船舶柴油機-1

1、熱機外燃機內(nèi)燃機蒸汽輪機蒸汽機柴油機汽油機燃氣輪機一、柴油機的基本概念 使用揮發(fā)性較差的柴油或劣質(zhì)燃料油作燃料； 采用內(nèi)部混合法形成可燃混合氣； 缸內(nèi)燃燒采用壓縮式發(fā)火。柴油機的優(yōu)點1 經(jīng)濟性好。2 功率范圍寬廣3 尺寸小，重量輕4 機動性好5 適應船舶航行的各種工況要求柴油機的缺點振動和噪音工作條件惡劣柴油機是一種壓縮發(fā)火的往復式內(nèi)燃機。常用術語 柴油機根據(jù)其活塞在氣缸中所處柴油機根據(jù)其活塞在氣缸中所處的位置不同，通常采用下列名詞述語：的位置不同，通常采用下列名詞述語： 1 1）上止點）上止點 活塞在氣缸中運動的最上端位置，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，也就

2、是活塞離曲軸中心線最遠的位置，俗稱上死點。俗稱上死點。 2 2）下止點）下止點 活塞在氣缸中運動的最下端位置，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，也就是活塞離曲軸中心線最近的位置，俗稱下死點。俗稱下死點。 3 3）沖程（行程）沖程（行程） 指活塞從上止點到下止點間的直線指活塞從上止點到下止點間的直線距離，常用距離，常用S S表示。它等于曲柄半徑表示。它等于曲柄半徑R R的的兩倍（兩倍（S=2RS=2R）?；钊苿右粋€沖程相當）?；钊苿右粋€沖程相當柄曲轉(zhuǎn)動柄曲轉(zhuǎn)動180180。 4 4）缸徑）缸徑 氣缸內(nèi)徑，常用氣缸內(nèi)徑，常用D D表示。表示。 VsVas上止點下止

3、點VcDCScsccaVVVVVVV1VsVas上止點下止點VcD 5 5）壓縮容積）壓縮容積 活塞在氣缸內(nèi)位于上止點時，在活塞活塞在氣缸內(nèi)位于上止點時，在活塞頂上的全部空間（活塞頂與氣缸蓋底面之頂上的全部空間（活塞頂與氣缸蓋底面之間所包含的空間），稱為壓縮容積，以間所包含的空間），稱為壓縮容積，以VcVc表示。表示。 6 6）氣缸工作容積）氣缸工作容積 活塞在氣缸中從上止點移到下止點時活塞在氣缸中從上止點移到下止點時所經(jīng)過的空間。又稱為活塞排量，以所經(jīng)過的空間。又稱為活塞排量，以VsVs表表示：示： 7 7）氣缸總?cè)莘e）氣缸總?cè)莘e 活塞在下止點時，活塞頂以上的氣缸活塞在下止點時，活塞頂以上的

4、氣缸全部容積叫做氣缸總?cè)莘e，以全部容積叫做氣缸總?cè)莘e，以Va Va 表示表示: : 8) 8)壓縮比壓縮比 氣缸總?cè)莘e與壓縮容積之比值氣缸總?cè)莘e與壓縮容積之比值 ( (柴油機柴油機11111919、汽油機、汽油機5.55.57.5)7.5)SDVs24CSaVVV二、柴油機的分類6 增壓柴油機和非增壓柴油機1、低速、中速和高速柴油機2筒形活塞式和十字頭式柴油機3直列式和V型柴油機4右旋和左旋柴油機5可逆轉(zhuǎn)和不可逆轉(zhuǎn)柴油機低速、中速和高速柴油機低速柴油機 300r/min Vmm/s中速柴油機 3001,000 r/min Vm m/sm/s高速柴油機 n1,000 r/min Vm9 m/s3

5、0SnmV（活塞平均速度 ）筒形活塞式十字頭式直列機V型機三三 柴油機工作原理柴油機工作原理1、柴油機理論循環(huán)和實際循環(huán)2、四沖程柴油機工作原理3、二沖程柴油機工作原理4、 二沖程柴油機的換氣形式（1）柴油機理論循環(huán)1）柴油機理論循環(huán)和實際循環(huán)定容加熱循環(huán)定壓加熱循環(huán) 混合加熱循環(huán) （現(xiàn)代柴油機循環(huán)）繼續(xù)膨脹循環(huán)理論循環(huán)的熱效率11111ktkk式中：壓縮比壓力升高比初期膨脹比工質(zhì)絕熱指數(shù)（2）柴油機實際循環(huán)6其他損失1工質(zhì)的影響工質(zhì)的成分變化；工質(zhì)比熱的變化；工質(zhì)的高溫分解；工質(zhì)分子數(shù)的變化2氣缸壁的傳熱損失3換氣損失4燃燒損失5 泄漏損失 柴油機的循環(huán)是通過進氣、壓縮、工作（燃燒及膨脹）、

6、排氣四個過程來實現(xiàn)的。這樣四個連續(xù)的過程就稱為柴油機的一個工作循環(huán)。四沖程柴油機的一個工作循環(huán)是在活塞的四個沖程（即曲軸旋轉(zhuǎn)兩周）內(nèi)完成的。 下圖分別表示四沖程柴油機四個沖程進行的情況和活塞等部件的有關動作位置及PV圖上的表示線段。 第一沖程進氣沖程，曲柄轉(zhuǎn)角 表示進氣過程。 第二沖程壓縮沖程，壓縮過程用曲柄轉(zhuǎn)角 表示。 第三沖程工作（燃燒及膨脹）沖程，工作（燃燒與膨脹）過程用曲柄轉(zhuǎn)角 表示。 第四沖程排氣沖程，排氣過程用曲柄轉(zhuǎn)角 表示。 2、 四沖程柴油機工作原理 1) 工作循環(huán)過程bacbedcfe四沖程柴油機工作原理四沖程柴油機工作原理220250140160pc=3 6MPatc=50

7、0 700pz=5 8MPatz=1500 2000230260pb=0.3 0.6MPatb=600 700 2） 工作工作循環(huán)特點循環(huán)特點 a) 四沖程柴油機完成一個工作循環(huán)，曲軸回轉(zhuǎn)四沖程柴油機完成一個工作循環(huán)，曲軸回轉(zhuǎn)兩周，活塞移動四個沖程完成。兩周，活塞移動四個沖程完成。 b) 每個工作循環(huán)中只有工作沖程（燃燒及膨脹沖每個工作循環(huán)中只有工作沖程（燃燒及膨脹沖程）是做功的，在這個沖程里完成了燃料化學能轉(zhuǎn)變程）是做功的，在這個沖程里完成了燃料化學能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎蜔崮苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C械功的兩次能量轉(zhuǎn)換。為熱能和熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功的兩次能量轉(zhuǎn)換。 c) 其它三個沖程都是為工作沖程作準備，都需要其它三個沖

8、程都是為工作沖程作準備，都需要外界供給能量，因此柴油機常做成多缸的，這樣，進外界供給能量，因此柴油機常做成多缸的，這樣，進氣、壓縮、排氣沖程所需的能量可由其它正在工作沖氣、壓縮、排氣沖程所需的能量可由其它正在工作沖程的氣缸供給。如果是單缸柴油機，則可由較大的飛程的氣缸供給。如果是單缸柴油機，則可由較大的飛輪供給，即在工作沖程時，柴油機帶動飛輪旋轉(zhuǎn)加速，輪供給，即在工作沖程時，柴油機帶動飛輪旋轉(zhuǎn)加速，依靠飛輪的旋轉(zhuǎn)慣性，帶動柴油機完成其它三個沖程。依靠飛輪的旋轉(zhuǎn)慣性，帶動柴油機完成其它三個沖程。 氣閥定時和氣閥重疊角氣閥定時和氣閥重疊角氣閥重疊角： 同一氣缸的進、排氣閥 在上止點前后同時開啟 的

9、曲軸轉(zhuǎn)角氣閥定時：進、排氣閥在上、下止點前后啟閉的時刻作用：提高換氣質(zhì)量；減少排氣耗功 實現(xiàn)燃燒室掃氣氣閥定時圓圖 3、 二沖程柴油機工作原理 二沖程柴油機把進氣、壓縮、燃燒及膨脹、排氣過程緊縮在活塞的兩個沖程內(nèi)完成，使曲軸每旋轉(zhuǎn)一周就完成一個循環(huán)。 1) 基本原理 二沖程柴油機的特點是沒有專門的排氣沖程和進氣沖程，它的排氣與進氣是在膨脹沖程末及壓縮沖程之初進行的，其廢氣的排出除了一部分自由泄放外，剩余部分則是靠壓入氣缸的新鮮空氣來把廢氣掃出去的。為此，必須采用專設的掃氣泵，以便增加進入的新鮮空氣壓力，以將剩余廢氣掃出氣缸，這個過程就稱為“換氣過程”又叫“掃氣過程”。掃氣泵可采用羅茨泵、活塞泵

10、等。由于采取掃氣代替柴油機活塞來完成進、排氣過程，因此每一個工作循環(huán)減少了兩個輔助沖程，能在每兩個沖程內(nèi)得到一個做功沖程，這就大大提高了柴油機做功能力。 2) 掃氣方式 按照掃氣方式的不同，二沖程柴油機又在幾種形式，常見的有直流掃氣和橫流掃氣（a直流掃氣、b橫流掃氣）。橫流掃氣口橫流掃氣口 3） 工作循環(huán)過程（直流掃氣二沖程柴油機 ） 第一沖程掃氣及壓縮?；钊韵滤傈c向上移動時活塞在遮住掃氣口之前，掃氣空氣通過掃氣口進入氣缸，掃氣空氣是由柴油機帶的掃氣泵供給的。氣缸中殘存廢氣被掃氣空氣從排氣閥中排出?；钊^續(xù)上行，先遮住掃氣口（曲柄在點 f 的位置），空氣停止充入，接著排氣閥關閉（點 a ），

11、氣缸中的空氣就開始被壓縮，壓縮至上死點（點 b）前一些（點b）噴入燃油，燃油在高溫高壓下自行發(fā)火燃燒。 b b b11b 第二沖程燃燒膨脹及排氣?；钊谌細獾母邏鹤饔孟孪蛳?運動，由于氣缸容積增大，壓力開始下降，在上死點后某一時刻（點c位置）燃燒結(jié)束，直到排氣閥打開（點 d），排氣閥打開時間比掃氣口打開更早，掃氣口開啟前，壓力較高的大量廢氣便從排氣閥排出。氣缸內(nèi)的壓力迅速下降到稍高于掃氣空氣的壓力，當掃氣口開啟（點e）后，掃氣空氣進入氣缸，同時把氣缸內(nèi)的廢氣從排氣閥擠出去，掃氣過程一直持續(xù)到下死點（點f）后活塞將掃氣口全部遮?。c f 位置），排氣閥關閉（點 a）為止?；钊^續(xù)運動，又開始了下

12、一個循環(huán)。PV圖圖噴油點燃燒結(jié)束點4) 工作循環(huán)特點 a）二沖程柴油機能在每兩個沖程內(nèi)（每曲軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)）得到一個作功沖程。這就提高了柴油機的作功能力，對于二臺氣缸尺寸及轉(zhuǎn)速相同的柴油機，二沖程的功率似乎應比四沖程的大一倍，但實際上由于二沖程柴油機熱負荷比四沖程發(fā)動機嚴重，加上氣口損失以及掃氣所耗的功率影響等，所以功率只為四沖程的1.61.8倍。顯然，如果發(fā)動機功率相同則二沖程柴油機的重量較輕。 b）在構(gòu)造方面，二沖程柴油機較四沖程的簡單一些，特別是橫流掃氣式二沖程柴油機，它完全省去了氣閥及其傳動裝置，所以二沖程柴油機的維護，保養(yǎng)就簡單得多。 c）由于二沖程柴油機在活塞的二個過程內(nèi)就完成一個循環(huán)，

13、做一次功，因而它的回轉(zhuǎn)要比四沖程柴油機均勻。 二沖程柴油機雖然有以上優(yōu)點，但也存在一些缺點，其換氣過程遠沒有四沖程進行得那樣完善，氣缸內(nèi)廢氣的清除和新氣的充入都較四沖程困難得多。此外，二沖程柴油機進入氣缸的新氣在排氣口開啟著的時候，要隨同廢氣一起泄出一部分，這就增加了新氣的消耗量，從而損失了柴油機的一部分功率。 2.增壓的分級 按照增壓壓力 的高低，增壓可分為低、中、高三級： 低增壓： 中增壓： 高增壓： 1.增壓的概念 所謂“增壓”就是將進入氣缸前的新鮮空氣的壓力提高，因此在同樣的氣缸容積下，可以吸入更多的空氣量。這樣就可以保證燃燒更多的燃油從而提高了柴油機的功率。 5) 柴油機的增壓 3.

14、 增壓的方法 目前柴油機所采用的增壓方法，主要有機械增壓和廢氣渦輪增壓二種。 MPapMPak2 . 015. 0kpMPapk15. 0Mpapk2 . 0 機械增壓 齒輪傳動的離心式機械增壓器的示意圖， 增壓器是直接由柴油機本身通過齒輪或鏈條來帶動的。 廢氣渦輪增壓 廢氣渦輪增壓的示意圖。 機械增壓的柴油機中，增壓壓力一般不能機械增壓的柴油機中，增壓壓力一般不能太高（以不超過太高（以不超過0.160.17MPa為宜），因為增為宜），因為增壓壓力過高將引起增壓器消耗功率過大而降壓壓力過高將引起增壓器消耗功率過大而降低柴油機的經(jīng)濟性。低柴油機的經(jīng)濟性。 廢氣渦輪增壓柴油機中，帶動增壓器的廢氣渦

15、輪增壓柴油機中，帶動增壓器的功率完全由廢氣渦輪供給，并不消耗內(nèi)燃機功率完全由廢氣渦輪供給，并不消耗內(nèi)燃機的有效功率，因此可采用較高的增壓度，增的有效功率，因此可采用較高的增壓度，增壓比可達壓比可達3.54。從而使柴油機平均有效壓。從而使柴油機平均有效壓力大大提高，燃料消耗率下降，所以在增壓力大大提高，燃料消耗率下降，所以在增壓柴油機上被廣泛應用。柴油機上被廣泛應用。 兩種增壓方法的比較兩種增壓方法的比較 五 柴油機的性能指標和工作參數(shù) 柴油機的性能通?？梢詮膭恿π?、經(jīng)濟性、運轉(zhuǎn)性、可靠性和耐久性加以衡量。 為了分析比較柴油機的工作性能和質(zhì)量的好壞,常用一些工作參數(shù)把它的全貌綜合地反映出來。柴油

16、機的工作參數(shù)主要有動力參數(shù)和經(jīng)濟性參數(shù)、重量和外形尺寸指標、排氣污染指標等。 本節(jié)著重分析動力性和經(jīng)濟性指標。 1、指示指標 2、有效指標 3、其它常用參數(shù)1、指示指標 1）平均指示壓力 2）指示功率 3）指示熱效率和指示油耗率b()指示指標：以氣缸內(nèi)示功圖所表示的工作循環(huán)指示功為基 礎，主要用來評定缸內(nèi)工作循環(huán)的完善程度。 示功圖概念： 圖所示，用PV圖表示柴油機一個工作循環(huán)內(nèi)氣缸中燃氣壓力隨活塞位移而變化的情形?？v坐標表示氣缸內(nèi)的氣體壓力P，橫坐標相當于活塞行程的氣缸容積V。氣缸內(nèi)氣體的壓力和容積是同時變化的，我們可以用示功儀器測量出來。因此，PV圖可用來研究柴油機工作過程進行的情況，并可

17、用來算出柴油機完成一個工作循環(huán)所作的功，所以把PV圖稱為示功圖。 燃燒膨脹所作的功，減去其他過程所消耗的功，就是柴油機一個循環(huán)向外輸出的功（圖中陰影線所包圍的面積）。 假定有一個在整個活塞行程內(nèi)不變的壓力作用在活塞上,使活塞在一個行程內(nèi)所作的功與閉合循環(huán)（即陰影線所包圍的面積）所作的功相等，如圖所示,則 這個假定不變的壓力稱為平均指示壓力 Pi（MPa）。它代表了在實際循環(huán)中每單位氣缸容積所做的功。表示氣缸內(nèi)氣體工作循環(huán)所做功的大小。 一般計算時,平均指示壓力的單位用MPa，以 Pi 表示。 Vs 氣缸工作容積, m3。 平均指示壓力 Pi 是指發(fā)動機工作循環(huán)中每單位氣缸工作容積所做的指示功，

18、平均指示壓力愈高，標志著發(fā)動機氣缸工作容積利用程度愈佳。 )(mNsViPiLMPaVLPsii6101、平均指示壓力pi一般平均指示壓力一般平均指示壓力四沖程非增壓：四沖程非增壓：0.651.05 Mpa四沖程增壓：四沖程增壓： 0.93 Mpa二沖程非增壓：二沖程非增壓：0.620.9 Mpa二沖程增壓：二沖程增壓： 0.92.0 Mpa 指示功率是指柴油機氣缸內(nèi)的工質(zhì)在單位時間內(nèi)所作的指示功(kW) 柴油機每個氣缸每個工作循環(huán)工質(zhì)所作的指示功 2、指示功率Pi 式中: n 曲軸每分鐘轉(zhuǎn)數(shù) r/min； 沖程系數(shù)，四中程 = 1/2，二沖程 =1； Pi 平均指示壓力 Pa； V s 氣缸

19、工作容積 m3 ； i 氣缸數(shù)。31060PinVPsiikW 提高功率提高功率Ni的方法的方法 a) 增大缸徑增大缸徑 D體積和重量增加，造價增加，體積和重量增加，造價增加，維護和修理較復雜。維護和修理較復雜。 b) 增大沖程增大沖程 S體積和重量增加，造價增加，體積和重量增加，造價增加，維護和修理較復雜。維護和修理較復雜。 c) 增大轉(zhuǎn)速增大轉(zhuǎn)速 n受到活塞的平均速度所限制，受到活塞的平均速度所限制，因為速度越高將增加零件的磨損，運動部件的慣性力因為速度越高將增加零件的磨損，運動部件的慣性力以及氣缸的熱應力等，這些將影響柴油機的壽命，對以及氣缸的熱應力等，這些將影響柴油機的壽命，對于二沖程

20、柴油機將影響到換氣。于二沖程柴油機將影響到換氣。 d) 增加氣缸數(shù)增加氣缸數(shù) i 缸數(shù)增多使結(jié)構(gòu)復雜，制造缸數(shù)增多使結(jié)構(gòu)復雜，制造和維修困難。和維修困難。 因此最有效的方法是提高因此最有效的方法是提高Pi值也即是提高增壓力值也即是提高增壓力的方法。的方法。 指示效率指示效率i 在柴油機里，每循環(huán)噴入氣缸中的燃油，并不都在柴油機里，每循環(huán)噴入氣缸中的燃油，并不都能作功。因為在完成一個循環(huán)時有許多損失，如由于能作功。因為在完成一個循環(huán)時有許多損失，如由于燃燒不好而引起的不完全燃燒的損失；傳給氣缸壁氣燃燒不好而引起的不完全燃燒的損失；傳給氣缸壁氣缸蓋等受熱零件而由冷卻水帶走的熱量損失；由排氣缸蓋等受

21、熱零件而由冷卻水帶走的熱量損失；由排氣所帶走的熱量損失，以及由于氣缸漏氣所造成的熱量所帶走的熱量損失，以及由于氣缸漏氣所造成的熱量損失等，這些都是熱量的損失。通常是損失等，這些都是熱量的損失。通常是用指示效率用指示效率i來表示損失的大小來表示損失的大小。 指示效率和指示耗油率指示效率和指示耗油率 式中式中: Li 氣缸中每循環(huán)所作的指示功，氣缸中每循環(huán)所作的指示功，J； Qi 每循環(huán)噴入氣缸的燃油所能發(fā)出的熱量，每循環(huán)噴入氣缸的燃油所能發(fā)出的熱量，J。 iiiQL式中: GT每小時所消耗的燃油量，kg/h。 指示耗油率指示耗油率g gi i 它代表每一指示千瓦小時所消耗的燃油量。它代表每一指示

22、千瓦小時所消耗的燃油量。 很明顯，指示耗油率很明顯，指示耗油率gi愈大，即表示為了在氣缸里愈大，即表示為了在氣缸里作出一千瓦小時的功所消耗的燃油愈多。這就說明工作出一千瓦小時的功所消耗的燃油愈多。這就說明工作循環(huán)進行得不好，熱損失大，當然這時的指示效率作循環(huán)進行得不好，熱損失大，當然這時的指示效率i也就愈低。所以也就愈低。所以i、gi是表示工作循環(huán)進行得好壞的是表示工作循環(huán)進行得好壞的指標。指標。iTiNGg hkW/kgNi 柴油機的指示功率，kW。2、有效指標1 有效功率Pe和機械效率m2 平均有效壓力pe3 有效熱效率e和有效油耗率b e 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，它既考慮熱損失也考慮 機械損失，它是評定柴油機工作性能的最終 指標。1、有效功率Pe和機械效率m 有效功率 從柴油機曲軸飛輪端傳出的功率， 用P e表示。 （kW） 9550nMeeP 機械損失功率 作用在活塞上的指示功率傳遞到曲軸的(有效功率)過程中所損失的功率。（1）摩擦損失 （2）拖動損失 （3）泵氣損失 =e 機械效率 是有效功率與指示功率Pi之比值 iemPP現(xiàn)代船用柴油機在額定工況下 值： 影響機械效率的因素： 柴油機負荷 轉(zhuǎn)速 滑油溫度 冷卻水溫度m四沖程非增壓柴油機 約為： 0.750.85；m四沖程增壓柴油機