2023年课题01船舶柴油机的基本知识.doc

课题一 船舶柴油机的根本知识 目的要求： 1．了解船舶柴油机的根本概念及优缺点。 2．掌握柴油机根本结构和主要系统。 3．掌握柴油机主要结构参数。 4．掌握四、二冲程柴油机的工作原理。 5．比拟四、二冲程柴油机工作原理与结构上的差异。 6．了解船舶柴油机的根本分类和型号。 重点难点： 1．柴油机与汽油机的区别。 2．进排气重叠角、定时图。 教学时数：4学时 教学方法：多媒体讲授 课外思考题： 1． 柴油机与汽油机有哪些区别？ 2． 柴油机主要结构组成和作用。 3．压缩比ε意义及对柴油机工作性能有什么影响？ 4．四冲程柴油机各工作过程特征及特点。 5．二、四冲程换气在工作上原理及结构上有什么差异？ 6．四冲程柴油机进、排气为什么都要提前和滞后？气阀重叠角有何作用？ 课题一 船舶柴油机的根本知识 第一节 柴油机的概述及开展趋势 一、柴油机的概述 1．热机 热机是指把热能转换成机械能的动力机械。蒸汽机、蒸汽轮机以及柴油机、汽油机等是热机中较典型的机型。 蒸汽机与蒸汽轮机同属外燃机。在该类机械中，燃烧〔燃料的化学能转变成热能〕发生在汽缸外部〔锅炉〕，热能转变成机械能发生在汽缸内部。此种机械由于热能需经某中间工质〔水蒸气〕传递，必然存在热损失，所以它的热效率不高，况且整个动力装置十分笨重。在能源问题十分突出的当前，它无法与内燃机竞争，因而已经在船舶动力装置中消失。 2．内燃机 汽油机、柴油机以及燃气轮机同属内燃机。虽然它们的机械运动形式〔往复、回转〕不同，但具有相同的工作特点──都是燃料在发动机的气缸内燃烧并直接利用燃料燃烧产生的高温高压燃气在气缸中膨胀作功。从能量转换观点，此类机械能量损失小，具有较高的热效率。另外，在尺寸和重量等方面也具有明显优势，因而在与外燃机竞争中已经取得明显的领先地位。 在内燃机中根据所用燃料不同，可大致分为汽油机、煤气机、柴油机和燃气轮机。它们都具有内燃机的共同特点，但又都具有各自的工作特点。由于这些各自不同的特点使它们在工作原理、工作经济性以及使用范围上均存在一定差异。如汽油机使用挥发性好的汽油做燃料，采用外部混合法〔汽油与空气在气缸外部进气管中的汽化器进行混合〕形成可燃混合气。缸内燃烧为电点火式〔电火花塞点火〕。这种工作特点使汽油机不能采用高压缩比，因而限制了汽油机的经济性不能大幅度提高，而且也不允许作为船用发动机使用〔汽油的火灾危险性大〕。但它广泛应用于运输车辆。 3．柴油机 柴油机是一种压缩发火的往复式内燃机。它使用挥发性较差的柴油或劣质燃料油做燃料。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；缸内燃烧采用压缩式〔靠缸内空气压缩形成的高温自行发火〕。这种工作特点使柴油机在热机领域内具有最高的热效率〔已到达 55％左右〕，而且允许作为船用发动机使用。因而，柴油机在工程界应用十分广泛。尤其在船用发动机中，柴油机已经取得了绝对领先地位。 根据英国劳氏船级社统计，1985年全世界制造的船舶中〔2023t以上〕以柴油机作为推进装置者占99.89％，而到1987年100％为柴油机船。船用主机经济性、可靠性、寿命是第一位，尺寸、重量是第二位，低速机适用作船用主机，大功率四冲程中速机适用作滚装船和集装箱船，中、高速机适用作发电机组。柴油机通常具有以下突出优点： 〔1〕经济性好。有效热效率可达50％以上，可使用廉价的重油，燃油费用低。 〔2〕功率范围宽广，单机功率从0.6kW～45600kW，适用的领域广。 〔3〕尺寸小，重量轻，有利于船舶机舱布置。 〔4〕机动性好。起动方便，加速性能好，有较宽的转速和负荷调节范围，可直接反转，能适应船舶航行的各种工况要求。 同时，柴油机也具有以下缺点： 〔1〕存在机身振动、轴系扭转振动和噪音。 〔2〕某些部件的工作条件恶劣，承受高温、高压并具有冲击性负荷。 二、现代船用柴油机的开展趋势 经过近几十年尤其是近十年的开展，现代船用柴油机已经开展到一个较高的技术水平。今后，随着生产力的开展，将会对船用柴油机提出更高的要求，船舶柴油机也将继续开展改良。当前柴油机的开展可以概括为：以节能为中心，充分兼顾到排放与可靠性的要求，全面提高柴油机性能。根据此开展目标，今后的研究趋势大致为： 1〕提高经济性的研究，包括燃烧、增压、低磨损等的研究； 2〕降低柴油机的排放的研究，排放是现代柴油机面临的严重挑战，随着对船舶柴油机排放控制的限制，使得经济性的提高更加困难，这也是船舶柴油机开展中的新课题； 3〕提高可靠性与耐久性的研究； 4〕电子控制技术的研究； 5〕代用燃料的研究。 1．现代船用柴油机提高经济性的主要措施 现代船用大型低速柴油机近十多年在提高经济性方面取得的成效超过了过去几十年。各种节能措施相继出现并日趋完善，这些措施主要有： 1〕采用定压涡轮增压系统和高效率废气涡轮增压器。 2〕增大行程缸径比S／D。 3〕提高最高爆发压力pz与平均有效压力pe之比pz／pe。 4〕增大压缩比ε。 5〕采用可变喷油定时〔VIT〕机构。 6〕降低摩擦损失功提高机械效率ηm。 7〕采用动力涡轮系统〔TCS〕。 8〕轴带发电机〔PTO〕。 9〕柴油机废热再利用。 10〕改良喷射与燃烧技术。 2．现代船用低速柴油机的结构特点 1〕燃烧室部件普遍采用钻孔冷却结构。 2〕采用旋转式排气阀及液压式气阀传动机构。 3〕喷油泵采用可变喷油定时〔VIT〕机构。 4〕采用薄壁轴承。 5〕采用独立的气缸润滑系统。 6〕曲轴上增设轴向减振器。 7〕焊接曲轴。 第二节 柴油机的根本结构 一、柴油机的根本工作原理 柴油机是一种压缩发火的往复式内燃机。它的根本工作原理是使燃油直接在发动机的气缸中燃烧，将燃油的化学能转变成热能，从而生成高温高压的燃气，因燃气膨胀，推动活塞运动，通过曲柄连杆对外做功，将热能转变为机械能。 柴油机必须经过进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程才能完成了一个工作循环。然后不断重复进行这些过程，使柴油机持续工作。 二、柴油机的根本结构〔教材图1-1〕 图1-l 柴油机的根本结构组成 l-气缸盖；2-活塞；3-气缸套；4-心活塞销；5-连杆；6-连杆螺栓；7-曲轴；8-机座；9-主轴承；10-机体；11-凸轮轴；12-喷油泵；13-顶杆；14-进气管；15-摇臂；16-过气阀；17-高压油管；18-喷油器；19-排气阀；20-气阀弹簧；21-排气管 〔1〕固定部件 主要由气缸盖、气缸套、机体、机座、主轴承等构成柴油机本体和运动件的支承，并和有关运动部件配合构成柴油机的工作空间。 〔2〕运动部件 主要由活塞、活塞销、连杆，连杆螺栓、曲轴等组成。它们与固定部件配合完成空气压缩及热能到机械能的转换。 〔3〕配气系统 它包括进气系统和排气系统。 进气系统主要由空气滤清器、进气管件、气缸盖内的进气道、进气阀、气阀弹簧、摇臂、顶杆、凸轮轴和凸轮轴传动机构等所组成，用来在规定的时间内向气缸内充入足够的新鲜空气。 排气系统主要由排气阀、气阀弹簧、摇臂、顶杆、凸轮轴和传动机构以及排气管、排气消音器等组成。用来在规定时间内将气缸内作功后的废气排入大气。 〔4〕燃油系统 它包括供给和喷射两个系统。前者由日用油柜、燃油滤清器，输油泵等组成，后者由喷油泵、高压油管和喷油器组成。其功用是供给柴油机燃烧作功所需的燃油。 〔5〕润滑系统 主要作用是润滑摩擦外表，以减少机件的磨损，延长使用寿命，降低摩擦功率损失，提高机械效率。 〔6〕冷却系统 主要作用是维持柴油机受热零部件在适宜的温度状态下工作。 〔7〕起动系统 柴油机本身无自行起动能力。起动系统的任务就是使柴油机从停车状态发动起来。 〔8〕调速装置 调速装置的作用是使柴油机能按外界阻力矩的变化而自动改变喷油泵的喷油量，从而使柴油机在选定转速下稳定运转。 此外，船舶柴油机还设有换向装置，并将起动、调速、换向和停车集中控制组成操纵系统。多数柴油机还设有增压系统，用于进一步提高柴油机作功能力。 三、柴油机的根本结构参数〔教材图1-2〕 〔1〕气缸直径D：气缸套的名义内径。 〔2〕曲柄半径R：曲轴的曲柄销中心与主轴颈中心间的距离。 〔3〕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。 〔4〕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。 〔5〕冲程〔S〕，又称行程：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的两倍〔S＝2R〕。活塞移动一个行程，相当于曲轴转动180°〔曲轴转角〕。 〔6〕气缸余隙容积〔压缩室容积Vc〕：活塞在气缸内上止点时，活塞顶上的全部空间〔活塞顶、气缸盖底面与气缸套外表之间所包围的空间〕容积。 〔7〕余隙高度〔顶隙〕：上止点时活塞最高顶面与气缸盖底平面之垂直距离。 〔8〕气缸工作容积〔Vh〕：活塞在气缸中从上止点移动到下止点时所扫过的容积。 〔9〕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，亦称气缸最大容积。Va＝Vc＋Vh 〔10〕压缩比〔ε〕：气缸总容积与压缩室容积之比值，亦称几何压缩比。ε＝Va／Vc＝1＋Vh／Vc 图l-2 柴油机的主要几何名称 压缩比ε是柴油机主要性能参数之一，表示缸内工质被压缩程度。ε愈大，被压缩终点的压力、温度愈高，柴油机易起动，热效率也高，ε过高使柴油机工作粗暴，机械负荷过大，磨损加剧，消耗压缩功增大，机械效率降低，输出功率减小。ε可通过改变Vc来调节。柴油机压缩比约为12～22。中、高速机压缩比高于低速机。低速机：13～15，中速机：14～17，高速机：15～22，增压机：11～14〔低散热少，增压后Pc、Tc相应高〕。 当气缸直径与活塞冲程确定后，气缸工作容积Vh也随着确定了，所以假设要调整压缩比，可通过改变压缩容积Vc来实现。 第三节 柴油机的工作原理 一、四冲程柴油机工作原理〔教材图1-3〕 假设柴油机工作循环的进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程是通过四个冲程〔即曲轴回转两周〕来完成的，这种柴油机就叫四冲程柴油机。 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，进气阀已翻开，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，在进气过程的大局部时间里，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℃。这时，排气阀和喷油器均关闭。 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〔利用惯性进气〕。整个进气过程所占的总角度约为220～250°CA。 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