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船舶动力系统第二章柴油机（1）柴油机是一种“内燃机”能量转换：化学能热能机械能绝大多数舰船上都以柴油机作为主机和发电机的原动机柴油机的分类按工作循环分四冲程柴油机二冲程柴油机按转速分低速机：300r/min（活塞平均速度v=Sn/306m/s）中速机：300~1000r/min（活塞平均速度v=6-9m/s）高速机：1000r/min（活塞平均速度v9m/s）按结构特点分类筒形活塞柴油机缺点：活塞裙部起向导作用，在侧推力的作用下，活塞与缸套磨损较大。优点：结构简单，紧凑，轻便用于中，高速柴油机十字头活塞柴油机优点：活塞与缸套间无侧推力，侧推力由十字头滑块和导板承受，活塞和缸套磨损较小，不易擦伤和老死缺点：柴油机高度和重量大，结构复杂需在汽缸下部设横隔板，以免汽缸内的脏油，烟灰，燃气等漏入曲轴箱，污损曲轴箱底部的滑油用途：船用大型低速柴油机筒形活塞式十字头式按照气缸数目单缸机多缸机按照气缸排列方式分类直列V形活塞—连杆机构上止点：e，活塞距离曲轴中心最远的位置下止点：c，活塞距离曲轴中心最近的位置活塞冲程（行程，S）：活塞上止点和下止点间的距离，S=2R1－气缸；2－气缸盖；3－活塞；4－连杆；5－连杆上轴承；（活塞销轴承）6－连杆下轴承（曲柄销轴承）；7－曲柄臂；8－主轴；9－主轴承；10－飞轮参考：柴油机名词解释.swf压缩室容积（Vc）：活塞位于上止点时，活塞顶部与缸盖间的容积，又称燃烧室容积汽缸工作容积（Vh）：活塞上、下止点之间的容积称为一个汽缸的工作容积24hVDS汽缸的最大容积（Va）：活塞在下止点时，气缸的容积，即气缸工作容积与压缩容积的之和：Va=Vh+Vc汽缸的总容积V，总排量：室内燃机所有汽缸工作容积的总和V=Vh*i式中i——气缸数压缩比：汽缸最大容积/压缩室容积=1+Vh/VC机构参数，柴油机一般=11-20，过大or过小，柴油机的经济性均下降【汽油机8-12，点火】压缩比愈大，压缩终点的压力和温度愈高，易于着火起动；but过大，最高燃烧压力提高，机件受力增大，影响工作可靠性和使用寿命，压缩室容积减小，混合气形成和燃烧带来困难，机械效率降低压缩比愈小，压缩终点的压力和温度下降，燃油不易自燃、燃烧耗油量增加，功率下降，起动困难非增压高，增压小燃烧室烧蚀，压缩比减小；轴承磨损，压缩比减小调整方法：1）缸盖垫片厚度：减薄，压缩比增大。2）船用连杆大端垫片厚度：减薄，压缩比减小3）……121211hcVhVcddd增加缸盖垫片厚度，则即增加缸盖垫片厚度，压缩比减小12hdc船用连杆的杆身于大端分开，用螺栓联接。δ1船用连杆大端垫片改变垫片厚度，相当于改变连杆长度，达到调整压缩比的目的（可用于使柴油机各缸压比一致，或改变压比）增加连杆长度，压缩室容积减小，压比增加12121=1+hcVhVccc加厚连杆大端垫片即加厚连杆大端垫片厚度，压缩比增加12ch柴油机的基本结构运动件：活塞、连杆、曲轴飞轮固定件：机座、机架、缸套、主轴承、缸盖、贯穿螺栓系统部分：燃油系统、配气系统、润滑系统、冷却系统、操纵系统、增压系统WARTISA四冲程柴油机结构剖分图四冲程柴油机工作原理柴油机的一个工作循环：由进气、压缩、燃烧、膨胀、排气5个过程完成四冲程柴油机：活塞走完4个行程才完成一个工作循环的柴油机柴油机工作原理.flv第一行程：进气使气缸中充入新鲜空气p=0.085-0.095MPa，压力大致保持不变第二行程：压缩气缸容积↘，温度↗近上止点时，p＝3～4MPa，ｔ＝600～700℃喷入柴油柴油在高温下自行发火第三行程：工作行程，燃烧膨胀燃油剧烈燃烧ｐ，ｔ急剧↗，p＝6～8Mpa，ｔ＝1400～1800℃膨胀作功，容积↗p,ｔ↘p＝0.25～0.45Mpa，ｔ＝600～700℃第四行程：排气燃气排出气缸，为下次循环做准备只有一个冲程作功,其他三个冲程靠惯性完成发动机的输出端加飞轮，增加惯性，运行平稳性增加单缸发动机飞轮转动惯量大进气行程，进气阀提前打开、延后关闭1a：进气准备。原因，气阀不能瞬时全开，初始时气流流通面积小ab：活塞从上止点～下止点，p大气压力b2：补充进气。利用内外压差，多进气，且气阀不能瞬时全关ab喷油提前角：由于柴油存在发火延迟期（0.001~0.005秒）在上止点前10~35度曲柄转角时开始将雾化的的燃料喷入汽缸排气行程，排气阀提前打开、延后关闭5c，为减小排气上行的时的缸内压力，提前开启排气阀ca：活塞上行，强制排气a6：排气流有惯性，利用惯性，尽可能排气ac正时（定时）：以曲柄上下止点为基准，用曲柄转角表示的进排气阀、喷油器、起动阀刚刚开启和完全关闭的时刻正时圆周（定时图）：将柴油机的各种正时，以曲柄上下止点为基准，按一定的转向，用曲柄转角位置来表示在同一个圆上的图形。四冲程机正时图进气阀开进气阀关排气阀开排气阀关喷油开始起动开始起动结束气阀重叠角：进、排气阀同时开启，这段时间用曲轴转角来表示，称为气阀重叠角排气快终了时，废气流有惯性，且惯性流在燃烧室内造成一定的低压，帮助抽吸新鲜空气充入气缸气阀重叠角不会引起废气倒灌气阀重叠角有利于提高换气质量、降低热负荷四冲程中吸、排气阀的正时吸气过程：a~b，220°-250°，开始时，曲柄在上止点前10o左右（点a），吸气阀开启，曲柄过下止点后20o左右（点b），吸气阀关闭压缩过程：b~d，140°-160°点c时开始向气缸中喷油，燃油点燃燃烧膨胀过程：c~d~e排气过程：e~f，210-240°，曲柄在下止点前35o左右（点e），排气阀开启，点f排气阀关闭四冲程柴油机正时圆周（曲柄的回转角度）参考：四冲程正时.swf四冲程中吸、排气阀的正时早开晚闭进气阀→气阀不能瞬时全开，且开启之初流通面积小，则进气早开→气阀不能瞬时全闭，且利用气缸内外压差多进气，进气晚闭四冲程柴油机正时圆周（曲柄的回转角度）参考：四冲程正时.swf排气阀为减小活塞上行的背压，则排气阀提前开利用惯性尽量排尽废气，晚闭四冲程柴油机正时圆周（曲柄的回转角度）参考：四冲程正时.swf四冲程柴油机，吸气和排气过程长；燃烧、膨胀和压缩过程短点a~点f，吸气阀和排气阀同时开启排气快终了时，废气流有惯性，且惯性流在燃烧室内造成一定的低压，帮助抽吸新鲜空气充入气缸气阀重叠角不会引起废气倒灌四冲程柴油机正时圆周（曲柄的回转角度）参考：四冲程正时.swf进、排气阀开闭不能任意提前或迟后进气阀开启过早，废气将通过进气阀冲入进气管，产生废气倒灌进气阀关闭过晚，活塞上行会使部分新鲜空气向外排出，降低压缩压力排气阀打开过早，会使有效功损失增大排气阀关闭太迟，会使废气重新吸入增压时，气阀重叠角加大（进气提前角、排气滞后角增加；喷油提前角减小）换气机构换气机构：保证按规定顺序和时刻完成进、排气过程的机构功能：实现对柴油机换气过程的控制。即依照柴油机各气缸的工作次序，定时地打开或关闭进排气阀。以保证气缸里废气的排除和新鲜空气的充入。组成：气阀机构、气阀传动机构、凸轮和凸轮轴传动机构四冲程柴油机吸、排气阀的正时启闭机构凸轮轴由曲轴通过齿轮传动，曲轴回转两转，凸轮轴回转一转正确地将凸轮轴与曲轴的相对回转位置配合好，凸轮可按照要求定时地开闭气阀气阀传动机构1－凸轮；2－顶杆；3－摇臂；4－气阀杆；5－气阀参考：气阀凸轮传动.swfV型机凸轮轴与推杆.swf柴油机机体.flv凸轮轴挺柱推杆摇臂凸轮轴正时齿轮摇臂轴飞轮活塞活塞环连杆曲轴凸轮轴气门摇臂气门顶杆正时齿轮中间齿轮曲轴齿轮凸轮轴由曲轴带动四冲程机，凸轮轴与曲轴转速比为1：2二冲程机，凸轮轴与曲轴转速比为1：1传动方式齿轮传动：传动平稳，可靠、耐久，但结构复杂，要求严格链条传动：结构简单，但链条加工要求高，易断裂、松动，不可靠凸轮传动机构链条传动（四、二冲程）齿轮传动（四冲程）【总结】四冲程柴油机四冲程柴油机完成一个循环，活塞往复4个行程，曲轴回转2转（720o），吸气阀、排气阀各启、闭一次每个循环中，只有工作行程（第3行程）作功。其它3个行程都是为工作行程服务的，都要消耗功（压缩气体，克服进、排气阻力）柴油机转速不均匀运动零件受到冲击，磨损严重柴油机上必须安装飞轮（单缸机飞轮尺寸、质量相当大），利用飞轮的转动惯量，使曲轴在四个行程中连续、均匀运转。并列连杆机.swf二冲程柴油机工作原理二冲程柴油机：5个工作过程在活塞的2个行程中完成的柴油机活塞2冲程，曲柄1周360度结构特点：全部或部分取消进、排气阀，而采用气口换气，或者是二者兼而有之二冲程柴油机没有独立的进气和排气过程，进气、排气过程重叠，在下止点前后约120～150°内同时进行单缸2冲程柴油机.swf图为采用特设的活塞式扫气泵的二冲程柴油机（横流换气）扫气泵活塞，柴油机的曲柄连杆机构带动扫气泵气缸a扫气泵吸入阀b排出阀c扫气箱d扫气口e排气口f排气管g空气准备：空气泵吸入阀b泵气缸a压缩泵排出阀c扫气箱d换气过程：l—2—3—4膨胀行程中，活塞下行点1处排气口出废气出P↘点2处扫气口出d中空气入（进、排气同时进行）到下止点活塞上行点3除扫气口闭点4处排气口闭压缩、燃烧和膨胀过程为保证先进行自由排气，排气口f略高于扫气口e扫气泵气缸a扫气泵吸入阀b排出阀c扫气箱d扫气口e排气口f排气管g该类型柴油机正时圆数据：约上止点前6o开始喷油，上止点后36o燃烧结束扫、排气口的开闭时刻分别为下止点前后40o和30o左右扫气泵气缸a扫气泵吸入阀b排出阀c扫气箱d扫气口e排气口f排气管g1）直流扫气：气缸盖上装有排气阀，气缸套下部设周围均匀开设一圈有一定倾斜角的扫气口优点：排气干净，换气质量好，不易混气。适用于超长行程机；缸套、活塞受热均匀，不易变形和产生裂缝。缺点：有排气阀，结构复杂现代船用大型柴油机主要换气形式二冲程.swf二冲程柴油机的换气形式2）横流扫气：气缸盖没有排气阀，扫气口与排气口布置在气缸下部圆周两侧，排气口高于扫气口。新气由一侧扫气口进，同时将废气从对面排气口逐出优点：结构简单，管理方便。缺点：活塞上行，先关扫气口后关排气口，形成过后排气，损失部分新鲜空气，扫气有死角，易新、废气混合，且两侧气缸受热不同，易产生变形，校中时活塞中心线偏向排气口的对侧。前例3）回流扫气：气缸盖无排气阀，由扫气口和排气口进气、排气。扫气口、排气口在气缸同一侧，排气口在上。气口与气缸在纵、横方向均有倾斜角，以控制气流方向。新气由扫气口进，先冲向对缸壁，折回转向上，驱赶废气，再回向下，将废气从排气口逐出。优点：结构简单，扫、排气口位于同侧，便于增压器管理布置。缺点：路程长，换气差，新废气易混2q01.swf【结论】：二冲程柴油机结构上，全部或部分取消进、排气阀二冲程柴油机曲柄1个回转中作功1次，四冲程机曲柄2个回转中作功1次气缸尺寸和转速相同时，理论，P二冲程机=2P四冲程机实际，P二冲程机=(1.6~1.7)P四冲程机二冲程机扭矩均匀性较好，运转平稳，可用小飞轮换气时间,二冲程机短换气质量差柴油机转速高，换气质量更差二冲程机的效率比四冲程机低。船用低速柴油机均为二冲程机，而中速和高速柴油机均为四冲程机二冲程机热负荷高活塞、气缸盖、气缸、气阀温度高具有两个或两个以上气缸，各缸活塞连杆机构都连接在同一曲轴上的柴油机每个气缸的工作过程与单缸机一样同一时刻，各缸所进行的工作过程不相同，各缸工作过程相互间隔一定的曲轴转角根据气缸数目和曲柄排列方式的不同，各缸按照一定的顺序工作多缸柴油机对某一气缸来说，除“燃烧膨胀行程”外，所需的能量由其它缸供给多缸结构，可提高柴油机运转均匀性常用4缸、6缸、8缸、12缸、16缸组合曲柄.swf柴油机基本工作原理.flv为保证柴油机运行的均匀性，各