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1、第一章第一章 柴油机的基本知识柴油机的基本知识第一节 柴油机的基本概念一、热机的基本概念 热力发动机（热机）：它是利用燃料的燃烧的燃烧热能、原子能作为有效能源，把热能转换成机械能的动力机械。基本工作原理：燃料在一个特设的装置中燃烧，将化学能转变为热能以加热工质，然后把工质的热能转变为机械能，这种具有两次能量转换的机械称为热机。 根据能量转换场所的不同，可分为两大类： 1.外燃机： 燃料的燃烧是在机器外部特设的锅炉中进行的，燃料燃烧时放出的热能加热水，使水变成蒸汽，再将蒸汽引入蒸汽机内膨胀作功，推动机械运动。 如往复式蒸汽机、蒸汽轮机等。2. 内燃机: 燃油的燃烧是在机器内部进行，直接加热空气和
2、燃烧产物（即燃气），燃气被加热后压力和温度急剧上升具有了作功的能力，从而推动机械运动。 如柴油机、汽油机、燃气轮机等。3. 内燃机优点： 内燃机中，两次能量转换都发生在气缸内部，由于采用内部燃烧，从能量转换观点看，内燃机能量损失小，具有较高的热效率。另外，在尺寸和重量等方面也均具有优越性，因而在与外燃机的竞争中处于有利地位。1藤蔓课堂4。柴油机与汽油机比较 汽油机以汽油为燃料，缸内燃烧为电火花塞点火式，外部混合方式。 柴油机以柴油为燃料，采用压燃式燃烧，内部混合方式。5。 船舶柴油机动力装置A。 汽油机特点： 工作柔和平稳，噪音低，比容积小，比重量轻，所以在轿车和轻型车上占优势。但是：（1）
3、外部混合，压缩比不能太高，使经济性不能提高很大；（2） 汽油闪点低，储运过程中危险性大。B。柴油机特点：（1）经济性好，热效率最高；（2）机动性好，启动方便；（3）功率范围广，单机功率1.145600kW,适用范围广；（4）尺寸小、重量轻；2藤蔓课堂缺点：（1）存在机身振动、扭振和噪声；（2） 某些部件的工作条件恶劣。HD-MAN-B&W 6L50MCE第二节 柴油机的工作原理一、柴油机的基本构造1。柴油机的基本组成 固定件，运动件，辅助机构，辅助系统四部分。（1） 固定件：气缸盖、气缸、机身（机架）、机座、轴承。 燃烧室的构成：气缸被气缸盖、活塞和缸套封闭为一个密封的空间，空气、燃料的混合、
4、燃烧、膨胀、作功在这个空间内完成。（2） 运动件：活塞组、连杆、曲轴。它们组成一个“曲柄-连杆”机构，将活塞在气缸内的往复运动转变为曲轴的旋转运动。（3）辅助机构：进气阀、排气阀、凸轮轴及传动机构、中间齿轮。（4）辅助系统：燃油系统：喷油泵、喷油器等；冷却系统：防止燃烧室周围部件烧坏；润滑系统：对相对运动部件润滑，减少摩擦和热量；操纵系统：启动、停车、换向、调速、报警等。2。基本术语3藤蔓课堂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. 活塞行程（S）：指活
5、塞从上止点运行到下止点间的直线距离，简称行程。S=2R 4. 气缸直径（D）：气缸的内径，简称缸径。 5. 压缩容积（Vc）：活塞在气缸内位于上止点时，在活塞顶上方的全部空间容积。 S/D3.0 短冲程机 3.0 S/D 3.5超长冲程机6. 气缸工作容积（Vs）：活塞在气缸中从上止点运行到下止点时所扫过的容积。7. 气缸总容积（Va）：活塞在气缸内位于下止点时，活塞顶以上的气缸全部容积。8. 压缩比（）：气缸总容积Va 与压缩容积Vc 之比值，亦称几何压缩比。Va=Vs+Vc=Va/Vc=（Vc+Vs）/Vc=1+Vs/Vc9。活塞平均速度Cm：单位时间内活塞的平均速度，m/s。 Cm=2S
6、n/60=S n/304藤蔓课堂 采用压缩发火方式，使燃料在气缸内部燃烧，以高温、高压的燃气工质在气缸内膨胀作功。燃油在柴油机气缸中燃烧作功必须通过进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程。包括上述五个过程的周而复始的循环叫工作循环。一个工作循环在四个冲程完成 四冲程柴油机。一个工作循环在二个冲程完成 二冲程柴油机。5藤蔓课堂二、四冲程柴油机的工作原理 燃油在柴油机气缸中燃烧作功必须通过进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程。每一工作循环按活塞冲程分为四个阶段：1。进气行程。活塞从上止点下行，进气阀a已打开。由于活塞下行的抽吸作用，新鲜空气充人气缸。 为了能充入更多的空气，进气阀一般在上止点前提前开
7、启（曲柄位于点1），在下止点后延迟关闭（曲柄位于点2），进气阀开启的延续角度1-2（图中阴影线部分）约为220250。（1）减少进气阻力，加大气阀通流面积，进气阀提前打开，提前角：2030（2）减少排气阻力，加大气阀通流面积，进排阀延迟关闭，延迟角：20402。压缩行程。活塞从下止点向上运动，自进气阀a关闭（曲柄到达点2）开始压缩一直到活寒到达上止点（曲柄到这点3）为止。 燃油的自燃温度为210270，使压缩终点时的压力36MPa，温度升至600700。 它需要外界输入较大的能量，消耗有用功。3。燃烧和膨胀行程。压缩行程快结束之前，提前喷油，喷油提前角：2030 活塞在上止点附近，由于燃油猛烈
8、燃烧，使气缸内的压力和温度急剧升高，压力约达58MPa，甚至13MPa以上，温度约为14001800或更高些。 它对外作功。6藤蔓课堂4。排气行程。活塞由下止点上行时，废气靠气缸内外压力差经排气阀排出。 在上一行程未，排气阀提前开启，提前提前角：3545 排气阀一直延迟到活塞到达上止点后（曲柄位于点6）才关闭，延迟角： 1020 排气过程用曲轴转角约为230260。5。定时圆图 将四冲程柴油机的工作过程按曲柄所在位置及旋转角度，依次画在一个圆图上，它反映柴油机各工作过程的次序和规律。6。进排气重叠角 在上止点附近，进、排气阀同时打开的角度，u 有利于将气缸内的废气彻底清除；u 降低柴油机燃烧室
9、部件的热负荷（增压柴油机）。三、二冲程柴油机的工作原理u取消进气阀，代以缸套的进气口；u取消排气阀，代以气缸排气口；u采用专设的扫气泵（鼓风机）。7藤蔓课堂1。第一冲程压缩。活塞上行，先将遮闭进气口，再遮闭排气口，然后压缩缸内的空气，使压力和温度随之升高。2。第二冲程燃烧、膨胀。燃油提前喷入，燃烧。活塞由上止点向下运动，燃烧仍在继续猛烈地进行，到点4才基本结束。高温高压的燃气膨胀推动活塞下行作功。3。换气过程进排气。（1）自由排气：排气口打开，缸内废气依靠压差排入排气管（4-5）；（2）强制排气：扫气口打开，新鲜空气在扫气箱的压力下进入气缸，同时清扫废气出气缸，进排气同时进行（5-6-7）（3
10、）过后排气：扫气口关闭，在活塞的推动下，部分新气被挤出气缸，应尽量避免。4。压缩比 Va=Va-Vs=Vs+Vc-Vs =Vs(1-Vs/Vs)+Vc =Vs(1-s)+Vc8藤蔓课堂四、四冲程机与二冲程机比较二冲程机的优点：1。理论上二冲程的作功能力为四冲程的2倍，但由于二冲程机缸套上气口的存在，使有效膨胀行程缩短，再加上换气质量差及扫气泵消耗曲轴的有效功，使得二冲程机的功率约为四冲程的1.61.7倍；2。省去了气阀及传动装置，结构简单，维护、管理方便；3。二冲程机曲轴每一转就有一个工作冲程，因而在相同工作条件下它的回转要比四冲程机均匀，飞轮尺寸小，运转均匀；二冲程机的缺点：1。换气时间短（
11、换气角度仅为四冲程机的1/3）、新旧气体易掺混，所以二冲程机换气质量较四冲程机差，耗气量也大；2。需要扫气泵，否则无法工作；3。工作频繁，燃烧室周围部件的热负荷比四冲程的高，并给高增压带来困难。 总之，大型低速机都采用二冲程，其功率大，换气质量和零部件工作条件得到保证。 中速机和高速机多采用四冲程。五、增压柴油机的工作原理 柴油机增压的实质：提高柴油机的进气压力，使进气的密度增加，从而达到在同样的气缸容积中充进更多的空气量，以便喷入更多的燃油，作出更多的功来。9藤蔓课堂1。机械增压 由柴油机的曲轴通过增速齿轮带动增压器旋转，预先对新鲜空气进行压缩。功率可提高20%70%，但由于增压器要消耗曲轴
12、的有效输出功，则经济性下降，效率较低，故目前已不采用；2。废气涡轮增压 用柴油机气缸排出的废气的能量在涡轮机中膨胀作功，由涡轮机来驱动压气机，预先对新鲜空气进行压缩。不消耗曲轴的有效输出功，既能提高柴油机平均有效压力pe和功率Pe，又可降低油耗率，提高柴油机的经济性。 由于涡轮增压器与柴油机之间没有机械连接，增压器转速可充分提高，可大大减轻增压器重量。六、增压器结构的改进1。适当地减少压缩比，防止燃烧压力过大；2。增压后，喷油量增加，要求增大喷油压力，加大喷孔直径；3。适当减少供油提前角，防止最大燃烧压力；4。加大进气流通面积，减少进气阻力。增大气阀重叠角，减低热负荷；5。润滑系统、冷却系统及
13、主要运动部件的结构强度都应适当加强。10藤蔓课堂第五节 柴油机的类型和分类一、按工作循环分有四冲程和二冲程柴油机。四冲程机因换气质量优于二冲程机而适应于高转速，但其单缸功率小、不宜在大功率中使用。 二冲程机单缸功率大、比重量较小，由于换气质量差，常用于低转速大功率。二、 按结构特点分 1. 筒形活塞柴油机与十字头式柴油机 筒形活塞式柴油机结构简单、紧凑、轻便，发动机高度较小。它的缺点是由于运动时有侧推力，活塞与气缸壁之间的磨损较大。目前高速及中速柴油机都采用这种构造形式。 十字头式柴油机的活塞不起导向作用而且与气缸壁之间没有侧推力，它们之间间隙较大，磨损较小，不易擦伤或卡死。气缸下部设一隔板，
14、防止气缸由于燃烧重油产生的脏油、烟灰和燃气流人曲轴箱，污染曲轴箱底的润滑油，并作为辅助的扫气泵。缺点是柴油机高度和重量增大，结构复杂。目前大型低速二冲程柴油机都采用十字头式柴油机型式。11藤蔓课堂2. 直列式与V型柴油机 V型柴油机的气缸夹角为90、60或45，其缸数可高达18甚至24。 采用V型结构，缩短了气缸间距和整机长度，具有较高的单机功率和较小的比重量，通常多用于中、高速柴油机。3可反转与不可反转式柴油机 大型低速二冲程柴油机，通常皆具有倒转机构。中速大功率柴油机作为船舶主机时多设计成可倒转柴油机。高速大功率船用柴油机由于本身结构紧凑，不易安装倒转机构，都设计成不可倒转柴油机。4. 右
15、旋柴油机和左旋柴油机 从船尾向船艏看（由功率输出端向自由端看），曲轴运转时正车方向朝顺时针方向旋转，称“右旋”柴油机或称“右型”柴油机。反之即为“左旋”。5左单列机和右单列机 由飞轮端向自由端看，排气管位于气缸中心线所在平面右侧的为右单列柴油机； 排气管位于左侧的为左单列柴油机；12藤蔓课堂三、按曲轴转速分按曲轴转速n将船舶柴油机分为低速、中速及高速机。低速柴油机 n300 r/min中速柴油机 300n1000 r/min高速柴油机 n1000 r/min。按活塞平均速度Cm划分，其范围为：低速柴油机 Cm6 m/s中速柴油机 Cm=69 m/s 高速柴油机 Cm=9 m/s。 低速二冲程十
16、字头式柴油机的重量和尺度大，但寿命长且经济可靠则是其突出的优点，因而被广泛地用作海船主机。 中速柴油机大多为四冲筒形活塞式直列与V型柴油机。采用无十字头式构造。这种中、高速无十字头式柴油机的寿命和工作可靠性较低速十字头式柴油机为差，为此，在船上都设有备用辅机，以便保证船舶的安全航行。四、按进气方式分 非增压柴油机，增压无中冷柴油机和增压带中冷柴油机。五、按结构参数分短行程 S/D2.5长行程 2.5S/D3.0超长行程 S/D3.013藤蔓课堂二、船用柴油机的发展1776年，瓦特发明蒸汽机；1876年，德国人奥托发明四冲程煤气机；1880年，德国人Benz发明二冲程内燃机；1897年，德国人D
17、iesel发明柴油机；1904年，柴油机用于船舶推进；1926年，瑞士人Bachi发明了废气涡轮增压器。三、现代柴油机的结构特点1气缸尺寸采用长行程或超长行程。2燃烧室部件普遍采用钻孔冷却结构。3采用旋转式排气阀及液压式气阀传动机构。4喷油泵采用可变喷油正时（VIT）机构。5采用薄壁轴承。6独立的气缸润滑系统。7曲轴上增设轴向减振器。8焊接曲轴。四、提高经济性的主要途径1）用定压涡轮增压系统和高效率涡轮增压器。 14藤蔓课堂2）增加行程缸径比S/D。3）提高最高爆发压力Pz和平均有效压力pe之比。4）增大压缩比。5）采用可变喷油正时（VIT）机构。6）努力提高机械效率m。7）采用动力涡轮系统（
18、TCS系统）。8）轴带发电机。9）柴油机废热再利用例如柴油机排气、缸套冷却水以及空冷器冷却水热量的开发与利用。10）减少废气排放。15藤蔓课堂第二节 柴油机的热力循环一、内燃机的理论循环内燃机的理论循环1简化假定： 1）工质为理想气体（标准状态的纯空气）。在整个循环中工质的物理、化学性质保持不变。 2）在整个循环中，工质数量保持不变，不更换，故无进、排气过程及漏气损失。 3）压缩与膨胀过程为绝热过程，与外界没有热交换，也不存在摩擦。 4）不考虑燃烧过程，用假想的定容放热和定容或定压加热来代替实际的换气和燃烧过程。2。理论循环1）等容加热循环：等容循环也叫奥托循环，是各种汽油机、煤气机的热力学计
19、算基础（某些高速柴油机也近似按此循环工作）。2）等压加热循环：等压循环也叫狄塞尔循环，早期的空气喷射式柴油机即近似按此循环工作。3）混合加热循环：现代柴油机基本都是按混合加热循环工作的。4）继续膨胀混合加热循环：使工质进一步膨胀到进气压力，然后等压放热（涡轮增压柴油机）。16藤蔓课堂 2. 对理论循环的t 可得到以下结论： 1)压缩比,压力升高比,绝热指数k，初膨胀比 循环热效率t； 2)压缩终点压力pa，工质吸入热量gl，循环热效率t，压缩终点温度Ta 平均压力pt。17藤蔓课堂Q1=Constant，Pz=Constant，等压循环热效率最高Q1=Constant，=Constant，等容
20、循环热效率最高二、柴油机的实际循环1工质的影响：实际工质是空气和燃烧产物，成分的变化、比热的变化及在高温下的分解等因素的影响，实际循环的作功能力和热效率明显下降。2燃烧损失：燃料的燃烧，存在着在膨胀中仍进行燃烧的后燃现象和燃烧不完全现象。3气缸壁的传热损失：缸内工质与缸壁之间均存在着复杂的热交换过程，均为多变过程，总趋势均向缸壁散热。4换气损失：换气损失在柴油机的各项损失中影响较大，而且是不可避免的。5其它损失：如工质漏泄损失、工质的涡动损失，以及因实际燃烧速度与活塞高速运动间的配合不当而偏离理论的等压加热、等容加热过程等。18藤蔓课堂船用柴油机标号一、国产船用柴油机12 VE 230 ZC
21、6 1356 ESDZ 43/82 A改进型号气缸直径（cm）/活塞行程（cm）技术特征：E二冲程（无E为四冲程）V气缸排列（V型）Z增压G高增压C船用柴油机D可逆转S十字头气缸直径（mm）气缸数19藤蔓课堂二、西德MTU公司12 V 956 TB 81 6 R 493 TY 60 柴油机用途：6、7、8、9船用1机车用3、5固定动力、发电机组4重型车辆技术特征：T涡轮增压B涡轮增压+中冷器+油冷活塞Y涡轮增压+中冷器（活塞非冷却单缸排量（升/100）气缸排列气缸数20藤蔓课堂三、MAN-B&W公司6 L 60 MC/MCE 6 S 60 MC增压型式：MC船用等压增压E 经济型缸径（cm）冲
22、程型式：L长冲程S超长冲程气缸数21藤蔓课堂四、日本三菱重工公司6 UEC 85/160 C 6 UET 52/90 D改进型号气缸直径（cm）/活塞行程（cm）技术特征：U二冲程，直流扫气E废气涡轮增压C十字头式T中型、箱式活塞气缸数22藤蔓课堂 包括动力性指标、经济性指标、重量和外形尺寸指标、排气污染指标等。 动力性指标包括：平均指示压力pi、指示功率Pi、机械效率m、平均有效压力pe和有效功率Pe； 经济性指标包括：指示耗油率gi、指示热效率i、有效耗油率ge和有效热效率e。 在动力性指标和经济性指标还可分为指示指标与有效指标。 指示指标是以气缸内燃气对活塞所作功为基础的指标。它只反映气
23、缸内部工作过程进行的完善程度。 第四节第四节 柴油机的主要性能指标柴油机的主要性能指标 有效指标是以柴油机输出轴上所得到的有效功为基础的指标。一、动力性指标1。平均指示压力pi 假定的一个不变的平均压力，它推动活塞在一个行程内所作的功与一个工作循环的指示功Li相等。说明柴油机的强化程度。23藤蔓课堂因为 Li=piFpS (Nm)或（J）式中： pi平均指示压力 （Pa）； Fp活塞面积 （m2） S活塞行程 （m） Vh气缸工作容积 （m3）影响pi的因素： 1）增压度。在增压柴油机中，pi受最大热应力的限制。 2）过量空气系数值。在a 2以前，随着a的增大，混合气中氧气成分加大，促进了燃烧
24、的改善，pi值也随着的提高而提高。当a2或更大时，使混合气逐渐变稀，pi值将不再增加甚至反而下降。 3）工质混合完善程度。柴油机工质混合的完善程度愈好，完全燃烧所需的值愈小，而pi值愈大。 4）换气质量。柴油机的换气质量愈好，气缸中残余废气愈少，燃烧速度愈高，pi值也愈大。 5）燃烧完善程度。燃烧完善程度愈好，pi值也就愈大。 6）负荷大小。当负荷增大时，由于喷油量的增加，气缸热状态改善，pi值就提高。 由于pi值直接表示了柴油机气缸作功能力的大小，因此在多缸柴油机中，它是衡量各缸负荷均匀性的唯一可靠的参数。24藤蔓课堂 2指示功率Pi 指示功率是指发动机每单位时间内作用于活塞上的指示功。因此
25、，一个气缸的指示功率为：式中：n柴油机转速 （r/min） m每转工作冲程数，四冲程m=1/2；二冲程m=1。则整台柴油机的指示功率为式中：i气缸数； C气缸常数，对法定单位 C=Vhm/60000。3. 有效功率Pe和机械损失功率Pm 从柴油机曲轴飞轮端处测量的功率称为有效功率，用Pe表示。也可以说是指示功率减去机械损失功率Pm所剩的功率，即： Pe=Pi-Pm。 机械损失功率Pm包括： 摩擦损失。克服柴油机各相对运动部件表面摩擦力所消耗的功率； 辅助机械所消耗的功率。喷油泵、注油器、空气分配器、气阀传动机械和辅助扫气泵等； 泵气损失。即进、排气过程中所引起的损失，这种损失只产生在非增压四冲
26、程柴油机中。25藤蔓课堂4机械效率m 是柴油机输出轴端获得的有效功率与气缸内发出的指示功率的比值，即：也可写成：式中pm平均机械损失压力。 故有效功率Pe也可由指示功率Pi和机械效率m求得，即：PePim 5平均有效压力pe 平均有效压力pe是一个假定不变的力，它推动活塞在一个膨胀行程内所作的功，与一个循环中曲轴所输出的有效功相等。根据平均指示压力pi与指示功率Pi的关系式，也可写出平均有效压力pe与有效功率Pe之间的关系式，即：二、经济性指标二、经济性指标 1指示耗油率gi26藤蔓课堂柴油机的指示耗油率gi表示单位指示功率每小时的耗油量。即：式中：GT柴油机每小时耗油量（kg/h）； Pi指
27、示功率（kW）。2指示热效率i指示热效率是柴油机的实际循环指示功与得到此指示功所消耗的燃料热量之比值。即：式中：ALi指示功Li的热当量； Q吸入得到指示功Li所消耗的热量。 对于一台柴油机，可由其指示功率Pi和每小时耗油量GT，根据i的定义求得i如下：式中：36001千瓦小时的热当量kJ/(kWh)； Hu所用燃料的低热值（kJ/kg）,通常取Hu的基准值42700kJ/kg。因 gi=GT/Pi，可得： 27藤蔓课堂3有效耗油率ge柴油机的有效耗油率ge表示单位有效功率每小时的耗油量。即： 因Pe=Pim,可得：4有效热效率e 有效热效率是柴油机的实际循环有效功与得到此有效功所消耗的燃料热
28、量之比值。即：式中：ALe 有效功Le的热当量； Q吸入得到有效功Le所消耗的热量。由此可见，e是柴油机输出功的总效率，它已包括了柴油机的一切热力损失和机械损失。与i一样，e也可由下式求得：三、重量和外形尺寸指标三、重量和外形尺寸指标 1重量指标。 常以比重量或比重量（gw）来衡量，是柴油机净重Gw与标定功率Pe的比值，28藤蔓课堂即 gw = Gw / Pe （kg/kW） 2外形尺寸指标 又称紧凑性指标，通常以柴油机的单位体积功率来衡量。 单位体积功率Pv是柴油机的标定功率Pe与柴油机外廓体积V的比值，即 Pv = Pe /V (kWm3） 式中：VLBH，其中L、B、H为柴油机的最大长、宽、高尺寸。四、排气污染指标四、排气污染指标 在柴油机的排气中含有数量不大的但非常有害的排放物。它们是：一氧化碳CO、碳氢化合物HC、氧化氮NO和二氧化硫SO2。这些燃烧产物排入大气，污染环境而且有害于人体健康，从而造成社会公害。29藤蔓课堂30藤蔓课堂31藤蔓课堂32藤蔓课堂33藤蔓课堂34藤蔓课堂35藤蔓课堂36藤蔓课堂
