《船舶主机讲义》word版
第二章船舶主机
第一节船舶柴油机概述
在船舶动力机械中，船舶柴油机是最为重要的机械设备。船舶柴油机工作状态的好坏，直接关系到船舶的安全性和经济性。正确的操纵、保养船舶柴油机，是轮机管理人员最为重要的工作。
一、柴油机与动力机械
机械设备通常可分为动力机械和工作机械两大类。动力机械是将其它形式的能量，如热能、电能、风能等转化为机械能，而工作机械则是利用机械能来完成所需的工作。把热能转换成机械能的动力机械称之为热机。热机是最重要的动力机械，蒸汽机、蒸汽轮机以及柴油机、汽油气油机等都是热机中较典型的机型。
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是将燃料的化学能通过燃烧转化为热能，第二次能量转化过程是将热能通过工质膨胀转化为机械能。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、柴油机以及燃气轮机都属于内燃机。
动力机械的运动机构基本上有两种运动形式，一种为往复式，一种为回转式。在往复式发动机中，工质的膨胀做功是通过活塞的往复运动实现的；而回转式发动机则是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的。
柴油机是以柴油或劣质燃料油为燃料，压缩发火的往复式内燃机。为了使燃料获得燃烧所需的空气，柴油机就必须具有进气过程。在柴油机中，燃油不是靠外界火源点燃的，而是在高温条件下自行发火燃烧的，所以进入气缸的空气还必须达到足够高的温度。这是通过压缩过程实现的。在压缩终点，将雾化的燃油喷入高温高压的空气中，就能发火燃烧。燃油燃烧后放出的大量热能，使燃气的温度和压力急剧升高，推动活塞膨胀做功，产生动
力。膨胀终了时，气体失去做功能力，成为废气排出气缸。
总之，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，接着又重复进行下一个工作循环。
二、柴油机在船舶上的应用
柴油机是一种利用燃油的能量做功的动力机械，因其热效率高经济性好，在各种工业部门得到广泛地应用。发电厂采用柴油机发电，汽车用柴油机作为发动机，以及一些工程设备使用柴油机作为动力机械。在船舶上，目前所使用的动力机械主要是柴油机，称之为船舶柴油机。驱动螺旋桨、为船舶提供动力的柴油机，称之为船舶主机，是机舱最重要的动力机械；驱动发电机为船舶提供电力的柴油机，称之为发电柴油机，即副机。此外，应急发电机原动机、救生艇艇机均为柴油机，应急消防泵、应急空压机的原动机也都有采用柴油机的。
柴油机是机舱机械设备的心脏。船舶在大洋中各种复杂海况下航行，经常会遭遇大风浪，船舶的安全性直接取决于为船舶提供动力的柴油机的可靠性。船舶又是一个营运单位，其中一项主要营运成本就是燃料费用，柴油机运转状况的好坏决定着船舶营运成本的多少，柴油机又关系到船舶营运经济性。对船用柴油机即主副机的管理工作，是轮机人员日常工作的重中之重，船舶柴油机是轮机管理学科的一门重要学科，对柴油机的认识学习是轮机管理专业学生见习及以后专业课学习的重要内容。
三、柴油机的基本结构
1．柴油机的基本结构
柴油机按照结构的不同，分为筒形活塞式柴油机和十字头式柴油机。
图2-1（a）为筒形活塞的示意图。主要组成部分包括活塞、气缸、连杆和曲轴。燃料在气缸内部燃烧，燃气膨胀产生力作用在活塞顶，推动活塞下行，活塞通过活塞销与连杆联接，连杆将活塞力传递给曲轴，曲轴驱动机械设备对外做功。活塞是往复运动，曲轴回转运动，连杆左右摆动。
图2-1（b）所示为十字头式柴油机。它的活塞设有活塞杆，通过十字头与连杆相连接，并在气缸下部设中隔板将气缸与曲轴箱隔开。
2．柴油机的基本结构参数
柴油机的基本结构参数如下，如图2-2所示
(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。
(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
图2-2 气缸容积
图2-1 筒形活塞式和十字头式柴油机简图
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。
四、柴油机工作原理
柴油机按工作循环可分为四冲程柴油机和二冲程机两类。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，四冲程柴油机是曲轴转两转，也就是活塞运动四个行程完成一个工作循环，而二冲程柴油机是曲轴转一转，也就是活塞运动两个行程完成一个工作循环。
1．四冲程柴油机工作原理
图2-3中所示的四个简图分别表示四个活塞行程的进行情况以及活塞、曲轴、气阀等部件的有关动作位置。
图2-3四冲程柴油机工作原理
第一行程——进气行程，空气进入气缸时相应的活塞行程。
活塞从上止点下行，进气阀a打开。由于气缸容积不断增大，缸内压力下降，依靠气缸内与大气的压差，新鲜空气经进气阀被吸入气缸。进气阀一般在活塞到达上止点前即提前打开(曲柄位于点1)，下止点后延迟关闭(曲柄位于点2)。曲轴转角φ１－２(图中阴影线所占的角度)表示进气持续角Δθｉ，约为220℃Ａ～250℃Ａ。
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。
活塞从下止点向上运动，自进气阀a关闭(点2)才开始压缩，一直到上止点(点3)为止。第一行程吸入的新气经压缩后，压力增高到3 MPa～6 MPa，温度升高到600 ℃～700 ℃(燃油的自燃温度为210℃～270℃。压缩终点的压力和温度分别用符号ｐｃ和ｔｃ表示。在压缩过程的后期由喷油器(c)喷入气缸的燃油，与高温空气混合、加热，并自行发火燃烧。曲轴转角φ２－３表示压缩过程，约为140℃Ａ～160℃Ａ。
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。
活塞在上止点附近，由于燃油强烈燃烧，使气缸内的压力和温度急剧上升，压力约达到5MPa~8MPa,甚至高达15MPa以上。温度约为1400℃～1800℃或更高。燃烧的最高温度和压力分别用ｐz和ｔz表示。高温高压的燃气（工质）膨胀推动活塞下行做功。由于气缸容积逐渐增大，压力下降，在上止点后某一时刻(点4)燃烧基本完成。膨胀过程一直到排气阀b开启时结束，膨胀终了时的气缸内气体压力p b约为250 kPa~450kPa, 气体温度t b约为600 ℃～700 ℃。与进气阀相似，排气阀b是在下止点前开启（点5）的。曲轴转角φ３－４－５表示燃烧和膨胀过程。
第四行程——排气行程，废气从气缸内排出时相应的活塞行程。
在上一行程末，排气阀b开启时活塞尚在下行，废气靠气缸内外压力差经排气阀排出。当活塞由下止点上行时，废气被活塞推出气缸，此时的排气过程是在略高于大气压力(约1.05至1.1大气压)且在压力基本不变的情况下进行的。排气阀一直延迟到上止点后(点6)才关闭。曲轴转角φ５－６表示排气持续角Δθｅ，约为230℃Ａ～260℃Ａ。
进行了上述的四个行程，柴油机就完成了一个工作循环。当活塞继续运动时，另一个新的循环又按同样的顺序重复进行。
四冲程柴油机每完成一个工作循环，曲轴要回转两转
(720°曲轴转角)。每个工作循环中只有第三行程(膨胀行程)
是作功的，其它三个行程都是为膨胀行程服务的，都需要
外界供给能量。柴油机常做成多缸的，这样，进气、压缩、
图2-4气阀正时圆图
排气行程的能量可由其它正在作功的气缸供给。如果是单
缸柴油机，那就由较大的飞轮供给。图2-4下方的ｐ－Ｖ图表示出一个工作循环内气缸中气体压力随活塞位移(即气缸容积)而变化的情形。工作循环各过程线的综合，就构成了四冲程柴油机的示功图。在过程进行时，气缸内气体的压力和容积是同时变化的。ｐ－Ｖ示功图可用来研究柴油机工作过程进行的情况，也可用来计算柴油机一个工作循环的指示功。
2．二冲程柴油机工作原理
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。
（1）柴油机实现二冲程工作循环的条件
在四冲程柴油机中新气的吸入与废气的排出是靠活塞的抽吸与推挤作用完成的。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120℃Ａ～１５０℃Ａ内同时进行，也就是用新气驱赶废气，这一过程称之为扫气。为了保证扫气过程的进行，二冲程柴油机必须在气缸套下部开设气口，而且还必须提高进气压力，使进气能从扫气口进入气缸并将废气扫出气缸。提高进气压力可以由机械驱动的扫气泵或由废气涡轮驱动的增压器来实现。
（2）二冲程柴油机的工作过程
目前，船用二冲程低速柴油机都采用废气涡轮增压的方式提高进气压力，图2-5所示为一种具有废气涡轮增压的二冲程柴油机工作原理图。它的工作过程如下：新气通过气缸下部的进气口a进入气缸，而废气则通过气缸盖上的排气阀b排出气缸。在进、排气管道上分别安装了离心式压气机e和废气涡轮机d(两者组合成废气涡轮增压器)，废气涡轮从废气中获得能量而带动压气机一起转动。新鲜空气则从大气通过吸入口f 吸入压气机，经压缩后压力和温度升高，然后由管g经冷却器k冷却后导入扫气箱i，准备进入气缸。当活塞下行还没有打开进气口a之前，排气阀b首先被气阀机构打开(曲柄在点1)，废气大量排出气缸，并经排气阀和排气管j进入废气涡轮d中。当活塞继续下行使气缸内的压力降低到接近于增压压力时，活塞将扫气口a打开(曲柄在点2)，等待在扫气口外边的增压空气即进入气缸，并把废气扫出。当活塞运动到下止点并转向上行时，扫气口a被关闭(曲柄在点3)，接着排气阀关闭(曲柄在点4)，换气过程结束，而开始进行压缩、燃烧和膨胀过程。
图2-5 废气涡轮增压二冲程柴油机工作原理图
（3）二冲程柴油机的换气型式
在二冲程柴油机中，目前普遍采用气口—气阀直流扫气，如图2-6所示：