船舶动力系统 第二章 柴油机（1） n柴油机是一种“内燃机” n能量转换： 化学能热能机械能 n绝大多数舰船上都以柴油机作为主机和发 电机的原动机 柴油机的分类 n按工作循环分 u四冲程柴油机 u二冲程柴油机 n按转速分 u低速机：9m/s） n按结构特点分类 u筒形活塞柴油机 ü缺点：活塞裙部起向导作用，在侧推力的作 用下，活塞与缸套磨损较大 ü优点：结构简单，紧凑，轻便 ü用于中，高速柴油机 u十字头活塞柴油机 ü优点：活塞与缸套间无侧推力， 侧推力由十字头滑块和导板承受 ，活塞和缸套磨损较小，不易擦 伤和老死 ü缺点：柴油机高度和重量大，结 构复杂需在汽缸下部设横隔板 ，以免汽缸内的脏油，烟灰，燃 气等漏入曲轴箱，污损曲轴箱底 部的滑油 ü用途：船用大型低速柴油机 筒 形 活 塞 式 十 字 头 式 n按照气缸数目 u单缸机 u多缸机 n按照气缸排列方式分类 u直列 uV形 活塞—连杆机构 u上止点：e，活塞距离曲 轴中心最远的位置 u下止点：c，活塞距离曲 轴中心最近的位置 u活塞冲程（行程，S ）：活塞上止点和下 止点间的距离，S=2R 1－气缸；2－气缸盖；3－活塞； 4－连杆；5－连杆上轴承；（活塞销轴承） 6－连杆下轴承（曲柄销轴承）；7－曲柄臂； 8－主轴；9－主轴承；10－飞轮参考：柴油机名词解释.swf n压缩室容积（Vc）：活塞位于上止点时， 活塞顶部与缸盖间的容积，又称燃烧室 容积 n汽缸工作容积（Vh）：活塞上、下止点之 间的容积称为一个汽缸的工作容积 n汽缸的最大容积（Va）：活塞在下止点时 ，气缸的容积，即气缸工作容积与压缩容 积的之和： Va=Vh+Vc n汽缸的总容积V，总排量：室内燃机所有 汽缸工作容积的总和 V=Vh*i 式中 i——气缸数 n压缩比：汽缸最大容积/压缩室容积 =1+Vh/VC u机构参数，柴油机一般=11-20，过大or过小 ，柴油机的经济性均下降【汽油机8-12，点火】 压缩比愈大，压缩终点的压力和温度愈高，易于 着火起动；but过大，最高燃烧压力提高，机 件受力增大，影响工作可靠性和使用寿命，压 缩室容积减小，混合气形成和燃烧带来困难， 机械效率降低 压缩比愈小，压缩终点的压力和温度下降，燃油 不易自燃、燃烧耗油量增加，功率下降，起动 困难 u非增压高，增压小 u燃烧室烧蚀，压缩比减 小； 轴承磨损，压缩比减小 u调整方法： 1）缸盖垫片厚度：减薄 ，压缩比增大。
2）船用连杆大端垫片厚 度：减薄，压缩比减小 3）…… 12 h d c 船用连杆的杆身于大端分开， 用螺栓联接 δ1船用连杆大端垫片 改变垫片厚度，相当于改变连 杆长度，达到调整压缩比的 目的（可用于使柴油机各缸 压比一致，或改变压比） 增加连杆长度，压缩室容积减 小，压比增加 12 c h 柴油机的基本结构 运动件：活塞 、连杆、曲轴 飞轮 固定件：机座、 机架、缸套、主 轴承、缸盖、贯 穿螺栓 系统部分：燃油系统、配气系统、润滑系统、 冷却系统、操纵系统、增压系统 WARTISA 四冲程柴油机结构剖分图 四冲程柴油机工作原理 n柴油机的一个工作循环：由进气、压缩、燃 烧、膨胀、排气5个过程完成 n四冲程柴油机： 活塞走完4个行程才完成一个工作循环的柴油机 柴油机工作原理.flv n第一行程：进气 使气缸中充入新鲜空气 p=0.085-0.095MPa ， 压力大致保持不变 n第二行程：压缩 气缸容积↘，温度↗ 近上止点时， p＝3～4MPa， ｔ＝600～700℃ 喷入柴油 柴油在高温下自行 发火 n第三行程：工作 行程，燃烧膨胀 燃油剧烈燃烧 ｐ，ｔ急剧↗ ，p＝6 ～8Mpa，ｔ＝1400 ～1800℃ 膨胀作功，容积 ↗p,ｔ↘p＝0.25 ～0.45Mpa，ｔ＝ 600～700℃ n第四行程：排气 燃气排出气缸，为下次 循环做准备 n只有一个冲程作功, 其他三个冲程靠惯性 完成 发动机的输出端加飞轮，增加惯性，运行 平稳性增加 单缸发动机飞轮转动惯量大 n进气行程，进气阀提前打开 、延后关闭 u1a：进气准备。
原因，气阀不 能瞬时全开，初始时气流流通 面积小 uab：活塞从上止点～下止点， p大气压力 ub2：补充进气利用内外压差 ，多进气，且气阀不能瞬时全 关 ab n喷油提前角：由于柴油存在发 火延迟期（0.001~0.005秒） 在上止点前10~35度曲柄转 角时开始将雾化的的燃料喷入 汽缸 n排气行程，排气阀提前打开 、延后关闭 u5c，为减小排气上行的时的 缸内压力，提前开启排气阀 uca：活塞上行，强制排气 ua6：排气流有惯性，利用惯 性，尽可能排气 a c n 正时（定时）：以曲柄上下止点为基准， 用曲柄转角表示的进排气阀、喷油器、起 动阀刚刚开启和完全关闭的时刻 n 正时圆周（定时图）：将柴油机的各种正 时，以曲柄上下止点为基准，按一定的转 向，用曲柄转角位置来表示在同一个圆上 的图形 四冲程机正时图 进气阀开 进气阀关 排气阀开 排气阀关 喷油开始 起动开始 起动结束 n 气阀重叠角：进、排气阀同时开启，这 段时间用曲轴转角来表示，称为气阀重叠 角 排气快终了时，废气流有惯性，且惯性流在燃 烧室内造成一定的低压，帮助抽吸新鲜空气充 入气缸气阀重叠角不会引起废气倒灌 气阀重叠角有利于提高换气质量、降低热 负荷 n四冲程中吸、排气 阀的正时 u吸气过程：a~b， 220° -250° ，开始时，曲柄 在上止点前10o 左右（ 点a），吸气阀开启， 曲柄过下止点后20o左 右（点b），吸气阀关 闭 u压缩过程：b~d， 140° -160°点c时开始向气缸 中喷油，燃油点燃 u燃烧膨胀过程：c~d~e u排气过程：e~f， 210- 240 °，曲柄在下止点 前35o左右（点e），排 气阀开启，点f排气阀 关闭 四冲程柴油机正时圆周 （曲柄的回转角度 ） 参考：四冲程正时.swf n四冲程中吸、排气 阀的正时 u早开晚闭 进气阀 →气阀不能瞬时全开， 且开启之初流通面积 小，则进气早开 →气阀不能瞬时全闭， 且利用气缸内外压差 多进气，进气晚闭 四冲程柴油机正时圆周 （曲柄的回转角度 ） 参考：四冲程正时.swf 排气阀 为减小活塞上行的 背压，则排气阀提 前开 利用惯性尽量排尽 废气，晚闭 四冲程柴油机正时圆周 （曲柄的回转角度 ） 参考：四冲程正时.swf 四冲程柴油机，吸 气和排气过程长； 燃烧、膨胀和压缩 过程短 点a~点f，吸气阀和 排气阀同时开启 排气快终了时，废气 流有惯性，且惯性 流在燃烧室内造成 一定的低压，帮助 抽吸新鲜空气充入 气缸气阀重叠角 不会引起废气倒灌 四冲程柴油机正时圆周 （曲柄的回转角度 ） 参考：四冲程正时.swf n进、排气阀开闭不能任意提前或迟后 u进气阀开启过早，废气将通过进气阀冲入进气 管，产生废气倒灌 u进气阀关闭过晚，活塞上行会使部分新鲜空气 向外排出，降低压缩压力 u排气阀打开过早，会使有效功损失增大 u排气阀关闭太迟，会使废气重新吸入 增压时，气阀重叠角加大（进气提前角、排气 滞后角增加；喷油提前角减小） 换气机构 n换气机构：保证按规定顺序和时刻完成进 、排气过程的机构 n功能：实现对柴油机换气过程的控制。
即 依照柴油机各气缸的工作次序，定时地打 开或关闭进排气阀以保证气缸里废气的 排除和新鲜空气的充入 n组成：气阀机构、气阀传动机构、凸轮和 凸轮轴传动机构 四冲程柴油机吸、排气阀的正时启闭机构 u凸轮轴由曲轴通过齿轮传动 ，曲轴回转两转，凸轮轴回转 一转 u正确地将凸轮轴与曲轴的相 对回转位置配合好，凸轮可按 照要求定时地开闭气阀 气阀传动机构 1－凸轮；2－顶杆； 3－摇臂；4－气阀杆；5－气阀 参考：气阀凸轮传动.swf V型机凸轮轴与推杆.swf 柴油机机体.flv 凸轮轴 挺柱 推杆 摇臂 凸轮轴正 时齿轮 摇臂轴 飞轮 活塞 活塞环 连杆 曲轴 凸轮轴 气门摇臂 气门顶杆 正时齿轮 中间齿轮 曲轴齿轮 n凸轮轴由曲轴带动 u四冲程机，凸轮轴与曲轴转速比为1：2 u二冲程机，凸轮轴与曲轴转速比为1：1 n传动方式 u齿轮传动：传动平稳，可靠、耐久，但结构复 杂，要求严格 u链条传动：结构简单，但链条加工要求高，易 断裂、松动，不可靠 凸轮传动机构 链条传动（四、二冲程） 齿轮传动（四冲程） 【总结】四冲程柴油机 u四冲程柴油机完成一个循环，活塞往复4个行程，曲 轴回转2转（720o），吸气阀、排气阀各启、闭一次 u每个循环中，只有工作行程（第3行程）作功。
其它 3个行程都是为工作行程服务的，都要消耗功（压缩 气体，克服进、排气阻力） 柴油机转速不均匀 运动零件受到冲击，磨损严重 柴油机上必须安装飞轮（单缸机飞轮尺寸、质量相当大 ），利用飞轮的转动惯量，使曲轴在四个行程中连 续、均匀运转 并列连杆机.swf 二冲程柴油机工作原理 n二冲程柴油机： 5个工作过程在活塞的2个行程中完成的柴油机 活塞 2冲程，曲柄1周360度 n结构特点： 全部或部分取消进、排气阀，而采用气口换气，或者是 二者兼而有之 n二冲程柴油机没有独立的进气和排气过程，进气 、排气过程重叠，在下止点前后约120 ～ 150 ° 内同时进行 单缸2冲程柴油机.swf n图为采用特设的活塞式 扫气泵的二冲程柴油机 （横流换气） n扫气泵活塞，柴油机的 曲柄连杆机构带动 扫气泵气缸a 扫气泵吸入阀b 排出阀c 扫气箱d 扫气口e 排气口f 排气管g n空气准备：空气泵吸入阀 b泵气缸a压缩泵排出 阀c扫气箱d n换气过程：l—2—3—4 膨胀行程中，活塞下行 点1处排气口出 废气出P↘ 点2处扫气口出d中空气入（ 进、排气同时进行） 到下止点活塞上行 点3除扫气口闭 点4处排气口闭 n压缩、燃烧和膨胀过程 n为保证先进行自由排气，排 气口f略高于扫气口e 扫气泵气缸a 扫气泵吸入阀b 排出阀c 扫气箱d 扫气口e 排气口f 排气管g n该类型柴油机正时圆 数据： u约上止点前6o开始喷 油，上止点后36o燃烧 结束 u扫、排气口的开闭时 刻分别为下止点前后 40o和 30o左右 扫气泵气缸a 扫气泵吸入阀b 排出阀c 扫气箱d 扫气口e 排气口f 排气管g 1）直流扫气： 气缸盖上装有排气阀，气缸套下部 设周围均匀开设一圈有一定倾斜角 的扫气口 ü 优点：排气干净，换气质量好， 不易混气。
适用于超长行程机；缸 套、活塞受热均匀，不易变形和产 生裂缝 ü 缺点：有排气阀，结构复杂 现代船用大型柴油机主要换气形 式 二冲程二冲程. .swfswf n二冲程柴油机的换气形式 2）横流扫气： 气缸盖没有排气阀，扫气口与排气 口布置在气缸下部圆周两侧，排气 口高于扫气口 新气由一侧扫气口进，同时将废气 从对面排气口逐出 ü 优点：结构简单，管理方便 ü 缺点：活塞上行，先关扫气口后关 排气口， 形成过后排气，损失部分 新鲜空气， 扫气有死角，易新、废 气混合，且两侧气缸受热不同，易 产生变形，校中时活塞中心线偏向 排气口的对侧 前例前例 3）回流扫气： 气缸盖无排气阀，由扫气口和排气 口进气、排气扫气口、排气口在 气缸同一侧，排气口在上气口与 气缸在纵、横方向均有倾斜角，以 控制气流方向 新气由扫气口进，先冲向对缸 壁 ，折回转向上，驱赶废气，再回向 下，将废气从排气口逐出 ü 优点：结构简单，扫、排气口位 于同侧，便于增压器管理布置 ü 缺点：路程长，换气差，新废气 易混 2q01.swf2q01.swf 【结论】：二冲程柴油机 u结构上，全部或部分取消进、排气阀 u二冲程柴油机曲柄1个回转中作功1次， 四冲程机曲柄2个回转中作功1次 气缸尺寸和转速相同时， 理论， P二冲程机=2P四冲程机 实际， P二冲程机=(1.6~1.7)P四冲程机 u二冲程机扭矩均匀性较好。