船舶柴油机

船舶柴油机第一章 柴油机基本工作原理第一节 柴油机概述1.柴油机的优点：①热效率最高可达到55%②功率范围广，从0.6kw至47000kw③机动性好，起动方便，加速性能好，便于使用和管理2.柴油机的缺点：①存在振动和噪音②工作环境恶劣，高温，高压第二节 柴油机的基本结构和几何术语一、柴油机的基本结构1.固定部件主要包括机座、机体、气缸盖、气缸套和主轴承等。

2.运动部件主要包括活塞组件、连杆组件和曲轴飞轮组件等。

3.主要系统主要有配气系统、燃油系统、冷却系统、润滑系统以及起动、换向和调速等系统。

二、常用几何术语⑴上止点：活塞在气缸中运动的最上端位置，即离曲轴中心线最远的位置。

⑵下止点：活塞在气缸中运动的最下端位置，即离曲轴中心线最近的位置。

⑶曲柄半径R：曲轴回转中心线到曲柄销中心线的距离。

⑷冲程S：活塞在上、下止点之间移动的距离。

冲程又称行程，它等于曲轴曲柄半径R的两倍，即S=2R。

⑸缸径D：气缸套的内径。

⑹压缩室容积：活塞位于上止点时，活塞顶与气缸盖底面之间的气缸容积，又称燃烧室容积。

⑺气缸工作容积：活塞从上止点移动到下止点所扫过的气缸容积。

⑻气缸总容积：活塞位于下止点时，活塞顶以上的全部气缸容积，是压缩室容积与气缸工作容积之和。

⑼压缩比ε：气缸总容积与压缩室容积的比值亦称几何压缩比。

第三节 柴油机的工作原理一、四冲程柴油机工作原理⒈四冲程柴油机工作原理第一冲程——进气冲程这一冲程的任务是使气缸内充满新鲜空气。

活塞由上止点下行，进气阀已打开，由于气缸容积不断增大，缸内压力下降，依靠气缸内外的气压差作用，新鲜空气通过进气阀被吸入气缸。

由于受流阻等影响，在进气过程的大部分时间里，气缸内压力低于大气压力，到下止点时，缸内气压的为0.08～0.95Mpa，温度约为30～70℃。

为了使柴油机作功更完善，必须在进气过程尽可能多吸入新鲜空气。

进气阀开启始点至上上点的曲柄转角叫做进气提前角。

下止点到进气阀关闭位置的曲柄转角叫做进气延迟角。

第二冲程——压缩冲程这一冲程的任务是压缩第一冲程吸入的空气，提高空气的温度与压力，为柴油机燃烧及膨胀作功创造条件。

活塞从下止点向上运动，自进气阀关闭开始压缩，一直到活塞到达上止点为止。

活塞上行，气缸容积减少，缸内气体压力和温度随之升高，到达压缩终点时，压力增高到 3～6MPa，温度升至 600～700℃（柴油的自燃温度为270℃左右）。

第三冲程——燃烧和膨胀冲程这一冲程的任务是完成两次能量转换。

在活塞到达上止点前，燃油经喷油器以雾状喷入气缸的高温高压空气中，并与其混合，在上止点附近自燃，由于燃油强烈燃烧，使气缸内气体温度迅速上升到1400～1800℃或更高些，压力增加至5～8MPa，甚至15MPa以上。

燃烧产生的最高压力称最高爆发压力，用p z表示，最高温度t z表示。

高温高压燃气膨胀推动活塞下行作功。

在上止点后的某一时刻燃烧基本结束，燃气继续膨胀，到排气阀下止点前开启时膨胀过程结束。

第四冲程——排气冲程这一冲程的任务是将作功后的废气排出气缸外，为下一循环新鲜空气的进入提供条件。

这一阶段，要求废气排得越干净越好，所以与进气阀启闭一样，排气阀也是提前开启，延迟关闭。

排气阀开启时，活塞尚在下行，废气靠气缸内外压力差进行自由排气。

从排气阀开启到下止点的曲柄转角叫做排气提前角。

当活塞从下止点上行时，废气被活塞推出气缸，此时排气过程是在略高于大气压力（约1.05～1.1大气压），且在压力基本不变的情况下进行的。

排气阀一直延迟到活塞到达上止点之后才关闭，这样可利用气流的惯性作用，继续排出一些废气。

上止点到排气阀关闭位置的曲柄转角叫做排气延迟角。

总结：四冲程柴油机每完成一个工作循环，曲轴要转两转，每个工作循环中只有膨胀冲程是做功的，其他三个冲程都是为膨胀冲程服务的，都消耗功。

柴油机做成多缸的，这样进气、压缩、排气冲程消耗的能量可由正在做功的气缸供给，单缸柴油机就要由较大的飞轮供给能量。

⒉四冲程柴油机的定时及定时图进、排气阀在上、下止点前后开启或关闭的时刻称为气阀定时。

气阀定时通常用与相应的上下止点间的曲柄转角来表示。

这个用曲柄表示定时的圆图称为定时图。

气阀提前开启与延迟关闭是为了将废气排除的干净并增加空气的吸入量，以利于燃油的燃烧，另外还可以减小强制排气时活塞的背压。

进气阀与排气阀同时开启所对应的曲柄转角称为气阀重叠角。

在气阀重叠开始期间，进气管、气缸、排气管连通，此时废气应流动惯性，可避免废气倒流入进气管内，同时还可以抽吸新鲜空气进入气缸。

新鲜空气进气缸后又将废气排出，并可冷却燃烧室部件，实现燃烧室扫气。

二、二冲程柴油机工作原理⒈二冲程柴油机工作原理第一冲程──扫气及压缩活塞由下止点向上移动，活塞在遮住扫气口之前，由扫气泵供给储存在扫气箱内的空气，通过扫气口进入气缸，气缸中的残存废气被进入气缸的空气通过排气口f扫出气缸。

活塞继续上行，逐渐遮住扫气口，当扫气口完全关闭后，空气停止充入，排气还在进行，这阶段称为“过后排气阶段”。

排气口关闭时，气缸中的空气就开始被压缩。

当压缩至上止点前时，喷油器将燃油喷入气缸，与高温高压的空气相混合，随即在上止点附近发火，自行着火燃烧。

第二冲程──燃烧膨胀及排气活塞在高温高压燃气的推动下，由上止点向下运动，对外膨胀作功，活塞下行直至排气口f打开，膨胀作功结束，气缸内大量废气靠自身压力从排气口排入到排气管。

当气缸内的压力降至接近扫气压力时（一般扫气箱中的扫气压力为0.105～0.140MPa），下行活塞把扫气口打开，扫气空气进入气缸，同时把气缸内的废气经排气口f赶出气缸。

活塞运行到下止点，本冲程结束，但扫气过程一直继续到下一个冲程排气口关闭为止。

⒉二冲程柴油机与四冲程柴油机的比较二冲程柴油机与四冲程柴油机相比具有以下优点⑴二冲程柴油机每两个冲程完成一个工作循环，二冲程的功率是四冲程的1.6～1.8倍。

⑵由于二冲程柴油机曲轴每一转完成一个工作循环，因此回转比四冲程机均匀，可使用较小的飞轮。

⑶二冲程柴油机结构简单，便于维护保养。

二冲程柴油机也有其不足之处⑴二冲程柴油机换气质量较四冲程机差。

⑵在相同的转速下，二冲程柴油机的工作循环比四冲程机多一倍，所以二冲程柴油机的热负荷比四冲程机高。

三、二冲程增压柴油机工作原理直接用柴油机驱动压气机的增压方式，称为机械增压。

用柴油机气缸排除的废气的能量在涡轮机中膨胀做功，用来驱动压气机的增压方式，称为废气涡轮增压。

四、二冲程柴油机的换气形式现在一般使用直流的。

为了使扫气进行的完善，扫气口和排气口在气缸轴线方向和气缸半径方向都有一定的倾斜角，防止进气直接流向排气口。

第四节 柴油机的性能指标指示指标（以气缸为基础）有效指标（以飞轮输出端为基础）动力性—平均指示压力—平均有效压力—指示功率—有效功率经济性—指示热功率—有效热功率—指示燃油消耗率—有效燃油消耗率第五节 柴油机的热力循环等容加热循环——点燃式内燃机（汽油机）等压加热循环——压燃式内燃机（如高增压或低速柴油机）混合加热循环——压燃式内燃机（如高速柴油机）当初始状态一致且加热量及压缩比相同时，等容加热循环的热效率最高，等压加热循环的热效率最低，混合加热循环的热效率介于两者之间；当最高压力及加热量相同而压缩比不同时，等压加热循环的热效率最高，等容加热循环的热效率最低，混合加热循环介于两者之间。

继续膨胀混合加热循环——涡轮增压柴油机理论循环。

第六节 船舶柴油机的分类和型号一、船舶柴油机的分类（1）按工作循环特点分：四冲程柴油机和二冲程柴油机。

（2）按柴油机进气方式分：增压柴油机和非增压柴油机。

（3）按柴油机转速和活塞平均速度分：柴油机的速度可以用曲轴转速对或活塞平均速度C m来表示。

船舶柴油机可分为：低速机、中速机、高速机。

（4）按结构特点分：筒形活塞式柴油机和十字头式柴油机。

（5）按气缸排列分：直列型（单列式）柴油机和V型排列柴油机。

（6）按柴油机能否倒转分：可倒转式和不可倒转式。

（7）按动力装置的布置分：左机和右机。

第二章 柴油机主要机件第一节 活塞组件一、活塞组件的功用和组成筒形活塞活塞活塞环活塞销十字头活塞活塞活塞环活塞杆活塞组件的功主要有：⑴活塞组件与气缸盖、气缸套共同组成柴油机的工作空间。

⑵高温高压燃气通过活塞组件转变为机械功。

⑶筒形活塞在往复运动中，起导向和承受侧推力的作用。

⑷在二冲程柴油机中，活塞组件还起着控制气口的开闭作用。

二、活塞结构活塞由活塞头部与活塞裙部组成。

1 活塞头部结构1 活塞顶面有各种形状的浅凹坑或深凹坑，以利于气缸内混合气的形成。

2 凸顶活塞的强度、刚度较好，不易积碳，在二冲程柴油机中也能改善扫气效果。

3 薄壁强背多支撑结构。

4 活塞上小下大，热膨胀。

为了改善环槽部分的可靠性，采取以下措施：1 为减轻第一道气环的热负荷，在第一道环槽上部开一个绝热槽。

2 采用特殊的耐磨镶圈。

⒉活塞裙部结构1 裙部主要起导向和承受侧推力的作用。

2 裙部设有销座，用以安装活塞销，裙部还设有刮油环槽，裙部常常制成椭圆形（膨胀、侧推力可使短变长）其短轴位于活塞销座方向。

3 青铜减磨环在磨合阶段有很好的导向作用。

3.活塞的冷却方式：震荡、喷射（1）套管式：冷却介质为水（2）铰链式：冷却介质为滑油三、活塞销与销座活塞销的装配形式：（1）固定式：销固定在销孔的销座上，活塞销跟连杆小端衬套作相对滑动，这种装配形式使工作中冲击减小，但活塞销单边磨损严重。

（2）半浮动式：销与连杆小端固紧，两端与销孔是间隙配合，这种装配形式因润滑困难，目前很少使用。

（3）浮动式：销既可相对连杆小端衬套转动，又可相对销孔转动，这种装配形式使塞销表面相对速度低，磨损均匀，工作可靠，拆装方便，因而广泛应用于中、高速柴油机中。

四、活塞环气环的功用，保证气密，传递热量给气缸壁，支撑活塞。

刮油环的功用，布油，刮油。

1.气环⑴密封机理第一次密封是依靠环自身的弹性。

第二次密封是依靠作用在环上表面和漏到环背内圆柱面的气体力，使环紧贴在环槽的下表面和缸套的内壁上。

气环的密封作用主要靠第二次密封。

⑵环的搭口形式：直搭口、斜搭口、重叠搭口⑶气环材料的处理第一、第二道铸铁环外圆上常采用多孔性镀铬，以增加耐磨性。

在高速强化柴油机上，气环进行喷钼处理，比镀铬气环具有更高的耐磨性和抗熔着性能。

为了改善气环的初期磨合性能和提高耐磨性常将第二道以下各气环的表面进行镀锡、磷化、镀铬等处理。

⑷配合间隙：搭口间隙、侧隙（天地间隙）、背隙。

⑸气环的截面形状①矩形：它是应用最普遍的一种，结构简单，制造方便。

主要缺点是:气环的外圆柱面与气缸接触面大，单位面积压力小，密封性差;当活塞晃动时气环不能保持与缸壁良好接触；上行时有向上刮油的作用，增加了滑油耗量，引起燃烧室积碳。

为了改善矩形气环与缸壁的初期磨合效果，某些大功率柴油机在矩形气环上镶嵌青铜或其他易磨合的材料。