减小，这一优势就逐渐减小了。而等压增压的脉冲能复热回收却因增压度的提高而有所提高。因此，脉冲增压排气可用能的传递效率在低增压时明显高于等压增压，但随着增压度的提高。等压增压的排气可用能与脉冲增压的排气可用能的差别不断减小，而在高增压时，两者之间的差别句几乎完全消失了。B涡轮增压器的综合效率： 在脉冲增压柴油机中，涡轮前的废气压力波动较大，气流进入涡轮叶轮叶片相对速度的方向、大小

47、在一个排气脉冲内不断变化，而且有的涡轮喷嘴环是部分进气。因此，脉冲涡轮的效率比等压涡轮的低。由于涡轮增压器的综合效率=脉冲涡轮的效率X压气机效率X增压器的机械效率，而脉冲增压与等压增压的压气机效率、增压器机械效率差别不大，所以，脉冲涡轮增压器的综合效率也就比等压增压涡轮增压器的综合效率低。 C涡轮增压系统的有效性指标： 涡轮增压系统的有效性指标K的定义为：K=排气可用能的传递效率X涡轮增压器的综合效率。涡轮增压系统的有效性指标代表了整个增压系统效果好坏的程度。当柴油机增压度不高时，脉冲增压的排气可用能的传递效率远高于等压增压，尽管其综合效率较低，但有效性指标还是明显高于等压增压。但是，当柴油机

48、的增压度较高时，哪种增压方式更有效就不那么明显了。当柴油机发展到高增压时，脉冲增压的可用能传递效率高于等压增压不多，由于其综合效率较低，就使得等压增压系统的综合效率值较脉冲增压大。D部分负荷时增压器的综合效率： 当柴油机在部分负荷工况运转时，由于排气管内的恒定压力较低，因此脉冲增压的排气可用能的传递效率高于等压增压较多，使其涡轮增压器综合效率较高。也就是说，在部分负荷工况运转时，脉冲增压方式比等压增压方式有效。这是一些增压度相当高的中速柴油机仍采用脉冲增压的原因。E扫气性能： 当柴油机在满负荷工况下运转时，增压方式均能很好的扫气，但在低负荷时，情况就不一样了。脉冲增压系统由于排气管内形成脉冲波

49、，前期压力较高，使排气管中燃气排空很快，后期排气管内的压力会出现波谷，使扫气背压较低。因此，即使在低负荷时扫气质量仍很好。而等压增压系统由于低负荷时排气管内恒定压力有所降低，节流损失加大，排气可用能的传递效率比脉冲增压下降快，这使得涡轮获得的能量减少、扫气压力的下降均比脉冲增压快。而其排气可用能的传递效率在排气过程中波动很小，不会出现压力波谷，所以扫气压差迅速变小，使扫气质量迅速恶化，甚至出现废气倒灌的现象。因此在部分负荷工况下，等压增压方式的扫气质量比脉冲方式的扫气质量差。F加载性能： 脉冲增压柴油机的排气管容积小，其中压力建立较快，涡轮前废气压力可随柴油机的加载而迅速上升。等压增压柴油机由

50、于排气管容积大，当柴油机加载时，虽然从汽缸中排出的废气温度、压力已经开始升高，但在容积较大的排气管中废气的压力温度升高的较慢，涡轮增压器的转速跟不上柴油机的加载，不能迅速、及时地增大供气量，以满足柴油机因加载喷油量增大而增大的空气需要量，出现了较大的滞后现象。因此其加载性能较脉冲增压差。这就是发电机组的柴油机发展到高增压时仍采用脉冲增压的原因。G其它： 脉冲涡轮由于间歇进气、部分进气，其叶轮、叶片容易发生较强的振动，在叶片根部产生较大的附加应力。等压涡轮叶片的振动则小得多。威力有效的利用废气的脉冲动能，脉冲增压对排气系统的布置、构造和加工等都有较严格的要求。如：要求排气管尽量短而细、光滑切弯头

51、少等。因此，脉冲增压对气口、管道的清洁程度比较敏感。脉冲增压的涡轮离排气阀（或排气口）很近，燃气中的燃烧产物容易污损涡轮，所以维护管理的工作量较大，3废气涡轮增压的其它几种方式： 缸数为3的倍数的柴油机采用脉冲涡轮的增压性能很好。但缸数为4、8、16或5、7、10的柴油机情况就不同了。威力避免扫气时受到干扰，连在同一排气支管的排气间隔应大于每缸的排气时间（约240度曲柄转角），即只能把排气间隔为360度的两缸连一根排气支管，供给一个涡轮进口，这样必将有停止供气的间歇期，因此排气管在柴油机的每一循环将发生充满、抽空的过程，使排气的超临界阶段较长，气流流经排气阀的节流损失增加；废气涡轮间歇进气、部

52、分进气引起的损失也比较大，涡轮效率低；由于涡轮叶片承受周期性冲击增大，还会引起涡轮叶片的振动，容易造成疲劳断裂。这些问题在高增压时更为显著。为了解决上述矛盾，脉冲增压技术发展中出现了其他的方式，例如：（1）脉冲转换增压： 脉冲转换增压用于缸数为4的倍数的柴油机效果最佳，适用于中、高速柴油机。注：工作原理等详细资料请参考船舶柴油机教材P76页。（2）多脉冲增压： 多脉冲增压的原理和脉冲转换增压相似（船舶柴油机教材P7677页）适用于中、高速柴油机，汽缸数不受限制。（3）模件式单排气总管增压（MSEM）： 模件式单排气总管增压（MSEM）包括模件式脉冲转换（KPC）增压、单管排气系统（SPES），

53、它们的工作原理类似，近年来发展迅速，其外表像等压增压，只是排气总管为组合式且细得多，性能比多脉冲增压更好。涡轮效率接近等压增压时的涡轮效率，使得柴油机在不同负荷下均能获得较高的效率。*MSEM增压方式兼顾了高、低负荷、稳态和瞬态性能，具有成本低、可靠性好、维修方便、结构紧凑等优点。对各种汽缸数的柴油机都适用。*启动性能、部分负荷性能、加速性能和突变负荷适应能力较差是各种增压方式高增压柴油机共同的缺点，只是严重的程度不同而已。比较起来，部分负荷性能最佳的是三脉冲增压，其燃烧保持良好，燃油消耗率仍较低，排气阀的温度也较低；部分负荷性能最差的是等压增压。在高增压船用中速柴油机上，各种增压方式大体都能

54、适应，但综合性能以MSEM增压较佳。三废气涡轮增压器及增压系统的其它部件1废气涡轮增压器： 废气涡轮增压器一般都采用离心式压气机。根据其涡轮的形式可分为轴流式涡轮增压器和径流式涡轮增压器。轴流式涡轮增压器用于大功率柴油机；径流式用于功率较小的柴油机。废气涡轮增压器的增压比可分为低增压、中增压、高增压。一般增压比小于1。7的为低增压；增压比1。72。5的为中增压；增压比2。54。0的为高增压；增压比大于4。0的为超高增压。另外，按增压器的涡轮机外壳是否用水冷，还可分为水冷式增压器和非水冷式增压器。（1）废气涡轮增压器的工作原理：A轴流式涡轮增压器的工作原理：1）废气在涡轮级中流动时的压力、温度、

55、流速的变化： 轴流式涡轮的主要工作元件是固定的喷嘴环和旋转的叶轮，它们组成涡轮的一个级。废气涡轮增压器一般均用单级涡轮。喷嘴环的通道为收缩形状，叶轮叶片间的通道也是收缩形状的。当废气流过喷嘴环时废气的部分内能变成动能。当气流进入叶轮叶片间的通道后继续膨胀，其压力、温度继续继续下降，而其相对速度增加。由于叶轮在高速气流作用下旋转并做机械功，因此气流的绝对速度下降。气流在弯曲而渐缩的叶轮叶片间通道中转弯（冲动作用）和膨胀相对速度提高（反动作用），使叶片凹面上压力提高，凸面上的压力下降，作用在叶片表面上压力的合力形成了带动叶轮旋转作功的力矩。2）动叶的进口及出口速度三角形： 气流在涡轮中的流动情况可

56、以用叶轮叶片（动叶）的进口及出口速度三角形来表示。3）涡轮级中损失，在涡轮喷嘴及动叶中的损失主要有：a废气在喷嘴和动叶中的流动损失。流速越高，损失越大。B撞击损失。气流与动叶的撞击，产生涡流和分离，导致损失增加。C余速损失。*除以上三种损失外，还有动页与机壳之间径向间隙引起的漏气损失；叶轮端面与燃气之间的摩擦损失。脉冲涡轮因间歇进气、部分进气还会引起其它附加损失：鼓风损失、驱气损失、窜流损失等。*轴承的摩擦损失，放在增压器的机械效率中计算。B离心式压气机的工作原理：（1）空气在离心式压气机中流动时压力、流速、温度的变化。涡轮增压器中的压气机部分一般都采用单级离心式压气机。离心式压气机的结构：由

57、进气道、叶轮、扩压器及出气涡壳组成。当压气机工作说，外界空气经进气道沿轴向进入压气机叶轮并随叶轮作高速回转，在离心力的作用下空气受到压缩，同时沿着叶轮通道向外加速流动，期间，压力增加、流速增加、温度增加。空气在叶轮中压缩及加速是需要消耗能量的，这部分能量来自驱动叶轮的机械能。在扩压器中，由于流道逐渐扩大，从叶轮流出的高速气流部分动能转变为内能。排气涡壳的流道也是逐渐扩大的，空气流过它时继续将动能转变为内能。 （2）空气在叶轮中的流动速度。空气在压气机叶轮叶片间流道中的流动情况也可以用叶轮的进口和出口速度三角形来说明。*空气在叶轮流道中流速分布很不均匀，速度大的地方压力小；速度小的地方压力大，叶轮叶片的两面因此存在压差，形成叶轮旋转工作时必须克服的力矩。（3）空气在扩压器中的流动。*扩压器的内圈没有叶片为无叶扩压器。无叶扩压器中因出口面积大于进口面积，因此气流通过时速度下降、压力、温度升高，气流质点通过无叶扩压器时的轨道是一条对数螺旋线。*扩压器的外圈设置了一定数目的固定叶片为叶片扩压器。叶片扩压器有较大的扩压能力，即达到相同扩压效果时其尺寸可较小。叶片扩压器的效率