船舶柴油机使用及维护重点(船舶动力专业)
模块一 柴油机的基本知识
1.柴油机的定义；
柴油机是一种压缩发火的往复式内燃机。柴油机使用挥发性较差的柴油或劣质燃油作燃料，采用内部混合法（燃油与空气的混合发生在气缸内部）形成可燃混合气，缸内燃烧靠缸内空气被压缩后形成的高温燃气自行发火。
通常柴油机具有一下突出优点：
①具有较高的压缩比，因此热效率最高，可达55%，可燃用廉价的重油，经济性好； ②功率范围广，从0.6kw 至47000kw ，可以适应不同动力设备的需要；
③尺寸小，比质量（kg/kw ）轻，便于机舱布置；
④机动性好，启动方便，加速性能好，能直接反转，便于使用和管理；
同时，柴油机也存在某些缺点：
①存在着较强的机身振动、轴系扭转振动及噪声；
②某些零部件的工作条件恶劣，高温、高压并有冲击性载荷。
2.压缩比的定义及意义，压缩比的计算；
气缸总容积与压缩室容积的比值，也叫做几何压缩比。 其计算式为c h c h c c a V V V V V V V +=+==
1ε。压缩比是柴油机的主要性能参数之一，他表明压缩过程中进入缸内的空气被压缩的程度。
压缩比ε越大压缩终点的温度和压力就越高，对燃油的发火、柴油机的启动有利，而且热效率越高。但压缩比过高会使柴油机工作粗暴，机件机械负荷增加，磨损加剧，因此柴油机要有合适的压缩比。
3.四冲程的柴油机进排气为什么都要提前和滞后，气阀重叠角有何作用？
答：原因：四冲程柴油机进排气气阀提前开启与滞后关闭是为了将废气排出得干净并增加空气的吸入量，以利于燃 油的充分燃烧，另外还可减少强制排气时活塞的背压。
作用：当气阀重叠开启期间，进气管、气缸、排气管连通，此时废气因流动惯性，可避免废气到流入进气管内，同时还可抽吸新鲜空气进入气缸。新鲜空气进入气缸后又将废气扫出，实现所谓燃烧室扫气，还可冷却燃烧室部件。
4.二冲程柴油机的两种换气形式及特点；
形式：直流扫气和弯流扫气。
特点：直流扫气，扫气效果较好，而且排气阀与进气口可以同时关闭，也可提前关闭；应用广泛。
弯流扫气，根据气口的布置和结构特点主要分为横流、回流和半回流。
简单横流：空气从进气口一侧沿气缸中心线向上，在靠近燃烧室部位回转到排气口的另一侧，再沿气缸中心线向下，排废气从排气口清扫出气缸；
回流：进气流沿活塞顶面向对侧的缸璧并沿缸璧向上流动，到气缸盖向下流动，把废气清扫出气缸；
半回流：气流在气缸内的流动特征兼有横流与回流的特点，某些半回流扫气形式，在排气管中装有回转控制阀。
5.柴油机的有效指标表征的意义。
有效指标是以柴油机输出轴上所得到的有效功为基础上，它既考虑了气缸内的热损失也考虑了一系列的机械损失，它是评定柴油机工作性能的最终指标。
模块二柴油机的主要机件
1.薄壁强背的结构与优点；
采用较薄的底板以减少其壁面温差和热应力，采用较厚的中隔板和较高的气缸盖高度构成了刚度很强的“背部”。
优点：①通过气道壁对底板的支撑，减小底板所承受的机械应力；②使热负荷和机械负荷都保持在比较低的水平上，提高了可靠性。
2.气缸套的功用、要求、种类；
主要功用：①与活塞组件、气缸盖共同构成气缸的工作空间；②引导活塞做往复运动，筒形活塞柴油机的气缸套还承受活塞的侧推力；③通过缸套将部分热量传给冷却水，以保证活塞组件和缸套本身在高温、高压条件下正常工作；④二冲程柴油机的气缸套上设有气口，通过活塞控制气口启闭，实现配气。
工作条件：工作条件十分恶劣，内表面直接与燃气接触，受到高温、高压燃气作用，湿式气缸套外部直接与冷却水接触，内外温差大。
要求：①气缸套应具有足够的强度和刚度，以承受热负荷和机械负荷的作用；②气缸套工作表面应具有较高的精度，良好的耐磨性和抗腐蚀性能，还要有良好的润滑条件和可靠的冷却条件；③保证对气缸工作容积及冷却水空间应有可靠的气密和水密作用；④对二冲程柴油机气缸套要有合理的气口形状和截面尺寸。
种类：湿式、干式、带冷却水水套等三种形式
3.活塞组件的功用、要求，活塞环的分类与密封；
答：活塞组件功用：与气缸、气缸盖等组成密封的燃烧室空间，承受气缸内气体的压力，并将其传递给连杆；②在筒形式柴油机中，还要承受连杆倾斜时产生的侧推力，起往复运动的导向作用；③在二冲程柴油机中，还要起开启、关闭气口的“滑阀”作用。
要求：强度高、刚度大，密封可靠，散热性好，冷却效果好，摩擦损失小，耐磨损。
活塞环的分类与密封：①密封环（气环）②刮油环（油环）③承磨环专为活塞与气缸的磨合而设置的。
4.活塞的冷却方式与冷却机构；
答：筒形活塞组件，组成：活塞、活塞环、活塞销等。冷却方式：①喷射式②腔空式③振荡式④蛇管式
十字头活塞组件，组成：活塞头、活塞裙、活塞环、活塞杆等。冷却方式：采用滑油冷却。
5.连杆组件的构成，连杆大端基本定位形式与作用；
答：连杆组件主要由连杆本体、连杆盖、连杆螺栓和大、小端轴承等组成。
连杆大端的基本定位形式与作用：①船用连杆大端，连杆大端与杆身分开，由凸肩定位，用连杆螺栓紧固于连杆杆身下端凸缘上。这种结构可以通过改变杆身大端之间的垫片厚度δ1调节连杆长度（大、小端中心距），以保证各缸压缩比相同。
②平切口连杆大端（车用式大端），在保证平切口连杆大端宽度小于气缸直径的前提下，用增加连杆螺栓数目，缩小螺栓直径来增大曲柄销直径的相对尺寸（有限度的）。
③斜切口连杆大端，为了使连杆螺栓不受剪切，连杆大端必须采用能够承受切向力的定位方
式。（a）止口定位，简单但可靠性差；（b）销套定位，钢制销套与连杆盖过盈配合，其结构简单，承受剪切力有限；（c）锯齿定位，是目前应用最多的一种定位形式，它具有较多的抗剪切断面，抗剪切能力强，其定位可靠，尺寸紧凑，但必须保证有足够高的齿形精度和贴合度。加工精度高，应用较为广泛。（d）舌榫定位，具有较强的抗剪切能力，但它要求接合面有较高的贴合度。
6.曲轴的基本组成、工作条件；
答：曲轴的基本组成：主轴颈，曲柄臂，曲柄销。
曲轴功用：将活塞往复运动通过连杆变成回转运动；汇集各缸所做的功，并以转矩形式向外输出；带动柴油机附属设备。此外，中小型柴油机的曲轴还带动自身所需的辅助设备。
工作条件复杂：①受力复杂②应力集中严重③附加应力很大④轴颈遭受磨损
形式及特点：①整体式曲轴：整根曲轴由整体锻造或铸造而成，在中小型柴油机中广泛应用。
②套合式曲轴：有半套合式和全套合式两种，常用于大型低速柴油机中。半套合式，曲柄销和曲柄臂制成一体，主轴颈单独制造，再用“红套”法将其结合成整根曲轴。全套合式，主颈轴、曲柄销以及曲柄臂都是单独制造，然后用“红套”法结合成整根曲轴。
③焊接式曲轴：各单位曲轴柄在主轴颈中央部位通过窄缝埋弧焊，连成一整体。
④组合式曲轴：有分段式和圆盘式两种。分段式曲轴是将缸数较多、曲轴长度较大的大型柴油机曲柄分成两段制造，用法兰连接成整根曲轴。圆盘式曲轴是将主颈轴与曲柄销制成一体构成一个单位曲柄。
模块三换气与增压
1.换气机构有何功用？它由哪些部分组成？、
答：功用：保证柴油机工作过程中按时开启或关闭各气缸进气和排气阀，使尽可能多的新鲜空气进入气缸，使膨胀废气排出，以保证柴油机的正常运行。
组成：主要由气阀机构，气阀传动机构，凸轮轴和凸轮传动机构组成。
2.四冲程柴油机和二冲程柴油机的换气过程；
答：对换气过程的要求：废气排得越干净，充入的新鲜空气越多越好，消耗的功及流失的空气量要少。
四冲程柴油机的实际换气过程是从排气阀在下止点前开启，经过排气冲程和进气冲程至进气阀在下止点后关闭为止的过程。根据气体流动的特点，换气过程可分为三个阶段：①自由排气阶段，②强制排气阶段，③进气阶段。
二冲程柴油机的换气过程是从排气口（或排气阀）打开时至排气口（或排气阀）完全关闭为止的过程。根据换气过程中气缸内压力变化特点，可以把整个换气过程分为三个主要阶段：自由排气阶段，②强制排气和扫气阶段，③过后排气阶段。
3.气阀式配气机构的基本组成；
答：气阀式配气机构的基本组成：气阀，气阀导管，气阀弹簧，凸轮轴，顶头，推杆，摇臂，摇臂座。
4.简述当代长（超长）行程低速柴油机使用液压式气阀传动机构的原理有何特点？
答：（原理：液压式气阀传动机构是在顶头和气阀上各设一个液压油缸，并以以高压油管连通。开阀时，液压缸受顶杆向上推动，上行压缩，液压油经导管流至气阀上面液压缸，压力
达到一定程度时气阀被液压缸向下推力打开。当关阀时，液压缸中油压由于提供液压，液压缸下行而减小，气阀端则因汽缸向上行，气缸充气而上行使排气阀快速关闭。）
特点：尺寸小，质量轻，气阀不受侧推力，工作噪声小，便于布置，拆装方便，但是存在调试和密封困难等缺点。
5.四冲程六缸柴油机各缸如何进行气阀间隙的检查与调整；
答：检查调整气阀间隙要在柴油机冷态下进行。首先盘车滚轮与凸轮基圆相接触，使准备检查调整的进、排气阀处于关闭状态，此时这些气阀对应的顶杆用手指捻转得动，然后在摇臂的顶杆端略加力把摇臂压向下，于是在摇臂的气阀端与气阀顶杆端之间就出现了间隙。用厚度适当的塞尺测量此间隙的大小，当塞尺在其间既能通过又有阻滞感时，说明实际间隙就是塞尺的厚度。若实际间隙值与规定值不相符时，应松开调节螺钉的锁紧螺母，转动螺钉直至间隙符合规定为止，然后紧固好锁紧螺母。
6.当代新型船用柴油机为什么均采用定压涡轮增压，为什么设电动辅助鼓风机？
答：因为废气以基本不变的速度和压力进入涡轮，这种增压方式的涡轮工作稳定，效率高。故当代新型船用柴油机均采用定压涡轮增压的方式。
由于定压涡轮增压所利用的废气能量少，尤其当柴油机在低负荷时或启动时，因废气的能量少，使涡轮发出的功率满足不了气压机所需的功率，柴油机必须另设辅助风机来满足低负荷时的扫气需要，故设电动辅助鼓风机。
7.轴流式涡轮、离心式压气机的结构和工作原理。
答：轴流式废气涡轮机由进气箱、喷嘴环、涡轮机叶轮、隔热墙、排气箱等组成。
喷嘴叶片形成的通道从进口到出口呈收缩状，其作用是将柴油机排除的废气压力能部分转变为动能，并使气流具有工作叶片所需要的方向。为了减少气流流过叶片时的能量损失，要求叶片的形状与气流参数沿叶片的变化相适应，以提高涡轮机效率。高速流动的气流进入工作轮的叶片通道，其中一部分能量转变为机械功，最后经排气箱排往大气。
离心式增压器的增压机组要由进气消音器、进气箱、压气机叶轮、扩压器、排气蜗壳等组成。压气机排气箱的主体是一个蜗壳状的管道，其流通截面由小到大。它一方面收集从叶片扩压器流出的空气，另一方面继续起着扩压作用。
模块四燃油喷射与燃烧
1.喷射系统的三对偶件，出油阀的作用与分类；
答：三对偶件：柱塞、针阀、排油阀（出油阀）偶件
排油阀偶件有蓄压、止回和卸载（减压）的作用。
排油阀按其卸载方式不同，可分为等容卸载和等压卸载两种类型。
2.在回油孔式喷油泵中三种油量调解方式；
答：终点调节式
始点调节式
始终点调节式
3.VIT机构原理和优势；
答：可变喷油定时机构称VIT。作用：保证负荷改变时，随着喷油泵油量的改变能自动调整其供油提前角，使得柴油机在部分负荷运动时仍具有较高的最高爆发压力。调节原理，泵体
的方形底部有两根调节齿条，下方一根是油量调节齿条，油泵套筒下部有梯形螺纹相配，齿圈外部又与定时齿条相啮合。拉动齿条，齿圈通过螺旋副，使套筒上下移动，改变套筒与z 柱塞的相对位置，供油定时随之改变。VIT 回油阀调节式喷油泵，调节器是进油阀。
4.喷油规律与供油规律，不正常喷射现象及原因；
答：喷油泵的单位转角供油量?d dg p /随喷油泵凸轮转角ψ（或时间t ）的变化规律称为供油规律。它完全取决于柱塞的直径和凸轮型线的运动规律。单位转角喷入气缸的喷油量?d dg n /随凸轮转角ψ（或时间t ）的变化规律称为喷油规律。
不正常喷射：①二次喷射，在喷油泵供油结束后，喷油器针阀落座后再次打开喷油的现象称为二次喷射。二次喷射产生的主要原因是当喷油泵供油终止后，隔断了高压油管与油腔之间的通路，使泵端的燃油回流速度突降为零而产生燃油堆积，压力重新升高。当上升的压力波以音速再次传递到喷油器且又大于针阀启阀压力时，则可能产生二次喷射。
②断续喷射，在喷油泵的一次供油期间，喷油器针阀断续启闭的喷射过程，而且伴有针阀开启不足，喷射不力，这种现象称为断续喷射。当柴油机低转速、低负荷下运转时，柱塞的运行速度降低，喷油泵的输出压力也降低，此时喷油泵的供油量小于喷油器的喷油量，造成喷油器针阀的断续喷射。因此断续喷射多发生在低负荷、低速运转工况。
③不稳定喷射和隔次喷射，不稳定喷射是喷油泵持续工作时各循环喷油量不均的喷射。其极端情况是隔次喷射，即喷油泵每供油两次或两次以上，喷油器才有一次喷射过程。这两种情况也发生在柴油机低负荷运转时，或喷油设备偶件过度磨损时、
④滴漏，滴漏现象是在针阀偶件密封正常的情况下，在喷油终了后仍有燃油自喷孔流出。滴漏发生的原因在于因针阀座下部自喷孔间体积过大以及由于出油阀减压卸载能力不强，使高压油管中的油压下降缓慢，造成针阀不能迅速落座，因而增强出油阀减压卸载能力或提高针阀落座速度（如增加针阀弹簧预紧力等）均可防止滴漏现象。
5.喷油定时检查与调整；
答：（一）密封性检查与要求：①综合检查；②排油阀密封性检查；③进、回油阀密封性检查
（二）供油定时的检查与调整：①冒油法；②光照法；③标记法
（三）喷油泵供油定时的调节：①转动凸轮法；②升（降）柱塞法；③升（降）套筒法
（四）供油量的检查与调整：①停油位的检查与调整；②各缸供油量均匀性的调整。
模块五 润滑与冷却
1.润滑的作用；
答:①减磨，②冷却，③清洁，④密封，⑤防腐蚀，⑥减振降噪，⑦传递动力。
2.实现液体动压润滑的条件是什么？影响因素有哪些？
答：实现条件：供油连续，轴颈会完全被由润滑油动力作用而产生的油楔抬起，同时在轴承和轴颈之间形成一偏心度，轴颈所受负荷由油楔中产生的油压所平衡。
影响因素：①摩擦表面的运动状态(回转或滑动)；②滑油黏度；③轴承负荷；④轴承间隙；⑤表面加工粗糙度。
3.气缸润滑条件及方式；
答：气缸润滑的特殊性首先体现在高的的工作温度。其次，活塞在往复运动时，其运动速度在中部最大，在上、下止点处为零。第三，柴油机使用劣质燃油给气缸润滑带来了新问题。气缸润滑的方式可分为飞溅润滑和气缸注油润滑两点。
4.曲轴润滑系统的线路图——大型低速机；
5.中央冷却系统。
答：中央冷却系统是一种近代新型的柴油机冷却系统。其特点是使用不同工作温度的两个单独淡水循环系统：高温的高温淡水（约80-85℃）和低温的低温淡水（约30-40℃）闭式系统。前者用于冷却主机，后者用于冷却淡水和各种冷却器（如滑油、增压空气等）。受热后的低温淡水再在一个中央冷却器中由开式海水系统进行冷却。由此，可只使用一个用海水作冷却液的冷却器，简化了海水管系的布置，并可保证柴油机在工况变化时其冷却水参数不变。中央冷却系统较传统的冷却水系统具有下述明显优点：
①海水管系及中央冷却器的维修工作量减至最少；
②冷却水温度稳定，不受工况变化的影响，使柴油机始终在最佳冷却状态下运转；、
③淡水循环可多年保持清洁，维修工作量少。
中央冷却系统由于增加了中央冷却器及其辅助设备与管系，故投资费用较高；并且附加管系的阻力损失使泵送耗功也有所增加。
模块六启动、换向和调速
1.压缩空气启动系统的工作原理、条件和主要设备；
答：（一）压缩空气启动装置原理图
（二）启动条件
①压缩空气应具有一定的压力和足够的储量。
②压缩空气供气要适时并有一定的供气延续时间。
③必须保证最少汽缸数。（二冲程柴油机一般不少于4个，四冲程柴油机一般不少于6个。若气缸少于上述值，则启动前必须盘车至某缸处于启动位置）
(三)①气缸启动阀，②空气分配器，③主启动阀。
2.单凸轮换向的特点和不同线型凸轮的换向原理；
答：单凸轮换向的特点是每个需要进行换向操作的设备（如喷油泵、排气阀、空气分配器等）都各自由一个轮廓对称的凸轮来控制，正倒车兼用。换向时凸轮轴并不轴向移动，只需使凸轮（轴）相对曲轴转过一个角度。
单凸轮换向装置所使用的凸轮线型有两种：一般线型和鸡心形线型。前者适用于各种柴油机的凸轮，后者仅适用于直流阀式换气的燃油凸轮。
鸡心凸轮换向原理：为了解决燃油凸轮和排气阀凸轮差动方向不相同、差动角不相同的矛盾，采用一种鸡心凸轮代替一般线型的燃油凸轮，这样就可以使燃油凸轮和排气阀凸轮装在同一根凸轮轴上实现差动换向。
单轴差动换向必须满足下列三个条件：
①两组凸轮的差动方向相同；
②两组凸轮的差动角相同；
③差动后同名凸轮的正倒车正时基本相同。
3.调速器的分类、性能指标表征的意义；
答：调速器的分类：
（一）按调速范围分类
①极限调速器（限速器），用来限制柴油机的最高转速不超过规定值，以防止“飞车”而在转速低于规定值时不起调节作用的调速器。
②定速调速器（单制式调速器），负荷变化时直接调节供油量以保持柴油机在预定转速下稳定运转的调速器。
③双制式调速器，能维持柴油机最低运转转速并可限制其最高转速的调速器。
④全制式调速器，在柴油机全部转速范围内，均能自动调节油量，以保持任意设定的转速不变的调速器。
（二）按执行机构分类
①机械调速器（直接作用式），直接利用飞重产生的离心力与调速弹簧张力之间的不平衡力去移动油量调节机构，以调节柴油机转速。
②液压调速器（间接作用式），通过液压伺服器将飞重的离心力与调速弹簧之间的不平衡力加以放大，然后使用放大的液压动力去移动油量调节机构以调节柴油机的转速。 ③电子调速器，转速信号监测后执行机构采用电气方式的调速器。
调速器的性能指标表征的意义：
调速器标定工况下的稳定调速率2δ的定义及它的作用
定义：当操作手柄在标定供油位置时，柴油机的最高空车转速max 0δ与标定转速b n
之差与标定转速b n 比值的百分数，即%100max 0?-=b b b n δδδ
作用：①提高调速过程的稳定性：2δ增大，稳定性提高；②对并联运行的柴油机所承担的
负荷多少进行自动调节：2δ大则机组并联运行中所承担的负荷小。
4.调速器的哪些参数反映灵敏性、稳定性、准确性
答;不灵敏度ε用来反映调速器的灵敏性；
瞬时调速率1δ和稳定时间s T 用来反映调速器的稳定性；
稳定调速率2δ用来反映调速器的准确性。
5.液压调速器的种类及特点。
答：①无反馈液压调速器，为了实现稳定调节，液压调速器中需加一个反馈机构（或补偿装置），反馈环节在动力活塞移动的同时反作用于滑阀，使其向平衡位置方向移动，从而使滑阀提前恢复至平衡位置。反馈环节对滑阀产生的反作用动作称为反馈（或补偿）。 ②刚性反馈液压调速器，调速器的稳定调速率不能达到零，不能实现恒速调节。 ③弹性反馈液压调速器，既能使调速过程稳定，又能保持柴油机转速恒定不变。
④双反馈液压调速器，具有弹性反馈机构以保证调节稳定性，同时还具有刚性反馈机构以使其具有一定的稳定调速率，保证各机按比例分配负荷。
模块七 柴油机的特性和选型
1.柴油机的工况与特性之间的关系；
答：根据柴油机在船上的应用时的不同条件，可归纳成三类工况：
①发电机工况，要求柴油机的转速n 始终不变或变化很小，而负荷根据需要从零变化到最大。 ②螺旋桨工况，要求柴油机的负荷和转速都能在一定范围内变化，而且它们之间的变化有一定的规律。通常情况下，柴油机的功率e P 与转速n 的三次方成正比，即3n P e ∞。
③其他工况，柴油机的负荷及转速都可以在较大的范围内各自任意变化。
柴油机的特性是指柴油机在不同工况下，其主要性能指标和工作参数随工况（转速、负荷）改变而变化的规律。表征柴油机性能指标主要有：平均有效压力、有效功率、有效转矩、有效耗油率、有效热效率等。柴油机工作参数主要有：转速、进气压力、增压压力、最高爆发压力、排气温度、增压器转速、涡轮出口温度等。将这些关系在坐标图上以曲线的形式表示出来的就称特性曲线。
2.分析柴油机的负荷特性、限制特性。
答：负荷特性是柴油机在转速保持不变的时，其主要性能指标及工作参数随负荷（有效功率或平均有效压力）而变化的规律。
柴油机的限制特性就是限制柴油机在各种转速下的最大有效功率，使柴油机的机械负荷和热负荷不超出规定的允许范围。可以认为限制特性是速度特性的一种，用限制特性来限制柴油机在各种运转条件下的负荷。