輪機概論-大連海事大學(xué)

輪機概論

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本書主要根據(jù)航海類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會制定的海洋船舶駕駛專業(yè)《輪機概論》課程教

學(xué)計劃規(guī)定的內(nèi)容編寫的。全書共分七章，分別簡要講述了輪機管理及熱工基本知識：船舶

柴油機動力裝置：船舶推進裝置；船舶輔助設(shè)備：船舶甲板機械：船舶通用系統(tǒng)；船舶電器

設(shè)備概述。

目前駕駛員在船上的職責(zé)范圍在不斷擴大，其知識結(jié)構(gòu)也要進行相應(yīng)調(diào)整，使其適應(yīng)新

的船舶管理模式。在輪機方面，要求駕駛員能熟練操作的機械設(shè)備除甲板機械外，還包括主

柴油機；救生艇機；壓載泵；應(yīng)急消防泵；減搖和側(cè)推裝置；甲板空壓機和油船專用系統(tǒng)等。

本書簡要介紹了以上各種設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理，同時還介紹了設(shè)備的管理和使用方面的知

識。力求理論結(jié)合實際，使本書成為駕駛員必備的工具書。

本書還可作為航海院校其他與船舶有關(guān)的陸上專業(yè)的選修教材和參考書。

本書第一章由吳桂濤博士編寫；第二章由朱峰輪機長編寫；第三章由遲華方輪機長編寫;

第四章由邊克勤輪機長編寫；第六章由張興彪輪機長編寫；第五章和第七章由吳曉光輪機長

編寫；本書由吳曉光和吳桂濤主編。

編者

2007年5月

第1章輪機管理基礎(chǔ)

1.1輪機概述

1.2熱工基礎(chǔ)知識

第2章船舶柴油機動力裝置

2.1柴油機工作原理

2.2柴油機基本結(jié)構(gòu)和實例

2.3柴油機的工作系統(tǒng)

2.4柴油機的操縱系統(tǒng)

2.5柴油機的運轉(zhuǎn)特性

2.6柴油機的主要工作指標(biāo)

2.7柴油機運行管理（主要的維修工作；正常操作管理）

第3章船舶推進裝置

3.1船舶推進裝置的傳動方式

3.2軸系的組成

3.3螺旋槳及螺旋槳特性

3.4可調(diào)螺距螺旋槳

第4章船舶輔助設(shè)備

4.1船用泵

4.2液壓泵和液壓馬達

4.3船舶海水淡化裝置

4.4船舶制冷與空調(diào)裝置

4.5活塞式空氣壓縮機

4.6船舶輔鍋爐

第5章船舶甲板機械

5.1船舶起貨機

5.2液壓舵機

5.3液壓錨機和系纜機船舶減搖鰭

5.4船舶減搖鰭

5.5船舶側(cè)推裝置

第6章船舶通用系統(tǒng)

6.1艙底水系統(tǒng)

6.2壓載系統(tǒng)

6.3日用水系統(tǒng)

6.4汕船專用系統(tǒng)

第7章船舶電氣概述

7.1船舶電力系統(tǒng)

7.2軸帶發(fā)電機

7.3船舶電氣安全管理

第1章輪機管理基礎(chǔ)

1.1輪機概述

隨著國際貿(mào)易的發(fā)展和造船技術(shù)的不斷提高，以及機電設(shè)備和裝卸機械的日漸改進，當(dāng)

前世界海匕運輸船正向大型化、專業(yè)化和自動化的方向發(fā)展，對船員的素質(zhì)要求也越來越高。

做為一名船舶駕駛?cè)藛T和未來的船長，只有充分認識了管理對象即船舶，才能更好的操縱和

管理船舶。而輪機是船舶的動力核心，有必要對其有一個全面的了解。

1.1.1輪機的涵義

船舶動力在其發(fā)展史匕經(jīng)歷了以人力和風(fēng)力等自然力作為推進手段的漫長歲月，直到

1807年“克賴盟特”號這艘以蒸汽機作為推進動力機械的船舶的建成，才開始了船舶以

機械作為推進動力的新紀元。那時的蒸汽船的推進裝置，是由蒸汽機帶動一個槳輪推進裝置,

這種推進器的大部分露在水面，人們稱之為“明輪”，而把裝有明輪的船稱之為“輪

船”，把產(chǎn)生蒸汽的鍋爐和驅(qū)動明輪轉(zhuǎn)動的蒸汽機等成套設(shè)備稱為“輪機”，所以當(dāng)時

的“輪機”僅是推進設(shè)備的總稱。

然而,隨著科學(xué)技術(shù)的進步以及船舶在功能上向著多樣化、專業(yè)化和完善化的方向發(fā)展,

增設(shè)和完善了各種系統(tǒng)，如船舶電站、起貨機械、冷藏和空調(diào)裝置、淡水系統(tǒng)、壓載和消防

系統(tǒng)等，擴大了“輪機”一詞所包含的范圍，豐富了“輪機”的內(nèi)容。簡而言之，輪機

是為了滿足船舶航行、各種作業(yè)、人員的生活、人員和財產(chǎn)安全等各種需要所設(shè)置的全部系

統(tǒng)及其設(shè)備的總稱。輪機在工程上被稱之為船舶動力裝置，二者的意義是一樣的。

圖1-1機艙位置示意圖

圖1-2機艙縱剖面和底層布置圖

機艙是船舶的心臟（圖1-1；圖1-2示出了機艙在全船的位置和機艙縱剖面圖）。輪機

技術(shù)管理是在船公司機務(wù)部門指導(dǎo)下由船上輪機部具體負責(zé)。因為船舶航行條件的多變性、

發(fā)生事故后果的嚴重性、船舶動力裝置的復(fù)雜性，對船舶動力裝置的管理要求極高，所以要

求從事船舶動力裝置的管理人員，必須有高度的責(zé)任心、獨立發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

1.1.2輪機的組成

一艘現(xiàn)代化船舶實際上已成了一個現(xiàn)代化工業(yè)技術(shù)成就的集合，是一座可以在水上移動

的“現(xiàn)代化城市:這座“水上現(xiàn)代化城市”能夠自如地在水上航行，有著頑強的生命力，

抵御各種復(fù)雜多變的外部環(huán)境和自身可能產(chǎn)生的危險，適合人員居住和生活，能完成各種特

定的作業(yè)。而輪機正是產(chǎn)生機械能、熱能、電能和其他形式的能以滿足船舶這座“水上現(xiàn)

代化城市”需要的能源中心或動力場。

根據(jù)系統(tǒng)科學(xué)的觀點，輪機是一個動力機械類性質(zhì)的系統(tǒng)工程，不能把輪機理解成在機

艙中或甲板上機械設(shè)備的簡單組合。輪機工程是為滿足船舶的各種功能，把各種設(shè)備或部件

結(jié)合進各種系統(tǒng)的系統(tǒng)工程。由此，根據(jù)組成船舶輪機的各種系統(tǒng)、機械和設(shè)備所起作用的

不同，可以將其分為以下幾個部分：

1.主推進裝置一推動船舶航行的系統(tǒng)。包括主機及附屬系統(tǒng)、傳動設(shè)備、軸系和推進

器。主機發(fā)出動力，通過傳動設(shè)備及軸系驅(qū)動推進器產(chǎn)生推力，使船舶克服阻力以某一航速

航行。

2.輔助裝置一產(chǎn)生各種能量供應(yīng)船舶航行、作業(yè)和生活設(shè)施的需要。包括供全船使用

的船舶電站、輔鍋爐、液壓泵站和壓縮空氣系統(tǒng)等。

3.確保船舶生命力利安全的設(shè)備，以保證船舶的抗沉性和安全性。包括艙底水系統(tǒng)、

監(jiān)視及滅火系統(tǒng)等。當(dāng)船舶貨艙或機艙進水或發(fā)生火災(zāi)時，及時發(fā)現(xiàn)并消滅險情，以保證船

舶安全。

4.確保船舶工作能力的設(shè)備，包括錨機、舵機、裝卸貨設(shè)備以及滿足船舶各種專用功

能的設(shè)備，這些設(shè)備能滿足船舶正常的靠離港、裝卸貨物以及其它用途。

5.保證船上人員正常生活的設(shè)備，包括通風(fēng)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、生活水系統(tǒng)

等。這些系統(tǒng)及設(shè)備能為船上人員提供舒適的生活條件和工作環(huán)境。

6.能夠有效環(huán)保地處理船舶產(chǎn)生的各種垃圾的系統(tǒng)，包括油水分離系統(tǒng)、生活污水處

理系統(tǒng)以及焚燒爐等。這些系統(tǒng)及設(shè)備能有效地處理船舶生活場所及工作場所所產(chǎn)生的各種

污染物，保證船舶不會對大氣及海洋產(chǎn)生污染。

船舶輪機的組成情況大體如上所述，但不能?概而論。隨著船舶的大小、種類、用途、

航線等情況不同將會有所變化。如油輪就沒有起貨裝置，而必須有貨油泵和惰性氣體系統(tǒng)；

經(jīng)?？侩x碼頭的船舶往往設(shè)有側(cè)推器；大型客輪通常設(shè)有減搖裝置；工程船根據(jù)任務(wù)不同就

更具特色。

1.1.3船舶動力裝置的分類

按照慣例，通常把推進船舶的機械稱為“主機”，相應(yīng)地把其他的一些機械設(shè)備定義

為“輔機船舶主機無論從重要程度還是制造成本來看，都處于最顯著的地位，因此船

舶動力裝置一般按主機的型式進行分類：

1.蒸汽動力裝置：

利用鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽來工作的機器叫蒸汽機。蒸汽機分為往復(fù)式蒸汽機和回轉(zhuǎn)式蒸汽

機兩種。往復(fù)式蒸汽機最早應(yīng)用于海船，后來由于其它發(fā)動機的挑戰(zhàn)，因其經(jīng)濟性差、體積

和重量大而被取代。汽輪機自裝船使用以來，由于受柴油機的挑戰(zhàn)，一直發(fā)展比較慢，目前

只有少數(shù)的大型油輪或化學(xué)品船及軍用船舶采用汽輪機作為主推進裝置。

2.柴油機動力裝置

利用燃料直接在機器內(nèi)部燃燒所產(chǎn)生的燃氣來工作的機器叫內(nèi)燃機。根據(jù)所用燃料(如

汽油、柴油等)的不同，內(nèi)燃機分為汽油機、柴油機等。采用柴油機作為主機的動力裝置稱

為柴油機動力裝置。柴油機經(jīng)濟性好，安全可靠，目前絕大多數(shù)商用船舶采用這種動力裝置。

3.燃氣輪機動力裝置

利用燃料燃燒所產(chǎn)生的燃氣推動葉輪回轉(zhuǎn)的機器稱為燃氣輪機。采用燃氣輪機作為主機

的動力裝置稱為燃氣輪機動力裝置。這種動力裝置由于經(jīng)濟性差、低負荷運轉(zhuǎn)性能差等原因，

只在少數(shù)商船上得以應(yīng)用，但在軍用艦艇上應(yīng)用較廣。

4.聯(lián)合動力裝置

為滿足軍用艦艇的需要，將上述三種動力裝置聯(lián)合加以采用，作為船舶的推進裝置稱為

聯(lián)合動力裝置。聯(lián)合動力裝置的型式有蒸燃聯(lián)合，柴燃聯(lián)合，燃燃聯(lián)合等。這幾種聯(lián)合動力

裝置在商船上應(yīng)用極少。此外還有另外一種聯(lián)合動力裝置型式一電力推進裝置，這種裝置是

船舶柴油機驅(qū)動發(fā)電機，將產(chǎn)生的電力提供給船舶電站，由船舶電網(wǎng)供電給帶動螺旋槳的電

動機。電力推進主要應(yīng)用在艦艇上，但由于其噪音小、機動性好等因素，在大型游輪等商用

船舶上也獲得了應(yīng)用，并且應(yīng)用前景廣闊。目前，一種吊艙式推進裝置(poddedpropulsion)

已在大型旅游船舶上取得了驚人的霸權(quán)地位。

5.核動力裝置

這類裝置利用原子反應(yīng)堆所發(fā)出的熱來產(chǎn)生蒸汽，供給汽輪機工作。若按主機類型分，

它也應(yīng)屬于汽輪機動力裝置。但為了突出它是采用原子反應(yīng)堆的裝置，所以稱之為原子能動

力裝置。這種動力裝置造價高，操縱、管理、檢查系統(tǒng)復(fù)雜，因此在商船上應(yīng)用甚少，主要

用于軍用艦艇上。

6.特種動力裝置

特種動力裝置是指在特種用途船舶上應(yīng)用或正在研究發(fā)展的動力裝置，如高速船上的噴

水推進裝置，正在研究的燃料電池推進裝置等等。

1.1.4對船舶動力裝置的要求

各種船舶動力裝置雖存在著類型、傳動方式及航區(qū)等條件的不同，但對一些基本性能卻

有著共同的要求。

1.可靠性：可靠性對船舶動力裝置來說具有特別重要的意義。船舶航行中，可能長期

離開陸地，若影響航行的重要部件發(fā)生故障，在復(fù)雜航行環(huán)境和嚴峻的氣象條件下，有可能

導(dǎo)致海損和嚴重的海洋污染?？煽啃圆蛔氵€會降低營運效益。

2.經(jīng)濟性：船舶在營運中，動力裝置的運行及維護費用占船舶總費用的比例很大，現(xiàn)

在已超過50%,為提高船舶的營運效益，使船東能獲得最大的經(jīng)濟效益，必須盡量提高動

力裝置的經(jīng)濟性。

3.機動性：船舶機動性指的是改變船舶運動狀態(tài)的靈敏性，它是船舶安全航行的重要

保證。船舶啟航、變速、倒航和回轉(zhuǎn)性能是船舶機動性的主要體現(xiàn)。

4.重量和尺度：動力裝置的重量和尺度直接影響船舶裁貨量和貨艙容積，因此為了提

高船舶的經(jīng)濟效益，應(yīng)力求減少動力裝置的重量和尺度。

5.續(xù)航力：續(xù)航力是指船舶不需要補充任何物資(燃油、滑油、淡水等)所能航行的

最大距離或最長時間。它是根據(jù)船舶的用途和航區(qū)確定的。為了滿足船舶續(xù)航力的要求，船

上必須設(shè)有足夠大小的油、水艙柜。

除了以上要求外，還要求動力裝置便于維護管理，有一定的自動化程度，振動輕、

噪音小，同時必須能滿足造國家和國際相關(guān)海事機構(gòu)制定的規(guī)則和規(guī)范。

1.1.5船舶機艙自動化等級和主機遙控

1.船舶機艙的自動化等級

隨著造船工業(yè)的發(fā)展，船舶機艙的自動化程度越來越高，為了表示船舶機艙的自動化程

度，中國船級社(CCS)給不同自動化等級的機艙設(shè)立了附加標(biāo)志：

AUT-0—推進裝置由駕駛室控制站遙控，機器處所包括機艙集中控制室(站)周期無人

值班；

MCC一機艙集中控制室(站)有人值班對機電設(shè)備進行監(jiān)控；

BRC一推進裝置由駕駛室控制站遙控，機器處所有人值班。

應(yīng)當(dāng)需要強調(diào)的是，所有具有自動化等級附加標(biāo)志的入級船舶的安全性，應(yīng)與機電設(shè)備

有人直接看管的船舶相同。并應(yīng)有措施保證當(dāng)自動化系統(tǒng)失效時，能在機旁對機電設(shè)備進行

有效的人工操作。

由于現(xiàn)代控制系統(tǒng)的完善和控制設(shè)備的可靠工作，機艙可以在較長時間內(nèi)無須有人值

班。這種在一定時間內(nèi)無人值班的機艙，稱無人機艙。中國船級社(CCS)無人機艙的附加標(biāo)

志為AUT-0,英國勞氏船級社(LR)的附加標(biāo)志為UMS(UnattendedMachinerySpaces)o目

前新造遠洋船舶基本都采用了無人機艙，為了在機艙設(shè)備無人照看期間確保機艙設(shè)備和船舶

的安全，無人機艙的船舶必須具備以下基本功能：

能在駕駛室和集控室對主機進行遙控；

輔助機械設(shè)備能在集控室進行遙控，其中有些設(shè)備還要能進行臼動切換；

機械設(shè)備的運行參數(shù)能夠自動控制；

對主機和輔助機械運行參數(shù)進行集中監(jiān)測、記錄、報警及故障保護；

能夠提供應(yīng)急電力，包括自動起動備用發(fā)電機，自動實現(xiàn)同步并車、負載轉(zhuǎn)移及解列，

自動起動應(yīng)急發(fā)電機向基本設(shè)備供電和提供應(yīng)急照明等。

能夠進行機艙及全船火警探測和自動滅火。

在具有上述全部功能或主要功能的基礎(chǔ)匕根據(jù)設(shè)備的可靠程度，可以實行8h、16h

或24h無人機艙。在實行無人機艙的船舶上，輪機長房間和輪機員房間都設(shè)有對主要運行參

數(shù)的故障報警和故障顯示的裝置。輪機員除了定期到機艙巡視檢查外，不需要到機艙值班。

只要把轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)到值班輪機員房間，值班輪機員在房間內(nèi)就可以監(jiān)視機艙內(nèi)各種機械設(shè)備

的運行情況。如果發(fā)生故障或出現(xiàn)不正常現(xiàn)象，由值班輪機員下機艙進行必要的處理。

2.主機遙控

主機遙控是指，離開機旁在駕駛臺或集中控制室對主機進行遠距離操縱的一種方式。按

照所利用的能源，主機遙控系統(tǒng)可以分為全氣動方式，全電氣方式以及氣一電混和式三種。

全氣動方式遙控系統(tǒng)的控制元件結(jié)構(gòu)簡單，動作可靠，便于維護管理，并具有較大的輸

出功率。但對氣源的要求較高，否則氣動元件可能由于臟堵、銹蝕、長阻等原因產(chǎn)生誤動作。

此外，因為空氣的可壓縮性和流動阻力，氣動元件的響應(yīng)速度較慢，當(dāng)氣壓信號傳遞距離較

遠時，會出現(xiàn)較大的滯后現(xiàn)象。

電氣控制系統(tǒng)的優(yōu)點是，信號的遠距離傳遞迅速，元件體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，保養(yǎng)工作量

小，能實現(xiàn)較復(fù)雜的邏輯控制功能。特別是便于采用單片機或微型計算機控制，以實現(xiàn)更加

完善的控制功能。但是這種系統(tǒng)的工作性能可能會受溫度和電氣干擾，同時要求管理人員具

有較高的電氣管理水平。

氣一電式遙控系統(tǒng)綜合了前兩種控制系統(tǒng)的優(yōu)點，比較受歡迎，是目前應(yīng)用較多的控制

方式。

1.1.6輪機人員的職責(zé)與分工

輪機人員的職責(zé)分工在各船舶公司雖不盡相同，但大體上是一致的?；旧戏譃檫h洋和

近海兩類，其區(qū)別僅在于某些機械設(shè)備的主管檢修分工有所不同。

1.輪機長

(1)輪機長是全船機械、動力、電氣(無線電通信導(dǎo)航和甲板部使用的電子儀器除外)

設(shè)備的技術(shù)總負責(zé)人，同時也是船舶的主要領(lǐng)導(dǎo)。

(2)制定本船各項機電設(shè)備的操作規(guī)程、保養(yǎng)檢修計劃、值班制度、貫徹執(zhí)行各項規(guī)

章制度，保證安全生產(chǎn)。

(3)負責(zé)組織輪機員、電機員、冷臧員制定修船計劃、編制修理單和預(yù)防檢修計劃，

組織領(lǐng)導(dǎo)修船，進行修船工作的驗收。

(4)負責(zé)燃油、潤滑油、物料、備件的申領(lǐng)，造冊保管和合理使用，節(jié)約能源，降低

成本。

(5)負責(zé)保管輪機設(shè)備的證書、圖紙姿料、技術(shù)文件，及時報告船長申請檢驗。

(6)經(jīng)常親自檢查機電設(shè)備的運行情況，調(diào)整不正常的運行參數(shù)，檢查和簽署輪機日

志、電機日志。指導(dǎo)相關(guān)輪機員或自己填寫油類記錄簿。

(7)培訓(xùn)和考核輪機人員。

(8)在發(fā)生緊急事故時指揮機艙人員進行搶修和搶救工作。

(9)監(jiān)督和簽署輪機員、電機員、冷藏員的調(diào)任交接工作。

2.大管輪

(1)大管輪是輪機長的主要助手，在輪機長的領(lǐng)導(dǎo)下進行工作，輪機長不在時代理輪

機長的職務(wù)。大管輪負責(zé)領(lǐng)導(dǎo)輪機部人員進行機電設(shè)備管理、操作、保養(yǎng)和檢修工作，教育

所屬人員嚴格遵守工作制度，操作規(guī)程和勞動紀律，保證輪機部的各種規(guī)章制度正確執(zhí)行，

保證按時完成輪機部的航次計劃和晝夜計劃工作。

(2)負責(zé)維持機艙秩序，對機艙、工作間、材料間、備件工具及機電設(shè)備的整潔進行

監(jiān)督利檢查，防止銹蝕、損壞和遺失，負責(zé)組織輪機部各艙室的油漆工作。

(3)負責(zé)保持輪機部有關(guān)安全的設(shè)備，如應(yīng)急艙底閥、燃油應(yīng)急開關(guān)、機艙水密門、

安全閥、機艙滅火設(shè)備、起重設(shè)備、危險警告牌、重要的防護裝置等經(jīng)常處于可靠狀態(tài)，定

期進行必要的檢查試驗，并負責(zé)指導(dǎo)有關(guān)人員熟悉正確的管理和使用方法。

(4)負責(zé)管理主機、軸系及為主機直接服務(wù)的輔機，并負責(zé)管理舵機、冷藏設(shè)備，貫

徹執(zhí)行操作規(guī)程，并對操作管理方法隨時提出改進意見，經(jīng)輪機長批準執(zhí)行。不設(shè)電機員的

船舶，還應(yīng)負責(zé)其管理設(shè)備的電氣部分的維修和保養(yǎng)工作。

(5)負責(zé)編制本人管理的機械設(shè)備的計劃修理單、航次修理單和自修計劃；審核和匯

編其他輪機員的修理單和自修計劃，并維護機艙的安全。

(6)負責(zé)綜合輪機部的預(yù)防檢修和自修計劃，在輪機長批準后執(zhí)行。

(7)負責(zé)貫徹執(zhí)行輪機部備件和物料的定額制度，及時收集、綜合并審查工具、備件、

物料的申領(lǐng)單交輪機長核定。

(8)負責(zé)保管本人使用過的技術(shù)文件、儀器、工具等。

(9)負責(zé)安排航行及停泊時的檢修工作，組織領(lǐng)導(dǎo)檢查、清潔、油漆工作。

(10)監(jiān)督輪機部一般船員的交接工作。

3.二管輪

(1)在輪機長和大管輪的領(lǐng)導(dǎo)下進行工作，負責(zé)管理發(fā)電原動機及為它服務(wù)的機械設(shè)

備、機艙內(nèi)部分輔機和輪機長指定由他負責(zé)的其他設(shè)備。

(2)負責(zé)指定本人主管的機械設(shè)備的預(yù)防檢修計劃，進行檢查、測量及修理，記載并

保管修理記錄簿。不設(shè)電機員的船舶，還應(yīng)負責(zé)其管理設(shè)備的電氣部分的維修和保養(yǎng)工作。

(3)負責(zé)編制本人主管的機械設(shè)備的計劃修理單和航次修理單，提交大管輪審核，修

理期間，協(xié)助監(jiān)工，驗收并參加自修工作。

(4)負責(zé)本人主管的機械設(shè)備的備件和專用物料的申領(lǐng)、驗收和報銷，妥善保管，防

止銹蝕、損壞或遺失。

(5)負責(zé)加裝燃油(駁油)，進行燃油的測量、統(tǒng)計和記錄工作(外派船一般由三管輪

負責(zé))。

(6)負責(zé)保管撥交本人使用的技術(shù)文件、儀器、工具和備件等。

(7)在航行時輪值航行班。停泊時，領(lǐng)導(dǎo)由大管輪指派的人員進行檢修工作，并與大、

三管輪輪流留船值班。

4.三管輪

(1)在輪機長和大管輪的領(lǐng)導(dǎo)下工作，負責(zé)管理甲板機械及泵、救生艇、應(yīng)急救火泵、

油水分離器、焚燒爐、空調(diào)機、輔鍋爐及其附屬設(shè)備和輪機長指定的其它輔機和設(shè)備。

(2)負責(zé)制訂本人主管的機械和設(shè)備的預(yù)防檢修計劃，進行檢查測量及修理，記載并

保管修理記錄簿。不設(shè)電機員的船舶，還應(yīng)負責(zé)其管理設(shè)備的電氣部分的維修和保養(yǎng)工作。

(3)負責(zé)編制本人主管的機械設(shè)備的修理計劃、修理單和航次修理單，提交大管輪審

核。

(4)負責(zé)本人主管的機械設(shè)備的備件和專用物料的申領(lǐng)、驗收和報銷，監(jiān)督妥善保管,

防止銹蝕、損壞或遺失。

(5)負責(zé)保管撥交本人使用的技術(shù)文件、儀器、工具和備件等。

(6)在航行時值航行班，停泊時領(lǐng)導(dǎo)由大管輪指派的人員進行檢修工作，并與大、二

管輪留船值班。

5.電機員

(1)在輪機長的直接領(lǐng)導(dǎo)下，領(lǐng)導(dǎo)電助、電工進行工作。負責(zé)船舶電氣設(shè)備的管理、

保養(yǎng)和檢修工作。

(2)負責(zé)管理、保養(yǎng)發(fā)電機、電動機、應(yīng)急安全設(shè)備線路、避雷裝置、電操舵裝置、

照明設(shè)備、有線電話、電氣儀表、電導(dǎo)航及無線電通訊設(shè)備的強電部分及其他電氣設(shè)備。

(3)根據(jù)預(yù)防檢修制度，制定電氣設(shè)備的預(yù)防檢修計戈U，提交輪機長批準后執(zhí)行。

(4)負責(zé)編制電氣部分的計劃修理和航次修理的修理單，提交輪機長審核，廠修期間

監(jiān)督并驗收廠修工程，參加并組織領(lǐng)導(dǎo)電助、電工、實習(xí)生或大管輪派給的人員進行自修工

作。

(5)開航前，做好開航準備工作。

(6)負責(zé)電氣備件、材料、物料及專用工具的申領(lǐng)、驗收、統(tǒng)計和報銷，指定專人負

責(zé)保管上述物品并負責(zé)管理記帳簿。

(7)負責(zé)保管電工日志，按時提交輪機長審簽，航次結(jié)束時編制航次報告，提交輪機

長審簽上報。

(8)保管電氣設(shè)備的技術(shù)文件、圖紙。

6.冷藏專員

(1)在輪機長和大管輪領(lǐng)導(dǎo)下領(lǐng)導(dǎo)冷藏機工進行工作。

(2)按照輪機長的指示，參加并組織領(lǐng)導(dǎo)冷藏機工或由大管輪派給的人員輪流值班和

進行檢修工作。

(3)負責(zé)檢查并按時記錄冷藏庫內(nèi)的溫度、濕度，使其經(jīng)常處于規(guī)定的變化幅度之內(nèi)；

經(jīng)常檢查并保持冷臧庫系和設(shè)備的完整可靠，冷臧設(shè)備發(fā)生故障時，應(yīng)立即報告輪機長，并

及時進行檢修。

(4)應(yīng)貫徹執(zhí)行冷藏設(shè)備的操作規(guī)程，防止泄漏，杜絕事故，延長使用壽命，保證冷

凍物品的質(zhì)量，不斷研究改進管理辦法，報經(jīng)輪機長批準后執(zhí)行。

(5)負責(zé)保持冷藏機室、修理間、材料庫、冷藏機及管系和有關(guān)設(shè)備的清潔整齊。

(6)制訂預(yù)防檢修計劃，報經(jīng)輪機長批準執(zhí)行。

(7)編制計劃修理和航次修理的修理單，提交輪機長審批。

(8)負責(zé)冷凍設(shè)備所需工具、備件、物料的申領(lǐng)、驗收、統(tǒng)計和報銷，監(jiān)督物料和備

件的合理使用。

(9)負責(zé)管理冷藏日志，按時提交輪機長審簽。

(10)保管冷藏設(shè)備的有關(guān)技術(shù)文件。

1.2熱工基礎(chǔ)知識

輪機在工程上被稱之為船舶動力裝置，常規(guī)的船舶動力裝置均屬于熱能動力裝置，如蒸

汽動力裝置、柴油機動力裝置以及燃氣輪機動力裝置等，熱能動力裝置是將燃料燃燒產(chǎn)生的

熱能的一部分轉(zhuǎn)化為機械能的裝置。要想對熱能動力裝置有一個清晰的認識，必須具有一定

的熱工基礎(chǔ)知識。

1.2.1熱力狀態(tài)參數(shù)

一、工質(zhì)

熱能動力裝置中將熱能轉(zhuǎn)化為機械能的各種流動介質(zhì)，稱為“工質(zhì)”。例如，燃氣是內(nèi)燃

機做功的工質(zhì)，水蒸汽是蒸汽機做功的工質(zhì)。在熱能動力裝置中，把熱能轉(zhuǎn)化為機械能是通

過工質(zhì)受熱膨脹做功來實現(xiàn)的。因此，作為工質(zhì)的物質(zhì)必須具有良好的膨脹性和流動性。

二、狀態(tài)參數(shù)

在對熱能動力裝置進行熱力學(xué)分析時，通常要在相互作用的各種熱力設(shè)備中劃分出一

個(或幾個)作為研究對象，這種被劃分出來的研究對象稱為熱力系統(tǒng)。要對熱力系統(tǒng)進行

分析，首先需要對系統(tǒng)的熱力狀態(tài)進行描述。在熱力學(xué)中，用來描述系統(tǒng)宏觀特性的物理量

稱為系統(tǒng)的熱力狀態(tài)參數(shù)，簡稱狀態(tài)參數(shù)。常用的狀態(tài)參數(shù)有壓力、溫度、容積、內(nèi)能、爛

和嫡等六個參數(shù)。而壓力、溫度、容積三個狀態(tài)參數(shù)，可直接通過儀表來測量，因此工程上

稱它們?yōu)榛緺顟B(tài)參數(shù)。狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值唯一由系統(tǒng)的狀態(tài)來確定，當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)變化時，狀

態(tài)參數(shù)的變化量，只與系統(tǒng)的初、終狀態(tài)有關(guān)，而與變化過程或途徑無關(guān)。

1.壓力

在工程熱力學(xué)中，把工質(zhì)垂直作用在單位容積壁面或分界面上的力稱為壓力。氣體的壓

力是氣體分子撞擊壁面的宏觀結(jié)果，因此氣體作用在器壁上的壓力與單位容積內(nèi)的分子數(shù)和

分子的平均移動動能成正比。

壓力的單位分為國際單位制，工程單位制和英制單位。在國際單位中的力的單位為N/m2,

稱為“帕”，以符號Pa表示，實際多用l()6pa,稱為“兆帕”,以符號MPa表示。各單位之

間的換算關(guān)系如表1—1所示。

表1—1壓力單位換算表

帕斯卡巴工程氣壓標(biāo)準氣壓磅力/英寸12毫米汞柱米水柱

(Pa)(bar)(at)(atm)(psi)(Torr)

N/m210N/m2kgf/cm2IbfYin2

760mmHgmmHgMH2O

5

110"51.0197X100.9869X1()7I.45X1()77.5X1031.021X104

(1)大氣壓力

大氣壓力是由地面上幾百公里高的空氣層的重量所引起的，以p力表示，其中下標(biāo)b表

示barometric(大氣壓力)。有時下標(biāo)也用a,表示atmosphericpressure(大氣壓力)。其大小

隨緯度、高度、空氣溫度和水蒸氣含量而變化。物理學(xué)中把緯度45度平均海平面上常年大

氣壓的平均值定義為標(biāo)準大氣壓，以符號atm表示。工程上現(xiàn)已規(guī)定latm=760mmHg=

101325Pa=0.101325MPao

(2)絕對壓力

工質(zhì)作用在器壁上的實際壓力稱為“絕對壓力”，以p表示。

(3)表壓力

用壓力表測得的壓力數(shù)值稱為“表壓力”，以p?表示，其中下標(biāo)g表示gauge(測量儀

表)。壓力表測定的壓力是以大氣壓力作為測量基準，其數(shù)值不是絕對壓力，而是絕對

壓力與當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Φ牟钪?，?/p>

Pg=P-Pb

(4)真空度

當(dāng)容器內(nèi)的絕對壓力比大氣壓低時，用壓力表測得的壓力為負值，取其絕對值，稱為“真

空度”，以p,,表示，其中下標(biāo)v表示vacuum(真空)。真空度也是表壓，其數(shù)值是當(dāng)?shù)卮髿?/p>

壓與絕對壓力的差值，即

P、，=Pi,-P

表壓力和真空度是以當(dāng)?shù)卮髿鈮簽榛鶞实南鄬毫?，表壓力表示比大氣壓力高出的壓?/p>

值，真空度表示比大氣壓力低的壓力值，它們之間的關(guān)系如圖1—3所示。

在工程計算中，當(dāng)，時，可近似取p,=0.1MPa,則絕對壓力

p=p,,+0.IMpa

圖1-3表壓力、真空度和絕對壓力的關(guān)系

2.溫度

溫度是表明工質(zhì)冷熱程度的狀態(tài)參數(shù)，以f表示。溫度的數(shù)值表示方法叫做溫標(biāo)。常用

的溫標(biāo)有以下三種：

(1)華氏溫標(biāo)在標(biāo)準大氣壓下，將純水的冰點標(biāo)定在32度，沸點為212度，再這兩

點之間均為180等分，取其中的1份稱為華氏1度，記做1°F；用符號表示。

(2)攝氏溫標(biāo)在標(biāo)準大氣壓下，將純水的冰點標(biāo)定在0度，沸點為100度，再這兩

點之間均為100等分，取其中的1份稱為攝氏1度，記做1℃；用符號t°C表示。

(3)開爾文溫標(biāo)又稱絕對溫標(biāo)或熱力學(xué)溫標(biāo)，以攝氏零下273.15度為零度，每度的

間隔和攝氏溫標(biāo)相同。1度記做1K,用符號TK表示。三種溫標(biāo)之間的換算關(guān)系是：

rF=9/5xrC+32

f°C=5/9(f°F-32)

TK=/℃+273.15

3.比容和密度

質(zhì)量為1kg的工質(zhì)所占的容積稱為比容，用符號u表示，單位為nWkg。設(shè)質(zhì)量為〃zkg

的工質(zhì)所占容積為Vm3,則其比容u為

v=V/mm3/kg

1n?工質(zhì)具有的質(zhì)量稱為密度，用符號「表示，單位為kg/m3。設(shè)Vrtf工質(zhì)的質(zhì)量為

機kg,則密度為

p=mN

由以上兩式可知，比容v和密度0互為倒數(shù)，即

P=1/V或V=1/p

4.理想氣體狀態(tài)方程

根據(jù)氣體的試驗定律推導(dǎo)的氣體的基本狀態(tài)參數(shù)P、丫、T之間的關(guān)系即狀態(tài)方程為

pv=RT

更精確的試驗表明，并非所有氣體的p、八T之間的關(guān)系和上式完全相同，有時候偏

離很大，而把完全符合上式的氣體稱為理想氣體。而稱上式為理想氣體狀態(tài)方程。式中的R

稱為氣體常數(shù)，其數(shù)值只與氣體種類有關(guān)，而與氣體狀態(tài)無關(guān)，單位為J/(kg-K)o例如空

氣的R為29.3J/(kg?K),氧氣為26.5J/(kg?K),氮氣為30.3J/(kg?K),二氧化碳為19.3

J/(kg?K)?

在熱能動力裝置中所用的空氣和燃氣以及空氣調(diào)節(jié)設(shè)備中的空氣中所含的少量水蒸氣，

均可以按理想氣體進行計算。然而蒸汽動力裝置中的水蒸氣以及壓縮制冷裝置中的制冷劑蒸

汽，不能當(dāng)作理想氣體，不能按適用于理想氣體的狀態(tài)方程進行計算。

1.2.2熱與功

一、熱量

在熱力學(xué)中，把系統(tǒng)和外界由于溫差而通過邊界傳遞的能量稱為熱量，用符號Q表示。

外界給系統(tǒng)加熱，Q取正值，反之，系統(tǒng)對外界放熱，Q取負值。

熱量單位在SI制中為kJ(千焦耳)，工程單位為kcal(千卡或大卡)。Ikcal即在標(biāo)準大

氣壓下將質(zhì)量為1kg純水的溫度，從145c升到155c所吸收的熱量。在英制單位中是將

標(biāo)準大氣壓下1b純水的溫度，從59SF升高到605F所吸收的熱量規(guī)定為一個熱量單位，

稱為BTU(英制單位)。三種單位之間換算關(guān)系為

IkJ=0.2388kcal=0.9488BTU

對質(zhì)量為1kg工質(zhì)的加熱量(或放熱量)稱為單位質(zhì)量熱量，用符號q表示，其單位為

kJ/kg或kcal/kg.

二、功

在熱力學(xué)中，功的定義為“當(dāng)封閉系統(tǒng)(與外界沒有物質(zhì)交換的熱力學(xué)系統(tǒng))通過邊界

和外界之間發(fā)生相互作用時，如外界的唯一作用是升起重物，則系統(tǒng)對外界做了功；反之，

如外界的唯一效果是降低重物，則外界對系統(tǒng)做了功”。

如圖1—4所示，取氣缸中有一定質(zhì)量的高壓氣體作為封閉系統(tǒng)，活塞、曲柄連桿機構(gòu)

和重物為外界。則當(dāng)系統(tǒng)膨脹時，系統(tǒng)通過邊界，對外界做功使重物升起。相反如重物受外

界力的作用下降，則外界通過邊界對系統(tǒng)做功，使系統(tǒng)壓縮。

功的單位，在工程制中為kgf?m,在SI制中為N?m,即焦耳。二者之間的換算關(guān)系

為：

1kgf?m=9.8N?m=9.8J

工程中稱單位時間內(nèi)所作的功為“功率”，其單位為“馬力”，或“千瓦”。它們之間的

關(guān)系為

Ips=75kgf.m/s=0.735kW

英制馬力(hp)比工程制馬力(ps)大一點，即

Ips=0.986hp

圖1-4封閉系統(tǒng)作功

三、功和熱量的關(guān)系

功和熱量均為系統(tǒng)與外界之間能量傳遞的方式，兩者都是傳遞過程中出現(xiàn)的能量，單純

說某個系統(tǒng)具有多少功或熱量是沒有意義的。但是兩者有著本質(zhì)的區(qū)別，熱量是不規(guī)則熱運

動的能量傳遞方式，功則是規(guī)則運動的能量傳遞方式。功可以完全地轉(zhuǎn)化為熱，熱卻只能部

分地轉(zhuǎn)化為功，而且只能通過工質(zhì)的熱膨脹來實現(xiàn)。

四、熱效率

圖1—5為內(nèi)燃機動力裝置的工作原理簡圖。燃油在高壓下噴入汽缸，同汽缸內(nèi)的空氣

混合燃燒產(chǎn)生熱量Q1,高溫高壓的燃氣膨脹推動活塞移動，并通過連桿曲柄機構(gòu)變成回轉(zhuǎn)

運動，帶動推進器回轉(zhuǎn)，對外界做機械功W?做功后的低溫低壓燃氣排出汽缸，并帶走熱

量Q2.完成一個工作循環(huán)。根據(jù)能量守恒定律，工質(zhì)在一個循環(huán)中，對外界做的機械功等

于從高溫?zé)嵩次盏臒崃縌i減去傳給低溫?zé)嵩吹臒崃縌2,即

W=Q-Q2

圖1-5內(nèi)燃機工作原理

我們把效果與代價之比稱為熱效率1，它是衡量熱能動力裝置的一個經(jīng)濟性指標(biāo)：

〃=效果/代價=W/Q產(chǎn)（Q「Q2）/QI=1—Q2/Q,

由于工質(zhì)向低溫?zé)嵩捶艧崾遣豢杀苊獾?，因此Q2永遠不可能為0,熱效率〃也就不可能

等于1,即熱效率〃永遠小于100%。最理想的循環(huán)，即效率最高的循環(huán)就是所謂的“卡諾

循環(huán)”，其熱效率只與高溫?zé)嵩吹慕^對溫度T1和低溫?zé)嵩吹慕^對溫度T2有關(guān)，用公式表示

為

”講=(T)—To)/T|=1—T2/T1

1.2.3水蒸氣與濕空氣

一、水蒸氣的性質(zhì)

水在latm下加熱到100℃開始沸騰，再繼續(xù)加熱，水逐漸變?yōu)檎羝鴾p少，這個過程

稱為汽化過程。當(dāng)壓力變化時，水開始沸騰的溫度也開始變化，因此，將在一定壓力下水開

始沸騰的溫度稱為該壓力下水的“飽和溫度”。壓力越高對應(yīng)的飽和溫度越高，如在2atm下

的飽和溫度為120℃。同樣在某一溫度下，壓力只有下降到某一定值時水才開始沸騰，我們

稱在一定溫度下，水開始沸騰時的壓力為該溫度下的“飽和壓力”。水蒸氣的飽和壓力僅與

溫度有關(guān)，溫度越高，飽和壓力越高，飽和壓力和飽和溫度是一一對應(yīng)的關(guān)系。

水在等壓加熱汽化過程中，水和蒸汽的溫度均高于飽和溫度，而且保持不變。當(dāng)水完全

汽化為蒸汽后，再繼續(xù)加熱蒸汽溫度就會升高，壓力不變。這樣的蒸汽稱為過熱蒸汽。過熱

蒸汽的溫度f與飽和溫度之差為過熱度△/,即

△r=t—ts

二、濕空氣

自然界的空氣多少都含有--些水蒸氣，工程上稱為“濕空氣”。空氣中可以含有水蒸氣

的最大限度值與溫度有關(guān)，溫度越高，最大限度值就越大。如果空氣中所含水蒸氣已經(jīng)達到

最大量，稱這時的濕空氣為“飽和空氣”，通俗，?點講，就是“喝飽水的空氣”。如果不是飽

和空氣，空氣就有繼續(xù)吸水能力，這是的濕空氣稱為“未飽和空氣”，通俗一點講，就是“未

喝飽水的空氣”。

在一定溫度下，In?濕空氣中所含的水蒸氣與lm3飽和空氣所含的水蒸氣量之比稱“相

對濕度”。由此可見，干空氣中不含水蒸氣，其相對濕度為零，而飽和空氣的相對濕度為

100%。相對濕度表示了濕空氣接近飽和空氣的程度。

未飽和空氣如果在等壓下冷卻，其相對濕度將隨溫度下降而升高，當(dāng)相對濕度達到100%

時所對應(yīng)的溫度，稱為該濕空氣的露點溫度，簡稱為露點。當(dāng)未飽和空氣溫度達到露點時，

就會有水蒸氣凝結(jié)出來，出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。

1.2.4傳熱的三種基本方式

熱傳遞過程相當(dāng)復(fù)雜，為了便于分析，按照熱傳遞過程中物質(zhì)運動的特點，熱傳遞可分

為三種基本方式：導(dǎo)熱、對流換熱、輻射換熱。

一、導(dǎo)熱

當(dāng)物體各部分溫度不同時，熱量就會自發(fā)的從溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分。

這種不依賴于物體各部分的相對位移而在物體內(nèi)部進行的熱量傳遞稱為導(dǎo)熱。

單位時間內(nèi)通過屏蔽的導(dǎo)熱量Q稱為導(dǎo)熱熱流量。導(dǎo)熱傳遞的熱量Q與壁面兩側(cè)表面

溫差A(yù)t及垂直熱流的截面積F成正比，而與其厚度8成反比，另與材料性質(zhì)有關(guān)。即：

Q=入?△f?F/b

式中：Q—導(dǎo)熱熱流量，單位為W（瓦）：

F一垂直于導(dǎo)熱方向的物體橫截面面積，單位為n?（米2）：

物體厚度，單位為m米）;

/I一導(dǎo)熱系數(shù)，與材料的性質(zhì)有關(guān)，單位為W/（m?℃）。

不同物質(zhì)具有不同的4值，X值越大表明導(dǎo)熱性能越好。金屬的2值最大，非金屬固體

較大，液體較小，氣體的2值最小。

二、對流換熱

運動著的流體與固體表面接觸時的換熱過程成為對流換熱。對流換熱的傳熱量Q與傳

熱接觸面積F和傳熱溫差A(yù)t之間的關(guān)系為

Q=CF?△/

式中：△r—固體壁面溫度與液體或氣體溫度之差，單位為。c；

OC一放熱系數(shù)，單位為W/(m2?℃)

放熱系數(shù)。的大小表明對流換熱的強烈程度，液體或氣體流動時在壁面附近擾動程度越

強烈，放熱系數(shù)越大。液體或氣體在壁面附近產(chǎn)生相態(tài)變化時，放熱系數(shù)也較大。

三、輻射換熱

輻射換熱是靠電磁波中的可見光線和紅外線來傳遞熱量。它不需要冷、熱二物體直接接

觸，只要有溫差存在，就能進行輻射換熱。

任何溫度高于OK的物體，每時每刻都在以熱輻射的方式向外輻射熱量，與此同時、物

體又在每時每刻接受其他物體以熱輻射的方式向它輻射的能量。物體表面溫度越高，輻射的

熱量越多。當(dāng)輻射的熱量Q投射到一個物體時，部分能量QA被吸收，另一部分QR被反射,

其余能量QD透過物體，如圖1—6所示。被物體吸收的熱量QA與投射熱量Q之比稱為吸收

率A,即A=QA/Q

投射輻射能Q反射Q”

穿透6

圖1-6輻射能的吸收、反射和透射

物體之間的相互輻射或吸收，形成了輻射換熱過程。高溫物體總是輻射出更多的熱量被

低溫物體所吸收，輻射換熱量可用化簡的公式表示為：

Q=as.F2?△t

式中：a鏘一輻射換熱強弱的輻射放熱系數(shù)，單位為W/(m"℃)；

F2一吸收輻射熱的物體表面積，單位為m2；

△，一兩物體表面的溫度差，單位為。C。

四、傳熱過程

傳熱過程是以上三種傳熱方式的復(fù)合過程，例如，鍋爐中高溫燃氣與水的傳熱過程，就

同時具有導(dǎo)熱、對流換熱和輻射換熱三種基本方式。高溫燃氣對爐膽壁面的傳熱以輻射和對

流兩種方式換熱，爐膽下壁面向爐膽上壁面的傳熱是以導(dǎo)熱方式進行，而爐膽上壁面向水的

傳熱過程是對流換熱方式。傳熱過程基本規(guī)律是傳熱溫差越大，傳熱量越多；傳熱面積越大，

傳熱量也越多。傳熱過程的傳熱量可由下式計算：

Q=KF?At

式中：F一傳熱面積，單位為m?；

△f一傳熱溫差，單位為。C;

K一傳熱系數(shù)，單位為W/(m2?℃)o

傳熱系數(shù)K表示在傳熱過程中除了△f、F以外其他各種因素對傳熱影響的強弱程度。

它包含了導(dǎo)熱系數(shù)4、厚度5、對流放熱系數(shù)a以及輻射放熱系數(shù)a姐的全部數(shù)值。傳熱系

數(shù)K越大，傳熱越強烈。

參考文獻

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[2]汪育才，王建斌，吳曉光，輪機概論，第3版，人民交通出版社，1991

[3]施仲笈，楊承參，施潤華，輪機學(xué)，上海交通大學(xué)出版社，1988

[4]HansKleinWoud,DouweStapersma,Marineengineeringdesignofpropulsionandelectric

powergenerationsystems,London:IMarEst,2002

[51張志華，船舶動力裝置概論，哈爾濱工程大學(xué)出版社，2002

[6]程國瑞，船舶動力裝置原理，人民交通出版社，2001

復(fù)習(xí)思考題

1.簡述“輪機”的內(nèi)涵和外延。

2.船舶動力裝置的基本要求有那些？如何分類？

3.簡述功和熱量的關(guān)系。

4.簡述熱傳遞的三種基本方式及其特點。

5.何謂“飽和空氣”和“未飽和空氣”？

第2章船舶柴油機動力裝置

2.1柴油機工作原理

2.1.1概述

1.熱機

利用熱能的發(fā)動機稱為熱機。熱機的基本工作原理是：將燃料燃燒所獲得的熱能轉(zhuǎn)變成

機械能。根據(jù)燃料的化學(xué)燃燒過程是在發(fā)動機內(nèi)部進行，還是在外部進行，熱機分為外燃機

和內(nèi)燃機。如：蒸汽機、蒸汽輪機都是外燃機，而汽油機、柴油機就屬于內(nèi)燃機。

2.內(nèi)燃機

內(nèi)燃機是指燃料在發(fā)動機的內(nèi)部燃燒，并直接利用燃料燃燒產(chǎn)生的高溫高壓燃氣膨脹作

功的機械。在內(nèi)燃機中，燃料首先燃燒將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成熱能，再膨脹作功將熱能轉(zhuǎn)變

成機械能，即兩次能量轉(zhuǎn)換都在發(fā)動機內(nèi)部進行。外燃機的兩次能量轉(zhuǎn)換是分別在發(fā)動機內(nèi)

外進行的。

內(nèi)燃機根據(jù)燃用的燃料不同有汽油機、柴油機、燃氣輪機等。

3.柴油機

柴油機是采用柴油作燃料的壓燃式內(nèi)燃機。汽油機是用汽油作燃料的點燃式內(nèi)燃機。

2.1.2四沖程柴油機工作原理

1.柴油機的基本工作過程

在柴油機中要完成的兩次能量轉(zhuǎn)換，首先是燃燒。燃燒就要使柴油在有充分空氣的條件

下進入柴油機燃燒。另外，柴油機不是點燃的，而是在高溫下自己發(fā)火燃燒的。所以柴油機

中的空氣還要達到足夠高的溫度，而高溫的空氣是通過使空氣壓縮得到的，因此柴油機也稱

為壓燃式內(nèi)燃機。

柴油燃燒后將放出大量熱量，使燃氣的溫度和壓力劇增，同時也就具有了很強的膨脹做

功能力。通常把這種有了做功能力的高溫燃氣物質(zhì)稱為工質(zhì)。工質(zhì)在柴油機中膨脹，通過推

動活塞做功，最終膨脹結(jié)束失去做功能力，成為廢氣。為了新鮮空氣能夠再次進入柴油機中，

而使柴油機恢復(fù)做功能力，就要將廢氣排出。

因此，柴油機要使柴油在其中燃燒做功，并能夠連續(xù)不斷地工作下去，就需要有進氣、

壓縮、燃燒、膨脹、排氣五個過程。這五個過程既為柴油機的一個基本工作循環(huán)。

2.基本結(jié)構(gòu)

四沖程柴油機的基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。氣缸蓋上裝有進氣閥、排氣閥、噴油器。氣缸

中的活塞通過連桿和曲軸內(nèi)連。

圖2-1

3.工作原理

柴油機工作時，活塞在氣缸中做往復(fù)運動，通過曲柄連桿機構(gòu)將這一運動轉(zhuǎn)變成曲軸的

回轉(zhuǎn)運動?；钊敳吭跉飧字羞\動達到的氣缸最上位置稱為上止點，而運動達到的氣缸最下

位置稱為下止點?；钊麖纳现裹c運動到下止點，或從下止點運動到上止點稱為一個沖程，沖

程的長度就是上止點到下止點之間的距離，一般用S表示。曲軸每一轉(zhuǎn)，活塞有兩個沖程。

所謂四沖程柴油機是指柴油機的一個基本工作循環(huán)是由四個沖程完成的，既曲軸轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)。如

果曲柄半徑用R表示，則S=2R。

活塞位于上止點時，活塞頂部與氣缸蓋之間的容積稱為燃燒室容積Vc。

活塞位于下止點時，活塞頂以上的全部氣缸容積稱為氣缸總?cè)莘eVa。

活塞在上下止點之間移動所掃過的氣缸容積稱為氣缸工作容積Vs。

Vs=-D2*5

4

D——氣缸直徑

氣缸總?cè)莘e與燃燒室容積之比稱為壓縮比eo

VaVs+Vc

e-......=------------

VcVc

壓縮比是柴油機的一個重要參數(shù)。大型低速味油機的壓縮比值一般在11~13?

圖2-2所示，表示了柴油機基本工作循環(huán)的五個過程在四個沖程中的進行情況。

圖2-2

(1)第一沖程-----進氣沖程

活塞從上止點下行，進氣閥打開。由于氣缸容積逐漸增大，缸內(nèi)壓力降低，新鮮空氣通

過進氣閥被吸入氣缸。進氣閥一般在活塞到達上止點之前已經(jīng)提早打開。氣閥的開啟時刻用

曲柄位置來表示，如圖中所示。進氣閥開啟后，直到活塞運行到下止點之后才關(guān)閉。

(2)第二沖程-----壓縮沖程

空氣的壓縮過程是在活塞從下止點向上運動后，進氣閥關(guān)閉到活塞到達上止點為止。進

氣沖程吸入的新鮮空氣，經(jīng)過壓縮后，壓力升高到3~6MPa或更高，而溫度則會達到

600~700°Co燃油的自燃發(fā)火溫度一般為210~270°C。燃油在壓縮后期(上止點前)通過噴

油器噴入氣缸，與空氣混合，并在高溫下自燃發(fā)火燃燒。在這一沖程中，包括了進氣的延時、

空氣壓縮、燃油的噴入、燃油空氣混合及發(fā)火燃燒過程。

(3)第三沖程-----膨脹沖程

在這一沖程之初，是燃燒的繼續(xù)，并且是主要的燃燒階段。燃油在燃燒時氣缸內(nèi)的壓力

和溫度急劇升高，壓力達到5~8MPa，甚至更高。溫度達到1400~1800°C,甚至更高?；钊?/p>

在上止點之后，在燃氣壓力作用下被推向下行。由于氣缸容積不斷增大，壓力開始降低，在

上止點后的某一時刻，燃燒基本結(jié)束。氣缸中的壓力和溫度隨著燃氣的膨脹繼續(xù)下降，直到

排氣閥開啟，膨脹結(jié)束。這時燃氣壓力下降至2.5~4.5MB左右，溫度降至600~700°C左右。

在這一沖程中，排氣閥是在活塞運行到下止點之前就打開的，即膨脹沖程是在下止點之前就

結(jié)束了。

(4)第四沖程-----排氣沖程

在膨脹沖程末期，排氣閥開啟，廢氣通過排氣閥排出，氣缸內(nèi)的壓力和溫度迅速下降。

這時活塞仍在下行，廢氣的排出是靠氣缸內(nèi)外的壓力差經(jīng)排氣閥排出氣缸。當(dāng)活塞由下止點

上行后，廢氣是靠活塞推出氣缸的，這時的排氣過程是在高于大氣壓力并且壓力基本保持不

變的情況下進行的。排氣閥一直延遲到上止點之后才關(guān)閉。

經(jīng)過上述四個沖程，柴油機完成了?個工作循環(huán)。當(dāng)活塞繼續(xù)運動時，又一個新的循環(huán)

開始了。

四沖程柴油機的每一個工作循環(huán)是要曲軸轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)來完成的。在每個工作循環(huán)中只有第三

個沖程是作功的。在這個沖程當(dāng)中，完成了燃油從化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽謴臒崮苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C械

能的兩次能量轉(zhuǎn)換。其他三個沖程都是為這個工作沖程服務(wù)的，而目.都需要供給能量以保證

活塞的正常運行。所以，柴油機一般要做成多缸的，這樣進氣、壓縮、排氣沖程的能量可有

其他正在工作的氣缸供給。但如果是單缸的柴油機，就要通過飛輪在工作沖程時儲存部分能

量來供給其余三個沖程。

4.氣閥正時

四沖程柴油機的進氣閥和排氣閥的啟閉都不是在上、下止點位置，而是在上、下止點的

前后某一時刻。它們的開啟時間都大于180°曲柄轉(zhuǎn)角。這種進排氣閥在上、下止點前后的

啟閉時刻叫做氣閥正時，用曲柄轉(zhuǎn)角表示氣閥正時的圓圖叫做氣閥正時圓圖。

如圖2-3所示，進氣閥在上止點前1點打開，在下止點后2點關(guān)閉，排氣閥在下止點前

3點開啟，在上止點后4點關(guān)閉。角⑼為進氣閥提前開啟角，6為進氣閥延后關(guān)閉角，＜P1-2

為進氣過程。（P3為排氣閥提前開啟角，供為排氣閥延后關(guān)閉角，中3~4為排氣過程。

進氣閥的提前開啟，可以減少由于氣閥和空氣慣性對進氣時刻的影響，使得進氣在上止

點附近就能夠進行，而進氣充分；延后關(guān)閉，能利用氣流慣性吸入更多空氣。排氣閥的提前

開啟，可以減小排氣阻力，使得活塞上行排氣時，減少排氣功耗；而延遲關(guān)閉，也同樣是利

用排氣的慣性更好地排氣，使排氣干凈。

進氣閥和排氣閥在上止點前后的一段時間內(nèi)是同時開啟的，這個同時開啟的曲柄轉(zhuǎn)角稱

為氣閥重疊角，既圖中的0+5。選擇合適的氣閥重疊角，不會使排氣倒灌，而且還會有助

于廢氣的排出和空氣的充入。

2.1.3二沖程柴油機的工作原理

我們已經(jīng)知道，柴油機的一個工作循環(huán)有五個過程。二沖程柴油機就是要把這五個過程

在兩個沖程內(nèi)完成。這五個過程中，燃燒和膨脹做功的沖程必不可少。壓縮以滿足燃油自行

發(fā)火燃燒的過程也非有不可。而進氣和排氣是燃燒和做功的輔助過程，只要能在很短的時間

內(nèi)進行完成，就可在兩個沖程內(nèi)完成一個工作循環(huán)。

四沖程柴油機的進氣需要一個沖程，進氣也是由于活塞下行，氣缸內(nèi)壓力降低，空氣被

吸入氣缸。沒有了這個沖程的二沖程柴油機的進氣，就要使空氣提高一定壓力，才能使空氣

進入氣缸。因此，二沖程柴油機就要在進氣系統(tǒng)設(shè)置掃氣泵或鼓風(fēng)機來滿足提高進氣壓力的

要求。排氣也需要由進氣去清掃才能排的干凈。進氣和排氣這兩個過程也只能在活塞位于下

止點附近完成。

圖2-4所示是二沖程柴油機的工作原理。

圖2-4

1.換氣——壓縮沖程

活塞在下止點向上運行，在活塞遮擋住進氣口之前，空氣由進氣口進入氣缸，同時將廢

氣從排氣口掃出氣缸。當(dāng)活塞上行到將進氣口全部遮住時，進氣結(jié)束?；钊^續(xù)上行遮住排

氣口后，開始壓縮。當(dāng)活塞上行到上止點某一時刻時，噴油器噴入柴油與高溫高壓空氣混合

后發(fā)火燃燒。

2.膨脹——換氣沖程

活塞在上止點向下運行。行程初期是繼續(xù)燃燒階段，活塞在下行中燃燒結(jié)束，高溫高壓

燃氣膨脹推動活塞下行做功。當(dāng)活塞下行到將排氣口打開時，仍然處于較高溫高壓狀態(tài)的燃

氣經(jīng)排氣口高速排出，氣缸內(nèi)壓力隨之降低。當(dāng)活塞繼續(xù)下行將進氣口打開時，氣缸內(nèi)壓力

已下降到接近掃氣壓力，新鮮空氣由進氣口充入氣缸，同時也將廢氣從排氣口驅(qū)除出去。這

一過程一直延續(xù)到下一個沖程。從活塞在下行打開進氣口到活塞上行遮住進氣口這段時間，

稱為掃氣過程。

由上可以看出，二沖程柴油機和四沖程柴油機相比，一個工作循環(huán)只有兩個沖程，既曲

軸只轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)。因此在結(jié)構(gòu)尺寸和轉(zhuǎn)速相同的情況下，二沖程柴油機比四沖程柴油機的功率要

大一倍。但由于換氣等因素的影響，使活塞有效行程減少，實際功率一般為四沖程柴油機的

倍。

2.1.4二沖程柴油機的換氣

1.換氣過程的特點

(1)二沖程柴油機的換氣過程只占活塞沖程的一部分，一般不大于130-150°曲柄轉(zhuǎn)角。

而四沖程柴油機進、排氣各占一個沖程，約400~450°曲柄轉(zhuǎn)角。

(2)換氣的大部分時間內(nèi)，進氣與排氣是同時進行的，所以容易發(fā)生新鮮空氣和廢氣

的摻混，也會使部分新鮮空氣隨廢氣排出。

(3)進氣沒有自吸能力，要靠掃氣泵或輔助鼓風(fēng)機。

根據(jù)上面的這些特點，二沖程柴油機比四沖程柴油機的換氣質(zhì)量要差，而且當(dāng)掃氣泵或

鼓風(fēng)機發(fā)生故障時，就會喪失工作能力，如果是作為船舶主機就會使船舶失去動力。

2.換氣過程

根據(jù)換氣過程中氣缸內(nèi)壓力變化的特點，可以把整個換氣過程分為三個階段，并用氣缸

內(nèi)壓力P隨曲柄轉(zhuǎn)角＜p變化的曲線進行分析，如圖2-5所示。

第一階段，自由排氣階段。在膨脹沖程的末期，下行的活塞首先打開排氣口，廢氣依靠

自身的壓力從排氣口排出，直到進氣口打開一定程度并開始進氣為止。在這個階段，氣缸內(nèi)

的廢氣借助缸內(nèi)與排氣管中的壓力差經(jīng)開著的排氣口高速地排到排氣管中，氣缸內(nèi)的壓力也

隨之急劇降低。當(dāng)活塞下行到打

圖2-5

開進氣口時，氣缸內(nèi)的壓力仍然稍高于進氣壓力，這時廢氣還不會經(jīng)進氣口倒流進掃氣箱。

但是，如果缸內(nèi)壓力超過打氣壓力過多，就可能發(fā)生廢氣倒沖現(xiàn)象，甚至引起打氣箱著火。

第二階段，強制排氣和掃氣階段。從進氣開始，到活塞經(jīng)下止點轉(zhuǎn)向上行而遮住進氣口

為止。這一階段的初期，由于排氣口處于全開，而進氣口開的較小，廢氣借助慣性仍然繼續(xù)

流出氣缸，因此缸內(nèi)壓力繼續(xù)急劇下降甚至出現(xiàn)真空。此后，進氣口逐漸開大，掃氣空氣大

量進入氣缸并把廢氣強制排出。由于新鮮空氣的進入，氣缸內(nèi)的壓力逐漸升高。在這個階段

中，新鮮空氣和廢氣會發(fā)生摻混，并有一部分新鮮空氣從排氣口排出。

第三階段，過后排氣階段。從進氣口關(guān)閉到排氣口關(guān)閉為止。在這一階段中，活塞經(jīng)下

止點上行，首先關(guān)閉進氣口。此時，氣缸中的新鮮空氣會有部分經(jīng)仍然開著的排氣口排到排

氣管中，直到排氣口被關(guān)閉為止。這個階段是?個損失新鮮空氣的階段，因此越短越好。若

能以某種方式控制排氣口與進氣口同時關(guān)閉，甚至早于進氣口關(guān)閉，不僅可以避免過后排氣

損失，還可以在排氣口關(guān)閉的情況下多進新氣，而實現(xiàn)所謂過后充氣。

3.基本換氣形式

換氣過程就是以新鮮空氣驅(qū)趕并置換廢氣的過程。好的換氣形式就是能夠減少換氣過程

中的氣體摻混，避免過后排氣損失，同時廢氣排得干凈，新氣充氣充分。為了達到這?目的,

要求氣體在氣缸中有最合理的流動路線。根據(jù)氣體在氣缸中的流動方向不同，換氣形式分為

直流式和彎流式兩類，而彎流有分為回流和橫流兩種。

(1)直流換氣

直流換氣有氣口式和氣口-氣閥式兩種，而目前基本上是采用氣口-氣閥式。氣口-氣閥式

直流換氣是在氣缸蓋上設(shè)排氣閥機構(gòu)，在氣缸套的下部周圍均布一圈掃氣口，如圖2-6所示。

在活塞下行打開掃

圖2-6

氣口之前，通過排氣閥傳動機構(gòu)先把排氣閥打開，氣缸中的廢氣經(jīng)排氣閥排出，進行自由排

氣，使缸內(nèi)壓力下降到可以掃氣。隨后，掃氣口開啟，新鮮空氣從掃氣箱中經(jīng)掃氣口進入氣

缸下部進行掃氣，并強迫廢氣由下而上經(jīng)排氣閥排出氣缸。氣體在氣缸中的流動方向是由下

而上的直線流動，也就是直流掃氣因此而得名。掃氣口在氣缸的水平平面內(nèi)具有一定的傾斜

角度，使空氣回旋地進入氣缸，可以形成氣墊而向上運動，從而使新氣與廢氣隔開。直流換

氣形式，廢氣和新氣很少摻混，換氣質(zhì)量好。通過調(diào)整氣閥的啟閉正時，可以避免過后排氣，

實現(xiàn)過后充氣。另外，其氣缸下方受熱均勻，不易變形。其缺點是排氣閥機構(gòu)比較復(fù)雜，維

護管理麻煩。但目前，隨著大型柴油機的發(fā)展，換氣質(zhì)量的優(yōu)勢越來越明顯，同時氣閥機構(gòu)

的完善，使得這種換氣形式已經(jīng)成為了現(xiàn)代柴油機的主流。

(2)橫流換氣

橫流換氣的進氣和排氣都是由氣缸下部的掃氣口和排氣口進行的。排氣口位于掃氣口上

方，分別布置在氣缸兩側(cè)，如圖2-5所示。

除以上兩種換氣方式外，還可以采用回流換氣，只是掃氣口和排氣口都布置在氣缸下部

同一側(cè)。

2.1.5柴油機的增壓

1.增壓的基本概念

所謂增壓，就是提高柴油機氣缸進氣空氣的壓力，使空氣密度增加，從而增加進入氣缸

的空氣量。進氣量的增加就可以相應(yīng)增加噴入氣缸的燃油量，也就使得在氣缸結(jié)構(gòu)尺寸、轉(zhuǎn)

速等條件不變的情況下，提高柴油機功率。

根據(jù)增壓器利