1.柴油機的基本知識.doc

281柴油機的基本知識就目前來說，常見的動力裝置有：柴油機、汽油機、燃氣輪機、噴氣式發(fā)動機、蒸汽機、核動力裝置等。廣義而言，按照燃料的燃燒形式，可分為兩大類，一類是內燃機，一類是外燃機。1熱機 熱機是指把熱能轉換成機械能的動力機械。蒸汽機、蒸汽輪機以及柴油機、汽油機等是熱機中較典型的機型。 蒸汽機與蒸汽輪機同屬外燃機。在該類機械中，燃燒（燃料的化學能轉變成熱能）發(fā)生在汽缸外部（鍋爐），熱能轉變成機械能發(fā)生在汽缸內部。此種機械由于熱能需經某中間工質（水蒸氣）傳遞，必然存在熱損失，所以它的熱效率不高，況且整個動力裝置十分笨重。在能源問題十分突出的當前，它無法與內燃機競爭，因而已經在船舶動力裝置中消失。2內燃機 汽油機、柴油機以及燃氣輪機同屬內燃機。雖然它們的機械運動形式（往復、回轉）不同，但具有相同的工作特點都是燃料在發(fā)動機的氣缸內燃燒并直接利用燃料燃燒產生的高溫高壓燃氣在氣缸中膨脹作功。從能量轉換觀點，此類機械能量損失小，具有較高的熱效率。另外，在尺寸和重量等方面也具有明顯優(yōu)勢，因而在與外燃機競爭中已經取得明顯的領先地位。在內燃機中根據所用燃料不同，可大致分為汽油機、煤氣機、柴油機和燃氣輪機。它們都具有內燃機的共同特點，但又都具有各自的工作特點。由于這些各自不同的特點使它們在工作原理、工作經濟性以及使用范圍上均存在一定差異。如汽油機使用揮發(fā)性好的汽油做燃料，采用外部混合法（汽油與空氣在氣缸外部進氣管中的汽化器進行混合）形成可燃混合氣。缸內燃燒為電點火式（電火花塞點火）。這種工作特點使汽油機不能采用高壓縮比，因而限制了汽油機的經濟性不能大幅度提高，而且也不允許作為船用發(fā)動機使用（汽油的火災危險性大）。但它廣泛應用于運輸車輛。各種內燃機如：圖1-1 (a)柴油機 (b)汽油機 (c)燃氣輪機 (d)噴氣式發(fā)動機 圖1-1 各種內燃機1.3 各種內燃機的應用范圍內燃機特點：熱效率高、適應性好、功率范圍廣，已廣泛應用于工農業(yè)、交通運輸業(yè)和國防建設事業(yè)等方面。由于內燃機的使用范圍如此的廣泛，世界各國的需求量十分巨大并不斷增長。在各經濟部門和國防工業(yè)中，內燃機都占有極其重要的地位。1.3.1 航空動力方面燃氣輪機和噴氣式發(fā)動機幾乎是唯一的動力裝置。優(yōu)點：重量輕，尺寸小，結構簡單，扭矩特性好，振動小及排氣中有害氣體少。缺點：熱效率低，燃料消耗高。圖1-6為噴氣式發(fā)動機的原理圖和渦扇9型飛機發(fā)動機。 （a）噴氣式發(fā)動機工作原理 (b)渦扇9型飛機發(fā)動機 *圖1-6 噴氣式發(fā)動機1.3.2陸路交通方面內燃機的發(fā)展，使得人類的陸路交通產生了一個質的飛躍，從此，“以車代步”對許多人來說都不再是一個不企及跡的愿望如：圖1-7。 （a）小汽車 (b)摩托車 *圖1-7 陸路交通工具1.3.3內河船舶、工程機械柴油機應用 (a)客船 (b)起重機 *圖1-8 內燃機在內和船舶和工程機械上的應用1.3.4 在遠洋方面在遠洋海輪方面柴油機也是主要動力，原因是最經濟。 （a）客貨兩用船 (b)大型運輸船*圖1-9 遠洋運輸海輪上柴油機也是主要動力1.3.5在軍用艦艇方面雖然各國均在大力發(fā)展核能機燃氣輪機動力裝置，但在輕型艦艇上，柴油機仍占優(yōu)勢。核潛艇、導彈快艇、魚雷快艇、巡邏艇、掃雷艇、登陸艇及大部分常規(guī)潛艇和軍輔船仍以柴油機為主要動力。只有少數水面艦艇則采用柴燃聯合動力動力裝置。CODOG，CODOD，Diesel, gas turbine, corporation，如：圖1-10 (a)軍艦 (b)潛艇 * 圖1-10 在均用艦艇上柴油機仍占優(yōu)勢小資料：“小鷹”航母 由“福萊斯特”級脫胎換骨而來的“小鷹”級航空母艦，是美國海軍建造的最后一級，也是最大的一級常規(guī)動力航空母艦。該級航空母艦的性能雖不及核動力航空母艦，但也不失為美海軍航空母艦中的骨干力量?！靶→棥奔壓娇漳概炞苑酆蠼涍^多次較大規(guī)模的大修或改裝。在反復“手術”之后，4艘“小鷹”級不僅反潛能力大為提高，而且防空能力和海上補給能力均更上一層。該級艦標準排水量 60100噸，滿載排水量 79700噸；艦長319.3米，寬 39.6米，吃水 l1.4米；動力裝置為 4臺蒸汽輪機，最大功率 28萬馬力，最大航速 32節(jié)（一節(jié)為1.852公里/小時）。艦上共搭載 80余架各型固定翼飛機和直升機?！靶→棥奔壓娇漳概炇敲绹Ｉ宪娛滦袆拥募毕蠕h，在多次海上局部戰(zhàn)爭或沖突(如 1986年美利錫德拉灣沖突和1991年海灣戰(zhàn)爭)中都參與了作戰(zhàn)行。1.3.6 備用電站方面“三遙”自動化柴油機組是能用計算機對機組進行遙控、遙測、遙信的新型智能柴油發(fā)電機組。它的控制屏采用遠程通訊接口，可經MODEN和電話線與上位機實現“三遙”。機組采用閉式風扇水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，可在各種環(huán)境中可靠工作，特別適用于郵電系統(tǒng)和智能大廈作應急電源、部隊戰(zhàn)備無人值守電源，如：圖1-11。 （a）柴油發(fā)電機組 （b）汽油發(fā)電機組*圖1-11 電站內燃機的應用廣泛1.3.7 農用機械方面內燃機在農業(yè)方面的應用是農業(yè)走向機械化、集約化的一個重要推動力，是農業(yè)現代化必不可少的一個環(huán)節(jié)如：圖1-12。 (a)插秧機 (b)拖拉機*圖1-12 柴油機在農業(yè)方面不可缺少3柴油機柴油機是一種壓縮發(fā)火的往復式內燃機。它使用揮發(fā)性較差的柴油或劣質燃料油做燃料。采用內部混合法（燃油與空氣的混合發(fā)生在氣缸內部）形成可燃混合氣；缸內燃燒采用壓縮式（靠缸內空氣壓縮形成的高溫自行發(fā)火）。這種工作特點使柴油機在熱機領域內具有最高的熱效率（已達到 55左右），而且允許作為船用發(fā)動機使用。因而，柴油機在工程界應用十分廣泛。尤其在船用發(fā)動機中，柴油機已經取得了絕對領先地位。根據英國勞氏船級社統(tǒng)計，1985年全世界制造的船舶中（2000t以上）以柴油機作為推進裝置者占99.89，而到1987年100為柴油機船。船用主機經濟性、可靠性、壽命是第一位，尺寸、重量是第二位，低速機適用作船用主機，大功率四沖程中速機適用作滾裝船和集裝箱船，中、高速機適用作發(fā)電機組。柴油機的工作原理 柴油機是以柴油作燃料的壓燃式內燃機。工作時，空氣在氣缸內被壓縮而產生高溫，使噴入的柴油自行著火燃燒，產生高溫、高壓的燃氣，燃氣膨脹推動活塞作功，將熱能轉變?yōu)闄C械功。柴油機的工作循環(huán)由進氣、壓縮、噴油著火燃燒、膨脹作功和排氣等過程組成。這些過程可以由四沖程柴油機來實現，也可由二沖程柴油機來實現。111 柴油機的基本概念（定義、分類、主要優(yōu)缺點、基本結構參數及基本工作過程）一柴油機的基本構造 圖1-l 柴油機的基本構造組成l-氣缸蓋；2-活塞；3-氣缸套；4-心活塞銷；5-連桿；6-連桿螺栓；7-曲軸；8-機座；9-主軸承；10-機體；11-凸輪軸；12-噴油泵；13-頂桿；14-進氣管；15-搖臂；16-過氣閥；17-高壓油管；18-噴油器；19-排氣閥；20-氣閥彈簧；21-排氣管 （1）固定部件 主要由氣缸蓋、氣缸套、機體、機座、主軸承等構成柴油機本體和運動件的支承，并和有關運動部件配合構成柴油機的工作空間。 （2）運動部件 主要由活塞、活塞銷、連桿，連桿螺栓、曲軸等組成。它們與固定部件配合完成空氣壓縮及熱能到機械能的轉換。 （3）配氣系統(tǒng) 它包括進氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)。 進氣系統(tǒng)主要由空氣濾清器、進氣管件、氣缸蓋內的進氣道、進氣閥、氣閥彈簧、搖臂、頂桿、凸輪軸和凸輪軸傳動機構等所組成，用來在規(guī)定的時間內向氣缸內充入足夠的新鮮空氣。 排氣系統(tǒng)主要由排氣閥、氣閥彈簧、搖臂、頂桿、凸輪軸和傳動機構以及排氣管、排氣消音器等組成。用來在規(guī)定時間內將氣缸內作功后的廢氣排入大氣。 （4）燃油系統(tǒng) 它包括供應和噴射兩個系統(tǒng)。前者由日用油柜、燃油濾清器，輸油泵等組成，后者由噴油泵、高壓油管和噴油器組成。其功用是供給柴油機燃燒作功所需的燃油。 （5）潤滑系統(tǒng) 主要作用是潤滑摩擦表面，以減少機件的磨損，延長使用壽命，降低摩擦功率損失，提高機械效率。 （6）冷卻系統(tǒng) 主要作用是維持柴油機受熱零部件在合適的溫度狀態(tài)下工作。 （7）起動系統(tǒng) 柴油機本身無自行起動能力。起動系統(tǒng)的任務就是使柴油機從停車狀態(tài)發(fā)動起來。 （8）調速裝置 調速裝置的作用是使柴油機能按外界阻力矩的變化而自動改變噴油泵的噴油量，從而使柴油機在選定轉速下穩(wěn)定運轉。 此外，船舶柴油機還設有換向裝置，并將起動、調速、換向和停車集中控制組成操縱系統(tǒng)。多數柴油機還設有增壓系統(tǒng)，用于進一步提高柴油機作功能力。 圖l-2 柴油機的主要幾何名稱二柴油機的基本結構參數（1）氣缸直徑D：氣缸套的名義內徑。 （2）曲柄半徑R：曲軸的曲柄銷中心與主軸頸中心間的距離。 （3）上止點（TDC）：活塞在氣缸中運動的最上端位置，也就是活塞離曲軸中心線最遠的位置。 （4）下止點（BDC）：活塞在氣缸中運動的最下端位置，也就是活塞離曲軸中心線最近的位置。 （5）沖程（S），又稱行程：活塞從上止點移動到下止點間的直線距離。它等于曲軸曲柄半徑R的兩倍（S2R）。活塞移動一個行程，相當于曲軸轉動180（曲軸轉角）。（6）氣缸余隙容積（壓縮室容積Vc）：活塞在氣缸內上止點時，活塞頂上的全部空間（活塞頂、氣缸蓋底面與氣缸套表面之間所包圍的空間）容積。 （7）余隙高度（頂隙）：上止點時活塞最高頂面與氣缸蓋底平面之垂直距離。（8）氣缸工作容積（Vh）：活塞在氣缸中從上止點移動到下止點時所掃過的容積。 （9）氣缸總容積（Va）：活塞在氣缸內位于下止點時，活塞頂以上的氣缸全部容積，亦稱氣缸最大容積。VaVcVh （10）壓縮比（）：氣缸總容積與壓縮室容積之比值，亦稱幾何壓縮比。VaVc1VhVc壓縮比是柴油機主要性能參數之一，表示缸內工質被壓縮程度。愈大，被壓縮終點的壓力、溫度愈高，柴油機易起動，熱效率也高，過高使柴油機工作粗暴，機械負荷過大，磨損加劇，消耗壓縮功增大，機械效率降低，輸出功率減小。柴油機壓縮比約為1222。中、高速機壓縮比高于低速機。低速機：1315，中速機：1417，高速機：1522，增壓機：1114（低散熱少，增壓后Pc、Tc相應高）。當氣缸直徑與活塞沖程確定后，氣缸工作容積Vh也隨著確定了，所以若要調整壓縮比，可通過改變壓縮容積Vc來實現。三柴油機的類型 由于柴油機的應用廣泛，因此，為滿足各種不同的使用要求，柴油機的類型也就多種多樣。根據柴油機的各種不同特點以及不同的分類方法，船舶柴油機大體上有以下類型： （1）按工作循環(huán)分類。有四沖程柴油機和二沖程柴油機。 （2）按進氣方式分類。有增壓柴油機和非增壓柴油機。 （3）按曲軸轉速分類。有高速、中速和低速柴油機。高速柴油機：n1000r/min；中速柴油機：300n1000r/min；低速柴油機：n300r/min。 低速機具有經濟性好、轉速低、功率大，結構簡單、工作可靠、可燃用劣質燃料的特點，廣泛用于大型海輪主機。中速機常需經過減速器才能與螺旋槳相連，它可選擇最佳的螺旋槳轉速，另外中速機還具有重量輕、尺寸小，可多臺柴油機聯用等特點，它多用作河船和部分海船的主機。近年來由于中速機單機功率提高，用作海船主機的數量有了明顯增加。高速柴油機在船上常用作應急發(fā)電機、應急救火泵、救生艇等的原動機，或作為河船、機帆船等小型船舶的主機。圖1-3 筒狀活塞和十字頭式柴油機的構造示意圖1-活塞；2-活塞桿；3-滑塊；4-連桿；5-十字頭；6-導板 （4）按柴油機結構特點分類。有筒狀活塞式和十字頭式柴油機；有單列氣缸和多列氣缸式柴油機。圖1-3-是筒狀活塞和十字頭式柴油機的構造示意圖。筒狀活塞式柴油機的活塞直接與連桿連接，活塞往復運動的導向作用和工作過程中所產生的側推力都是由活塞本身承擔。十字頭式柴油機的活塞是通過活塞桿和十字頭與連桿連接，活塞的導向作用和側壓力由十字頭滑塊與導板承擔。圖1-4 直列式氣缸排列的柴油機圖1-5 V型氣缸排列的柴油機這兩種柴油機各有其特點，十字頭式柴油機由于活塞不起導向作用，同時與缸套之間沒有側推力N的作用，因而兩者之間的磨損減小，擦傷和卡死的可能性減小。此外，由于活塞桿只在垂直方向作直線運動，因而可在氣缸下部加設一橫隔板，把氣缸與曲軸箱隔開，以免氣缸中的污油、結炭或燃氣漏入曲軸箱污染滑油。這也為十字頭機燃用劣質燃料創(chuàng)造了有利條件。十字頭式柴油機可靠性較筒形活塞式高。但十字頭機的重量和高度增大，結構也較復雜，不具備筒形活塞式柴油機體積小、重量輕、結構簡單的優(yōu)點。 因氣缸排列方式的不同柴油機還可分為單列氣缸和多列氣缸式柴油機。圖1-4所示為氣缸排成一列的直列式柴油機簡圖。為了提高柴油機的單位長度的功率，擴大單機功率范圍，以及降低柴油機的重量指標，也有將柴油機設計成如圖1-5所示的V型，另外還有H型、輻射式或對置氣缸式等多列氣缸的形式。在民用船舶柴油機中，主要是直列式和V型。（5）按柴油機的轉向、排氣管的位置分類。有右機或左機。 某些船舶的推進裝置（如客輪）采用雙機雙槳推進裝置。在這種船舶上，由船艉向船艏看，布置在機艙右舷的柴油機為右旋柴油機，亦稱右機；布置在機艙左舷的柴油機為左旋柴油機，亦稱左機。在這種動力裝置中，為便于操縱管理，右機的操縱側即凸輪軸側布置在柴油機左側（即內側），而排氣側布置在其右側；左機的操縱側在柴油機的右側（即內側）。右旋柴油機曲軸的旋轉方向是：由飛輪端（功率輸出端）向自由端看，為順時針方向。左旋柴油機曲軸的旋轉方向則相反。單臺布置的船舶主柴油機通常均為右旋柴油機。（6）按柴油機可否逆轉分類。曲軸僅能按同一方向旋轉的柴油機稱不可逆轉柴油機；可由操縱機構改變其曲軸轉向的稱可逆轉柴油機。四柴油機的優(yōu)缺點 柴油機能在動力機械以及船舶動力裝置中占據極為重要的地位，是因為它具有許多優(yōu)越的條件。與其它熱機相比，它具有如下優(yōu)點： （1）熱效率高。大型低速柴油機的有效效率已達到50%53%，遠遠高于其他熱機；而且柴油機在全工況范圍內的熱效率都較其它熱機高。熱效率高，也就是燃料消耗量小；柴油機又能燃用重油，甚至劣質重油；而且柴油機在停車狀態(tài)時不需要消耗燃料。故燃料費用低，船舶的續(xù)航力大。 （2）功率范圍大。柴油機的單機功率自0.6至80080kW，因此其適應的領域寬廣。 （3）機動性好。正常起動只需35s，并能很快達到全負荷。有寬廣的轉速和負荷范圍，能適應船舶航行的各種要求，而且操作簡便。 （4）尺寸小，重量輕。柴油機不需要鍋爐等大型附屬設備，使柴油機動力裝置的尺寸小、重量輕，特別適合于在交通運輸等動力裝置中應用。（5）可直接反轉。柴油機可設計成直接反轉的換向柴油機，而且倒車性能好，使裝置結構簡單。 同時，柴油機也具有以下缺點： （1）存在機身振動、軸系扭轉振動和噪音。（2）某些部件的工作條件惡劣，承受高溫、高壓并具有沖擊性負荷。五船舶柴油機的型號解釋每種柴油機都有自己特定的代號，稱為柴油機的型號。（一） 國產船用柴油機命名方法國產柴油機型號由數字和表征柴油機特征的漢語拼音字頭組成。但中小型柴油機的型號也有例外，此時應以產品說明書為準?，F將幾種主要型號列于表1-1。表1-1 國產柴油機命名代號的意義代號意義柴油機型號氣缸數氣缸直徑cm活塞行程cm二沖程船用增壓高增壓可倒轉十字頭第一次改進第二次改進V型機12V135ZC1213.5CZV6E150C615.0EC6250GZC625.0CZG8E350ZCD835.0ECZD6ESDZ43/82A64382EZDSA6ESDZ75/160B675160EZDSB （二）幾種常見國外機型型號解釋 關干柴油機的型號表示，國際上沒有統(tǒng)一標準，通常由若干字母和數字組成，但各國柴油機制造廠有自行的規(guī)定和說明?，F列舉常見幾個國外廠家的船用低速柴油機型號。112 四沖程柴油機的工作原理（工作過程、氣閥正時、氣閥重疊角）一四沖程柴油機工作過程若柴油機工作循環(huán)的進氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣五個過程是通過四個沖程（即曲軸回轉兩周）來完成的，這種柴油機就叫四沖程柴油機。四沖程柴油機的工作原理如圖1-6所示。 第一沖程進氣沖程 這一沖程的任務是使氣缸內充滿新鮮空氣?；钊缮现裹c下行，進氣閥已打開，由于氣缸容積不斷增大，缸內壓力下降，依靠氣缸內外的氣壓差作用，新鮮空氣通過進氣閥被吸入氣缸。由于受流阻等影響，在進氣過程的大部分時間里，氣缸內壓力低于大氣壓力，到下止點時，缸內氣壓的為0.080.95Mpa，溫度約為3070。這時，排氣閥和噴油器均關閉。為了使柴油機作功更完善，必須在進氣過程盡可能多吸入新鮮空氣。進氣閥開啟始點至上上點的曲柄轉角叫做進氣提前角。下止點到進氣閥關閉位置的曲柄轉角叫做進氣延遲角（利用慣性進氣）。整個進氣過程所占的總角度約為220250CA。圖1-6 四沖程柴油機工作原理第二沖程壓縮沖程 這一沖程的任務是壓縮第一沖程吸入的空氣，提高空氣的溫度與壓力，為柴油機燃燒及膨脹作功創(chuàng)造條件?；钊麖南轮裹c向上運動，自進氣閥關閉開始壓縮，一直到活塞到達上止點為止?；钊闲?，氣缸容積減少，缸內氣體壓力和溫度隨之升高，到達壓縮終點時，壓力增高到 36MPa，溫度升至 600700（柴油的自燃溫度為270左右），通常壓縮終點的氣體壓力和溫度分別用Pc和tc表示。四沖程機壓縮過程所占的總角度約為140160CA。 第三沖程燃燒和膨脹沖程 這一沖程的任務是完成兩次能量轉換。在活塞到達上止點前，燃油經噴油器以霧狀噴入氣缸的高溫高壓空氣中，并與其混合，在上止點附近自燃，由于燃油強烈燃燒，使氣缸內氣體溫度迅速上升到14001800或更高些，壓力增加至58MPa，甚至13MPa以上。燃燒產生的最高壓力稱最高爆發(fā)壓力，用pz表示，最高溫度tz表示。高溫高壓燃氣（即工質）膨脹推動活塞下行作功。在上止點后的某一時刻燃燒基本結束，燃氣繼續(xù)膨脹，到排氣閥下止點前開啟時膨脹過程結束。膨脹終了時氣缸內氣體壓力pb約為0.250.45MPa，溫度tb約為600700。四沖程機燃燒膨脹過程所占的總角度約為130160CA。 第四沖程排氣沖程這一沖程的任務是將作功后的廢氣排出氣缸外，為下一循環(huán)新鮮空氣的進入提供條件。這一階段，要求廢氣排得越干凈越好，所以與進氣閥啟閉一樣，排氣閥也是提前開啟，延遲關閉。排氣閥開啟時，活塞尚在下行，廢氣靠氣缸內外壓力差進行自由排氣。從排氣閥開啟到下止點的曲柄轉角叫做排氣提前角。當活塞從下止點上行時，廢氣被活塞推出氣缸，此時排氣過程是在略高于大氣壓力（約1.051.1大氣壓），且在壓力基本不變的情況下進行的。排氣閥一直延遲到活塞到達上止點之后才關閉，這樣可利用氣流的慣性作用，繼續(xù)排出一些廢氣。上止點到排氣閥關閉位置的曲柄轉角叫做排氣延遲角。四沖程機排氣沖程所占的總角度約為210240CA。二四沖程柴油機的定時圖l-8 6350C型柴油機定時圖圖1-7 四沖程柴油機氣閥正時圓圖四沖程柴油機的進、排氣閥的啟閉都不正好在上、下止點，而是在上、下止點前后某一時刻。它們的開啟持續(xù)角均大于180CA。進、排氣閥在上、下止點前后啟閉的時刻稱為氣閥正時（定時），通常氣閥正時用距相應止點的曲軸轉角（CA）表示。用曲軸轉角表示氣閥正時的圓圖稱氣閥正時（定時）圓圖，如圖1-7所示。在圖1-7中，進氣閥在上止點前點1開啟，在下止點后點2關閉。其與相應止點的夾角1、2分別稱進氣提前角、進氣滯后角。排氣閥在下止點前點5開啟，在上止點后點6關閉，其與相應止點的夾角3、4分別稱為排氣提前角、排氣滯后角。（1）排氣閥提前開：排氣閥開啟初期其通道截面積很小，流動阻力很大。如果排氣閥太接近下止點時才開啟，提前開啟的角度太小，廢氣排出不暢，會造成活塞上行推出廢氣消耗的功增大。殘余廢氣量增加。但排氣閥提前開啟角也不能太大，否則會使氣體膨脹功損失過大。 （2）排氣閥滯后關：排氣閥的滯后關一方面使活塞到達上止點時，排氣閥仍有足夠通道截面，有利于廢氣的排出；另一方面，由于利用了排氣流的慣性，可使廢氣排得更干凈。 （3）進氣閥提前開：進氣閥提前開除了使進氣沖程開始時有較大的通道截面，以減少進氣阻力，增加進氣量，還可形成進排氣閥疊開，對燃燒室進行掃氣，減少剩余廢氣量，增加進氣量。 （4）進氣閥滯后關：進氣閥延遲在下止點后關閉，一方面使活塞在下止點附近時進氣閥仍有足夠開度。另一方面還可充分利用進氣流的慣性而吸入更多空氣?？傊瑲忾y提前開啟與延后關閉是為了將廢氣排除干凈并增加空氣的吸入量，以利于燃油的燃燒，另外排氣提前還可減少排氣耗功。因此，各機型（對應常用轉速）有一最佳正時。按此正時工作，柴油機充入新氣最多，性能最好。機型不同，正時也不同。正時圓圖在柴油機使用說明書中均有給出，不允許任意改變，經常要以它為依據檢查調整氣閥正時。燃油噴射也有正時要求，也可畫在這個圖上，如圖l-8所表示的國產6350C型柴油機定時圖。由圖1-7還可看出，在上止點前后進氣閥與排氣閥同時開啟著，同一氣缸的進、排氣閥同時開啟的曲軸轉角稱為氣閥重疊角。在氣閥疊開期間，進氣管、氣缸、排氣管連通，這樣有助于廢氣的排出和新氣的流入。此時利用廢氣流動慣性的抽吸作用，除可避免廢氣倒沖入進氣管外，尚可將新鮮空氣吸進氣缸，并利用此壓力差用新氣將燃燒室內的廢氣掃出氣缸，實現所謂燃燒室掃氣。此時不但可提高換氣質量，還可利用進氣冷卻燃燒室零件的高溫表面。因而，四沖程柴油機均有一定的氣閥重疊角，而且增壓柴油機的氣閥重疊角均大于非增壓機，如表1-2所示。表1-2 四沖程柴油機氣閥重疊角名稱非增壓增壓開啟關閉開啟關閉進氣閥上止點前1530下止點后1030上止點前4080下止點后2040排氣閥下止點前3545上止點后1020下止點前4055上止點后4050重疊角255080130 以上、下止點為基準，用曲柄轉角表示的進排氣閥、噴油器、起動閥開啟和完全關閉的時刻總稱為柴油機的定時（正時）。氣閥啟閉時刻稱為配氣定時，噴油器開啟時刻稱為噴油定時。起動閥啟閉時刻稱為起動定時。各種柴油機的定時是不同的，說明書上常用表格或定時圖來表示，圖l-8表示6350C型柴油機定時圖。113 二沖程柴油機的工作原理（必要條件） 用兩個行程（曲軸回轉一轉）完成一個工作循環(huán)的柴油機稱二沖程柴油機。 二沖程柴油機與四沖程柴油機不同，其氣缸上設有氣口，圖1-9中氣缸右側為排氣口，左側為進氣口。排氣口比進氣口略高，進排氣口的開關均由活塞控制。此外，二沖程柴油機設有掃氣泵。掃氣泵預先將空氣壓縮并送入掃氣箱中，掃氣箱中的空氣壓力（掃氣壓力）要比大氣壓力稍高。 1換氣壓縮行程 活塞由下止點向上運動。在活塞遮住進氣口之前，新鮮空氣通過進氣口不斷充入氣缸并將氣缸內的廢氣經排氣口驅除出去。當活塞上行到將進氣口全部遮閉時（點l），新鮮空氣停止進入氣缸。當排氣口被活塞遮閉后（點2），氣缸內的空氣就被上行的活塞壓縮，壓力和溫度亦隨之升高。在活塞到達上止點前的某一時刻（點2），柴油經噴油器噴入氣缸，并與高溫高壓空氣混合后著火燃燒。在這一行程中，進行了換氣（曲線0-1-2）、壓縮（曲線2-3）和噴油著火燃燒諸過程。圖1-9 二沖程柴油機工作原理圖 2膨脹換氣行程 活塞由上止點向下運動。在此行程的初期，燃燒仍在猛烈地進行，到點4才基本結束。高溫高壓的燃氣膨脹推動活塞下行作功。當活塞下行將排氣口打開時（點5），由于此時缸內的燃氣的壓力和溫度仍較高，分別為0.250.6MPa和600800，因而氣缸內燃氣藉助于氣缸內外的壓差經排氣口高速排出，缸內的壓力也隨之下降。當缸內壓力下降到接近掃氣壓力時，下行的活塞將進氣口打開（點6），新鮮空氣便通過進氣口充入氣缸，并對氣缸內進行掃氣，將氣缸內的廢氣經排氣口驅除出去。這個過程一直要延續(xù)到下一個循環(huán)活塞再次上行將進氣口關閉時為止，稱為掃氣過程。在這一行程中，進行了燃燒與膨脹（曲線3-4-5）、排氣（曲線5- 6）和部分掃氣（曲線6-0）過程。114 二、四沖程柴油機的比較二沖程柴油機與四沖程柴油機相比具有如下優(yōu)點： （1）提高了柴油機的作功能力對于兩臺氣缸直徑、活塞行程及轉速等相同的柴油機，二沖程柴油機的功率似乎應比四沖程大一倍。但實際上，由于二沖程柴油機氣缸上開有氣口而使工作容積有所減少，機械傳動的掃氣泵也要消耗一定的功率等因素，二沖程柴油機的功率只能增大6080。顯然，若兩者功率相同，則二沖程柴油機的尺寸較小，重量較輕。 （2）改善了柴油機的動力性 由于二沖程柴油機曲軸每轉360各缸作功一次，而四沖程柴油機每轉720各缸作功一次，因而二沖程柴油機要比四沖程柴油機回轉均勻，可使用較小的飛輪。 （3）簡化了柴油機的結構 省去了進氣閥及其傳動裝置。對有些二沖程柴油機，還省去了排氣閥及其傳動裝置。所以，其維護保養(yǎng)就簡單方便得多。 二沖程柴油機雖然有以上優(yōu)點，但它也有其本身固有的缺點： （1）換氣質量差、熱效率低 因為二沖程柴油機換氣時間比四沖程柴油機短得多，且掃、排氣幾乎同時進行，所以掃氣過程中新鮮空氣與廢氣滲混嚴重，還有部分新鮮空氣隨廢氣一起排出，增加了空氣消耗量，所以換氣質量差，進而影響燃油燃燒，熱能利用不充分，熱效率比四沖程柴油機低。 （2）熱負荷較高 在轉速相同時，二沖程機氣缸內每單位時間的燃燒次數是四沖程機的兩倍，因此，二沖程機與氣缸內高溫燃氣相接觸部件熱負荷比較高。二沖程柴油機的上述缺點，隨轉速的增加，會變得更加嚴重。所以，大型低速柴油機采用二沖程；小型高速柴油機采用四沖程；中型中速機，四沖程、二沖程均有采用，但以四沖程機為主。 二沖程柴油機與四沖程柴油機比較，除有以上優(yōu)缺點外，綜合而言尚有以下特點： （1）二沖程柴油機凸輪軸轉速與曲軸轉速相同；而四沖程柴油機凸輪軸轉速是曲軸轉速的一半，即12。 （2）一個工作循環(huán)中，二沖程柴油機下行對外作功，上行則靠外力驅動，而四沖程機除燃燒膨脹沖程對外作功外，其它三個沖程都是耗功沖程。 （3）二沖程柴油機進排氣重疊角大約為80100CA，四沖程柴油機的氣閥重疊角較小，約為2560CA。115 柴油機增壓的概念（定義、目的、 增壓的形式、增壓的分類) 一增壓的定義和目的所謂增壓，就是用提高氣缸進氣壓力的方法，使進入氣缸的空氣密度增加，從而可以增加噴入氣缸的燃油量，以提高柴油機的平均指示壓力pi和柴油機的平均有效壓力pe。柴油機的增壓程度一般以增壓度來表示，增壓度是柴油機增壓后標定功率與增壓前標定功率之差值與增壓前標定功率的比值。由于空氣在增壓器中被壓縮時壓力和溫度是同時升高的，這就影響了空氣密度的增加和增壓的效果。因此，在增壓器后都設有中冷器以降低空氣溫度，提高空氣密度。通常中冷器都目的：提高柴油機的進氣壓力，可使進氣的密度增加，從而達到在同樣的氣缸容積中充進更多的空氣量，以便噴入燃燒更多的燃油，作出更多的功來。二廢氣渦輪增壓的兩種基本形式l定壓渦輪增壓（圖1-10和圖1-11）定壓渦輪增壓的特點是進入廢氣渦輪增壓器的廢氣壓力基本上是穩(wěn)定狀態(tài)。柴油機各缸的排氣管連接到一根共用的容積足夠大的排氣總管上，渦輪就裝在排氣總管后面。因為廢氣以基本不變的速度和壓力進入渦輪，所以這種增壓方式渦輪工作穩(wěn)定，效率高。 定壓增壓只利用了廢氣能量中的定壓能E2，而沒有利用廢氣中的脈沖動能E1。脈沖動能E1在排氣流動中由于排氣口（閥）的嚴重節(jié)流和在排氣管中膨脹渦旋，大部分損失掉。只有小部分脈沖動能轉化為熱能，使排氣管中的廢氣溫度略有升高。因此廢氣渦輪增壓所能利用的廢氣能量就少些。尤其是當柴油機在低負荷時或起動時，因排氣管壓力低，廢氣的能量少，使渦輪發(fā)出的功率滿足不了壓氣機所需的功率，柴油機必需另設輔助風機來滿足低負荷時的掃氣需要。2脈沖渦輪增壓（圖1-12和圖1-13） 脈沖渦輪增壓的特點是進入廢氣渦輪增壓器的廢氣壓力為脈動狀態(tài)。在結構上把各缸排氣管經過分組直接與一個或幾個廢氣渦輪相連，排氣管短而細。脈沖增壓除了可以利用脈沖能外，還能較好地利用廢氣的定壓能，故廢氣的能量利用增多。這有利于渦輪機和壓氣機之間的功率平衡。此外，掃氣階段正好是排氣管中的低壓階段，掃氣箱與排氣管間壓差較大，故有利于掃氣，即使柴油機低負荷時也是如此。但由于渦輪在不穩(wěn)定工況下工作，效率較低。 在多缸柴油機的脈沖增壓系統(tǒng)中，如果各缸的排氣均排入一根排氣管，那就會產生掃、排氣的相互干擾。即當某缸進行掃氣而相鄰缸正好在排氣時，排氣壓力波就會傳到掃氣缸的排氣口處，使該缸排氣背壓升高，從而嚴重影響該缸掃氣的正常進行。如果每缸各自向單獨的排氣管排氣，雖然消除了各缸間的排氣干擾，但會使渦輪供氣間斷，效率降低。這一問題必須依靠對排氣管進行合理分組來解決。分組的原則是避免同組內各缸的排、掃氣互相干擾。排氣管分組是脈沖增壓所必須采取的措施。 圖1-12 脈沖廢氣渦輪增壓系統(tǒng)圖 圖1-13 排氣脈沖波所以脈沖增壓最適合于氣缸數是3的倍數的柴油機。例如某二沖程六缸柴油機的發(fā)火順序為1-6-2-4-3-5，各缸發(fā)火間隔角為60，則可把1、2、3缸分為一組，4、5、6缸分為另一組。 一般來說，大型低速二沖程柴油機的脈沖增壓系統(tǒng)采用多臺增壓器。而四沖程柴油機為使結構布置緊湊，往往只采用一臺脈沖渦輪增壓器。為了防止排氣干擾，往往將廢氣渦輪的噴嘴環(huán)分隔開，采用多進口的布置方案。3兩種增壓方式比較 在不同的增壓壓力下應當采用不同的增壓方式。在低、中增壓時，即當pk介于0.130.20 MPa之間時，采用脈沖增壓可以更多地利用廢氣能量。雖然在結構、管理、渦輪效率等方面有缺點，但與其優(yōu)點相比還是屬于第二位的。所以，在這個增壓壓力范圍內的柴油機絕大多數采用脈沖增壓。而隨著增壓壓力的提高，定壓能的比例也隨之增高，脈沖增壓在廢氣能量利用方面的優(yōu)勢不存在了，而在結構、布置、渦輪效率等方面的問題上升為第一位的。因此，在高增壓時均采用定壓增壓。如Sulzer公司 RND型以后的新機型、BW公司 KGF型以后的新機型，均采用定壓渦輪增壓。定壓增壓也是目前增壓系統(tǒng)的發(fā)展方向。 三柴油機增壓系統(tǒng)分類1機械增壓（圖1-14）增壓器5直接由柴油機驅動。顯然這種增壓形式將消耗柴油機的有效功率。隨著增壓壓力的提高，柴油機所消耗的功率隨之增大。因此機械增壓只適于增壓壓力小于（0.150.17）MPa的低增壓柴油機。2廢氣渦輪增壓（圖1-15）利用柴油機排出的廢氣吹動渦輪機5，由渦輪機帶動壓氣機3。顯然，這種增壓形式可以從廢氣中回收部分能量，不僅提高了柴油機的功率，還提高了動力裝置的經濟性，因而獲得廣泛應用。3復合增壓這種增壓形式既采用渦輪增壓，又采用機械增壓。根據兩種增壓器的不同布置方案，可分為串聯增壓和并聯增壓。 圖1-l4 機械增壓系統(tǒng)圖 圖1-15 廢氣渦輪增壓系統(tǒng)1）串聯增壓系統(tǒng)（圖1-16） 串聯增壓系統(tǒng)是采用廢氣渦輪增壓器2和主機帶動的往復式掃氣泵4串聯工作。在這種串聯增壓系統(tǒng)中，增壓空氣經過兩級壓縮。渦輪增壓器2為第一級，壓氣機從大氣中吸入空氣進入中間冷卻器3進行冷卻，然后進入與增壓器串聯的往復壓氣機4中進行第二級壓縮，以達到規(guī)定的增壓壓力?？諝饨浀诙墘嚎s后，再送入第二級空氣冷卻器5冷卻，最后送入柴油機掃氣箱。 采用串聯增壓系統(tǒng)使柴油機起動容易，低負荷性能好。當渦輪增壓器損壞時，依靠第二級往復式壓氣機仍可使柴油機達到7080的標定轉速，因此不須另設應急鼓風機。然而這種增壓系統(tǒng)使柴油機結構復雜，重量增加。 圖1-16 串連增壓系統(tǒng) 圖1-17 串聯旁通增壓系統(tǒng)2）串聯旁通增壓系統(tǒng)（圖1-17） 串聯旁通增壓系統(tǒng)的特點是部分串聯增壓，在掃氣前期為串聯增壓，在換氣后期串聯失效，由渦輪增壓器單獨供氣。這種增壓系統(tǒng)利用柴油機活塞的下部空間4作為輔助壓氣機，并與渦輪增壓器串聯作為第二級增壓泵，渦輪增壓器為第一級增壓泵。其掃氣箱分成內外兩部分。外側空間各缸共用，與渦輪增壓器相通；內側空間各缸分開，并與活塞下部空間相連通組成單缸掃氣室。兩者之間以單向閥連接。 串聯旁通增壓系統(tǒng)的主要優(yōu)點是利用掃氣室中空氣的壓力變化防止廢氣倒沖，掃氣效果好。對于彎流掃氣柴油機可以減小排氣口高度?；钊虏康脑鰤罕每梢愿纳撇裼蜋C的低負荷性能，而且結構比串聯增壓系統(tǒng)簡單。在采用定壓增壓時，由于在起動和低負荷時廢氣渦輪增壓器供氣不足，采用電動鼓風機與之串聯工作。 瑞士Sulzer RNDM型、RL和 RTA型柴油機采用這種串聯旁通增壓系統(tǒng)。（3）并聯增壓系統(tǒng)（圖1-18） 并聯增壓系統(tǒng)就是使渦輪增壓器與活塞下部空間并聯工作。在這種增壓系統(tǒng)中，廢氣渦輪增壓器和活塞下部輔助增壓泵分別從機艙吸入空氣并在其中壓縮，然后經空氣冷卻器冷卻再共同送入掃氣箱。一般渦輪增壓器所供應的空氣約為增壓空氣量的7580，其余空氣量由活塞下部輔助增壓泵供給。由于輔助增壓泵只供給一小部分空氣，則只需將柴油機的部分氣缸下部作為輔助增壓泵。 并聯增壓系統(tǒng)在低負荷時因渦輪增壓器供氣顯著下降，而輔助增壓泵的供氣量遠遠不足，故柴油機在低負荷時的工作性能差，增壓器在低負荷時易發(fā)生喘振。為了防止在低負荷時增壓器發(fā)生喘振和改善柴油機的性能，并聯增壓系統(tǒng)幾經改進，取消了活塞下部輔助增壓泵，變成了單獨增壓系統(tǒng)，并附設電動鼓風機與增壓器串聯供氣。MAN公司生產的KZ型、KSZ型柴油機采用并聯增壓系統(tǒng)。圖1-18 并聯增壓系統(tǒng) 圖1-19 廢氣渦輪中廢氣能量的利用圖2 柴油機的熱力循環(huán)211 內燃機理論循環(huán)的基本形式及其特點212 柴油機的理論循環(huán)和實際循環(huán)的差別3 柴油機的性能指標柴油機的主要性能指標包括動力性和經濟性兩個方面的指標，它們既是反映柴油機工作循環(huán)完善程度的參數，更是評估柴油機性能的主要依據。動力性和經濟性指標分別從量和質兩個方面來評價柴油機的性能。它們又可以分成指示指標和有效指標兩類見表1-3。表1-3 動力性及經濟性指標指示指標有效指標動力性pi平均指示壓力pe平均有效壓力Ni指示功率Ne有效功率經濟性i指示熱效率e有效熱效率gi指示燃油消耗率ge有效燃油消耗率 31 指示指標和有效指標定義、平均指示壓力和指示功率、指示效率和指示耗油率、機械損失功率和機械效率、有效功率和平均有效壓力、有效效率和有效耗油率 指示指標是以實測的示功圖所表示的一個循環(huán)所作的功指示功為基礎的（從示功圖求出來的），它們表征氣缸內部工作情況，其優(yōu)劣取決于氣缸內部實際工作循環(huán)進行的完善程度（包括不完全燃燒、燃燒延遲、氣體泄漏、氣缸壁傳熱損失等）。有效指標是以在柴油機輸出軸上所得到的有效功為基礎的，它扣除了柴油機內的一切損失，其優(yōu)劣取決于工作循環(huán)進行的完善程度外，還得取決于機械損失的大小，它是評定柴油機工作性能的最終指標。1. 指示指標圖1-20 平均指示壓力pi示意圖1） 平均指示壓力pi 如果我們已測得示功圖如圖1-20所示，燃燒膨脹過程曲線與壓縮過程曲線所包圍的面積即表示指示功Li。泵氣功（泵氣損失）示功圖上測不出，指示指標不考慮，放在有效指標考慮。平均指示壓力pi：是一個假想的作用在活塞上的數值不變的壓力，它推動活塞一個行程所作的功與一個工作循環(huán)的指示功Li相等（如圖1-20）。即： （Nm或J）所以： （N/m2或Pa） 式中：pi平均指示壓力，Pa； F活塞面積，m2； S活塞行程，m； VS氣缸工作容積，m3。由式（1-7）可見，平均指示壓力pi 又可以看成單位氣缸工作容積每一工作循環(huán)的指示功。它消去了柴油機氣缸工作容積的因素，所以它的數值與氣缸工作容積的大小無關。因此可以用pi 來比較不同氣缸尺寸和不同類型的柴油機的做功能力強化程度。pi 值大，表明其單位氣缸工作容積的做功能力大，柴油機氣缸工作容積利用程度大。噴入的燃油量相同時，pi 值大表明其工作循環(huán)進行得比較完善。所以pi 是評定柴油機工作循環(huán)動力性的重要指標。對于運轉中的柴油機，pi 很容易由實測的p-V示功圖求得，方法如下：（1） 面積法用面積儀（見圖1-21）測得示功圖面積為f（mm2），示功圖長度為L（mm），示功圖平均高度hi=f/L（mm），則平均指示壓力： （MPa）式中：M示功彈簧比例（即p-V示功圖縱坐標比例，示功器彈簧上有標明），mm/MPa。 （2）十等分法 如不用面積儀，pi還可由p-V示功圖經作圖法求得。如圖1-22所示。將測得示功圖長度L分為10等份，量出各等分點上的示功圖高度y1、y2、y3y9（mm），在上、下止點附近距上、下止點L/40處再附加兩個示功圖高度y0和y10，示功圖的平均高度： （mm） 圖1-21 面積儀1-下帶針尖的固定重塊；2-把手；3-導針；4-支撐滑桿；5-測量滾子；6-計數盤圖1-22 示功圖的作圖計算法這樣求得的hi精度已夠。在標定工況下船用柴油機的平均指示壓力pi的數值范圍如表1-5-1所示。表1-4 pi、pe值統(tǒng)計表機型pipe四沖程，非增壓0.751.10.600.9四沖程，增壓0.953.00.82.5二沖程，非增壓0.650.950.50.70二沖程，增壓0.81.80.71.92） 指示功率Ni 指示功率是指柴油機氣缸內的工質在單位時間內推動活塞所作的指示功。 柴油機的每個氣缸每個工作循環(huán)工質所作的指示功為 （J） 柴油機一個氣缸的指示功率Ni1為 （Nm/s） 于是，整臺柴油機指示功率的一般式為 （kW） 式中：pi平均指示壓力，Pa或N/m2； VS氣缸工作容積，m3； n柴油機的轉速，r/min； 每轉工作行程數，四沖程機1/2，二沖程機=1； i氣缸數。 在船上經常要測量示功圖并計算柴油機的功率。對既定的柴油機其VS和為定值，為減少重復計算，令C=VS/60000，C稱為氣缸常數。這樣，整臺柴油機指示功率的公式可簡化為 （kW） 如各缸發(fā)出功率不均勻，則應一缸缸測取示功圖，分別求得pi，Ni1，再將各缸功率相加而得到整臺柴油機的功率。3） 指示熱效率i和指示油耗率gi 指示熱效率的定義為 式中：Li指示功，J； Q1噴入氣缸內燃油的總發(fā)熱量，J。對于一臺柴油機，可測算出其指示功率Ni和每小時燃油消耗量Gf，則 式中：3600一千瓦小時相當的熱量，kJ/（kWh） Gf柴油機每小時油耗量，kg/h； Hu所用燃料低熱值（高熱值：包括了燃油中氫元素燃燒生成水蒸氣冷卻而凝結放出的潛熱），通常取Hu=42700kJ/kg； Ni指示功率，kW。 指示油耗率