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课题七起动、换向装置目的要求：1．了解柴油机起动原理、方法、适用范围。2．掌握柴油机压缩空气起动系统组成、工作原理、起动条件。3．熟悉起动系统主要设备结构。4．了解船舶换向功用、换向方法。5．熟悉双凸轮换向原理、装置。6．掌握单凸轮换向特点、原理、装置。重点难点：1．柴油机压缩空气起动系统组成、工作原理、起动条件。2．单凸轮换向特点、原理、装置。教学时数：4学时教学方法：多媒体讲授课外思考题：1．简述柴油机压缩空气起动的基本原理是什么？2．柴油机压缩空气起动置主要包括哪些组成部件？3．保证柴油机压缩空气可靠起动的条件是什么？4．柴油机实现换向的先决条件是什么？5．什么叫换向差动？超前差动与滞后差动有什么区别？6．单凸轮换向有什么特点？喷油凸轮和排气凸轮有何区别？1课题七起动、换向装置第一节柴油机的起动一、柴油机的起动原理柴油机在外力驱动下，从曲轴开始转动到自动运转的全过程称为柴油机的起动。一台装备正常的柴油机能起动起来，必须具备两个条件：一要有外力使它先转起来，二是转起来后还要能达到一定的转速。这个能使柴油机起动的最低转速称为“起动转速”，“起动转速”是鉴别起动性能的重要标志。不同类型、不同结构和不同尺寸的柴油机具有不同的起动转速；同一型号的柴油机由于磨损情况或调整状况的差异会有不同的起动转速；同一台柴油机由于环境温度的变化（冬季或夏季）及本身温度（冷车或热车）的不同也会出现起动转速的差异。各种类型柴油机的起动转速大致如下：大型低速柴油机（25～50）r/min中高速柴油机（80～150）r/min小型预燃室式柴油机（200～250）r/min要使柴油机曲轴从停车状态进入起动状态，须向柴油机输入一定的功率，以克服柴油机的各种阻力矩。起动时柴油机的阻力矩主要包括运动部件的惯性阻力矩、摩擦阻力矩和初始压缩阻力矩。起动性能的好坏是柴油机一项重要性能指标。要求柴油机在各种环境状态下都能可靠起动迅速、消耗功率小，且能确保在短时间内多次起动。此外，还希望起动系统操作简便、维修保养方便、且易于实现遥控。对于船舶主机，要求曲轴处于任何转角位置和机舱温度低达5～8℃的条件下不需暖机，就能迅速和可靠地起动。二、柴油机的起动方式1．人力起动它利用人力通过起动摇把直接转动曲轴和飞轮，当达到起动转速后即自行发火燃烧。人力起动方式最简便，但人的体力有限，它只适用于20kW以下的小型柴油机。船上的救生艇和应急消防泵使用的柴油机常采用人力起动。2．电力起动电力起动的基本原理是：用蓄电池向装在飞轮端的起动电动机供电，电动机再通过同轴上的小齿轮带动轮缘上装有齿轮圈的飞轮，使曲轴转动来起动柴油机。电力起动装置简单、紧凑、起动方便，广泛用于高速小型柴油机。但起动能量受蓄电池容量的限制，故只适用于300kW以下的柴油机。船上小型电站和救生艇的柴油机，大多数采用电力起动。3．压缩空气起动压缩空气起动的基本原理是：将压力为1.5MPa～3.5MPa的压缩空气，按柴油机的起动顺序和规定的起动定时在气缸处于膨胀冲程时引入气缸，以压缩空气代替燃气推动活塞运动，带动曲轴旋转，当达到起动转速后自行发火燃烧，完成起动过程。2压缩空气起动可提供很大的起动能量。起动迅速，正倒车均可起动。有时还能用于柴油机的紧急制动，帮助主机刹车。压缩空气起动普遍用于大、中型柴油机，船用可直接倒转的柴油机毫无例外地采用这种方式起动。第二节压缩空气起动系统一、压缩空气起动系统的组成压缩空气起动系统主要由空气压缩机、起动空气瓶、主起动阀、空气分配器、气缸起动阀和起动控制阀等设备与管系所组成。（1）空气压缩机：任务是对空气进行压缩增压后再输入空气瓶。除少数机型由主机曲轴前端带动外，大多数由电动机单独带动，且都装有自动控制装置。当起动空气瓶内的压力降至一定值时，能自动起动空压机，以便使起动空气压力保持为2.5MPa～3MPa；当气瓶内压力升至规定值后，压缩机即自行停车。我国海船规范要求空气压缩机的总排量应能从0.7MPa开始在1h充满所有主机起动用的空气瓶，故船上大都装有几台空压机。（2）起动空气瓶：功用是将空压机提供的高压空气储存起来供起动用。船上均备有2个以上的起动空气瓶，以保证足够的容量，满足相应的规定要求。（3）主起动阀：是压缩空气系统的总开关。主起动阀的启闭直接控制起动过程的开始和结束，故要求它能启闭迅速、节流损失小和操纵方便。（4）空气分配器：其作用是按柴油机的起动定时，将起动空气（或操纵空气）分别送往各缸气缸起动阀，使它能定时启闭。空气分配器由起动凸轮控制其启闭动作。（5）气缸起动阀：其作用是起动时，向气缸通入起动空气，使柴油机起动。通常它连同阀壳安装在气缸盖上，由空气分配器来的压缩空气控制其启闭。在非起动情况下，气缸起动阀处于常闭状态。（6）起动控制阀：用来控制主起动阀的启闭。因为大、中型柴油机的主起动阀尺寸较大，通常都装有起动控制阀，以便利用压缩空气来快速启闭主起动阀。二、压缩空气起动系统的工作原理图7-1160系列柴油机压缩空气起动系统（1）直接启阀式（图7-1）：主要特点是进入气缸的起动空气全部经过空气分配器，并由它按发火次序送入各缸的气缸起动阀，直接作用在阀盘上推阀开启、进入气缸使柴油机起动。3直接启阀式起动装置的优点是管路布置简单；当气缸内压力大于起动空气压力时，气缸起动阀会自动关闭，防止燃气倒流入空气管。缺点是空气分配器尺寸较大、节流损失较大、起动空气耗气量也大。它多用于小型柴油机上。（2）间接启阀式（图7-2）：主要特点是气缸起动阀的起动工作由两路压缩空气配合来完成。一路是由空气分配器来控制空气，按起动定时启闭各气缸起动阀；另一路是起动空气，当气缸起动阀开启即进入气缸起动柴油机。图7-2压缩空气起动系统简图间接启阀式起动装置的优点是：气动起动阀的开启迅速、可靠；因起动空气不经过空气分配器，小股控制空气分配器时节流损失小，空气耗量小，能满足连续多次起动的要求。它的缺点是装置较为复杂。目前，船舶大、中型柴油机广泛采用这种起动装置。三、保证可靠起动的条件（1）压缩空气要具有一定的压力和足够的贮量为了保证柴油机起动迅速，压缩空气必须提供足够的能量，也就是要具有一定的压力。船舶柴油机的起动空气压力一般应保持在2.5MPa～3MPa，最低起动空气压力与柴油机的构造型式、柴油机磨损程度，起动时的气缸及环境温度、起动装置的完善性等因素有关。压缩空气要有足够的贮量，起动空气瓶的容量必须能保证柴油机在冷态下连续起动不少于12次。（2）供气要适时并有一定的延续时间压缩空气进入气缸有一定的起动定时要求，即在活塞处于动力冲程开始的某一适当时刻才进入气缸并延续至排气阀（或排气口）开启前停止进气。柴油机的起动定时（即空气分配器定时）及供气的延续时间（以曲柄转角计）与柴油机的型式、气缸数目、起动空气压力及柴油机的标定转速等因素有关。合适的起动定时既有利于起动，又能节约空气耗量。一般大型低速二4冲程柴油机空气分配器在上止点前5°开始开启，起动空气实际进入气缸的时刻要延后些，供气延续时间一般不超过120°曲柄转角。中高速四冲程柴油机，空气分配器在上止点前5°～10°开启，供气延续时间一般不超过140°曲柄转角。（3）必须保证最少的起动气缸数为了保证曲轴处于任何位置都能随时起动，必须满足柴油机在任何位置停车时至少有一个气缸处于起动位置，气缸数过少就不能满足这个要求。为确保停车在任何位置均能顺利起动，还要求发火顺序的相邻缸之间进气角度有一定的重叠时间，在此重叠时间内，会有两缸在同时进气，前一缸进气的末尾与下一个缸的进气开始相重叠，这样可保证向各缸进气的连续性，有利于加速起动。二冲程柴油机的最少起动缸数为4个。这是因为二冲程柴油机起动空气延续时间不超过120°曲柄转角，故只有当曲柄夹角小于120°时，才能保证柴油机的各缸中随时有一个缸处于起动位置。显然，相邻曲柄夹角小于120°时至少为4个缸。同理，因四冲程柴法机的供气延续角为140°，故其最少起动缸数为6个。（4）要按一定的发火顺序向各缸供气多缸柴油机起动时，压缩空气不应同时进入各个气缸，而应符合发火顺序的要求依次进入各缸。这个要求由空气分配器和起动凸轮来保证实现，因此空气分配器和起动凸轮应正确安装和调整。四、起动系统的主要设备1．气缸起动阀气缸起动阀每缸一个，均装在气缸盖上。它与起动空气管路相连，由空气分配器控制的气流使它定时启闭，使起动空气按一定顺序进入各缸起动柴油机。气缸起动阀是起动装置中的重要部件之一，对气缸起动阀有起动和制动两方面的要求。1）直接启阀式气缸起动阀（图7-3）它是一种结构简单的单向阀，常用在中、小型柴油机。图7-3直接启阀式气缸起动阀2）间接启阀式气缸起动阀5（1）单气路控制式气缸起动阀（图7-4）优点是：结构简单、启阀活塞面积大、开关迅速、起动空气消耗量少，被多数柴油机所采用。但是这种阀关闭时落座速度过快、撞击大、容易使阀盘及阀座磨损或变形，影响密封性和工作可靠性。另外，由于这种阀的启阀面积大，故当气缸内燃气压力超过起动空气压力时，阀仍会保持开启而造成燃气倒冲，引起空气管爆炸事故。此外这种阀在性能上不能兼顾起动和制动两方面的要求，它的制动性能较差。图7-4单气路控制气缸起动阀图7-5双气路控制气缸起动阀（2）双气路式气缸起动阀（图7-5）这种阀开关迅速，但阀盘落座速度缓慢，而且可保证只在气缸内压力低于起动空气压力时才开启，属于平衡式起动阀。另外，这种阀能避免燃气倒流的危险，在紧急制动时，即使气缸内气体压力已超过起动空气压力，但该阀仍能保持开启状态，满足制动方面对起动阀的要求。但这种阀结构复杂，造价高。图7-6空气分配器62.空气分配器空气分配器由起动凸轮驱动，它的作用是按柴油机发火顺序，在要求的起动定时时刻内将起动空气或控制空气分配到相应的各个气缸起动阀并将它们打开，以便让压缩空气进入气缸起动柴油机。按结构型式不同，空气分配器可分为回转式（盘式）和柱塞式两种。1）回转式（盘式）空气分配器（图7-6）：只适用于小型柴油机。2）柱塞式（滑阀式）空气分配器（1）单气路式空气分配器（图7-7）（2）双气路式空气分配器（图7-8）3．主起动阀大、中型船舶柴油机均设有主起动阀，它是压缩空气中起动的总开关。当它开启时，来自空气瓶的压缩空气穿过它迅速进入起动空气总管，通过空气分配器与气缸起动阀的配合动作，使柴油机起动。1）均衡式（加载式）主起动阀（图7-9）图7-8双气路空气分配器结构简图图7-9加载式主起动阀2）非均衡式（卸载式）主起动阀（图7-10）3）大型柴油机常采用的主起动阀（图7-11）图7-7NVD36型柴油机起动空气分配器7图7-10NVD型柴油机主起动阀图7-11带慢转阀的一种主起动阀8为了保证船舶的安全航行和保证机动操作的灵活、可靠，大型柴油机很多采用主起动阀与截止阀（弹簧控制的止回阀）组合在一起的型式；有的还装有手轮，用于气动控制失灵前时进行手动操作；有些主起动阀还带有慢转阀，正式起动前通过它可以使柴油机以5r/min～10r/min速度转动。4．起动控制阀其功用是用以控制大、中型柴油机的主起动阀的启闭。它结构较简单，通常位于操纵台上，通过起动按钮、起动手柄或起动手轮，利用凸轮使其动作，以便使一股操纵空气通入主起动阀，使加载式（均衡式）主起动阀开启；或泄放掉控制空气使卸载式（非均衡式）主起动阀开启。第三节船舶的换向方法一、换向装置的功用船舶换向装置的功用是改变螺旋桨轴向推力的方向，使船舶前进或者倒退。船舶换向装置工作的好坏直接影响船舶的机动性和可靠性，因此要求船舶换向装置必须迅速灵活和安全可靠。二、船舶换向方法1）直接换向：主机曲轴经轴系直接与螺旋桨相联，通过主机本身换向改变曲轴转向，使螺旋桨轴向推力向后或向前。大、中型船舶广泛采用这种换向方法。2）间接换向：主机曲轴转向不变，通过主机与螺旋桨之间特设的换向装置（船用齿轮箱），操纵螺旋桨正转或反转，使船舶前进或后退。一般用于小型船舶。3）“Z”型推进装置换向：它又称为悬挂式螺旋桨装置，主机曲轴转向不变，船舶需要换向时，只要由驾驶通过传动装置使蜗杆11转动，便能通过蜗轮10带动尾