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轮机概论IntroductiontoMarineEngineering第二章船舶柴油机动力装置第一节柴油机工作原理法国德裔工程师狄塞尔，在1897年研制成功可供实用的四冲程柴油机。二十世纪初，开始用于船舶，1905年制成第一台船用二冲程柴油机。热机内燃机蒸汽机外燃机燃汽轮机汽油机柴油机原理:是将燃料燃烧所获得的热能转变成机械能。dieselengines二、四冲程柴油机工作原理1、基本结构2、柴油机的基本工作过程要使柴油在柴油机中燃烧做功，并能够连续不断地工作下去，就需要有进气、压缩、燃烧、膨胀、排气五个过程。这五个过程即柴油机的一个基本工作循环。3、基本概念（3）上止点（TDC）：活塞在气缸中运动的最上端位置，也就是活塞离曲轴中心线最远的位置。（4）下止点（BDC）：活塞在气缸中运动的最下端位置，也就是活塞离曲轴中心线最近的位置。（5）冲程（S），又称行程：活塞从上止点移动到下止点间的直线距离。它等于曲轴曲柄半径R的两倍（S＝2R）。活塞移动一个行程，相当于曲轴转动180°（曲轴转角）。（6）气缸余隙容积（压缩室容积Vc）：活塞在气缸内上止点时，活塞顶上的全部空间（活塞顶、气缸盖底面与气缸套表面之间所包围的空间）容积。（7）余隙高度（顶隙）：上止点时活塞最高顶面与气缸盖底平面之垂直距离。（8）气缸工作容积（Vh）：活塞在气缸中从上止点移动到下止点时所扫过的容积。（9）气缸总容积（Va）：活塞在气缸内位于下止点时，活塞顶以上的气缸全部容积，亦称气缸最大容积。Va＝Vc＋Vh（10）压缩比（ε）：气缸总容积与压缩室容积之比值，亦称几何压缩比。ε＝Va／Vc＝1＋Vh／Vc（1）气缸直径D：气缸套的名义内径。（2）曲柄半径R：曲轴的曲柄销中心与主轴颈中心间的距离4、主要工作参数(1)第一冲程——进气冲程(2)第二冲程——压缩冲程压缩：压力升高到3-6MPa或更高，而温度则会达到600～700℃。燃油的自燃发火温度一般为210～270℃。高温下自燃发火燃烧。(3)第三冲程——膨胀冲程燃烧：压力达到5-8MPa温度达到1400～1800℃排气阀开启，膨胀结束，燃气压力下降至2．5～4．5MPa左右，温度降至600—700℃。(4)第四冲程——排气冲程四冲程柴油机的每—个工作循环是要曲轴转两转来完成的。循环：第三个冲程是做功的。其他三个冲程都是为这个工作冲程服务的单缸：通过飞轮在工作冲程时储存的部分能量来供给其余三个冲程所需能量。5．气阀正时进排气阀在上、下止点前后的启闭时刻叫做气阀正时，用曲柄转角表示气阀正时的圆图叫做气阀正时圆图。135系列柴油机的定时图。它表示:进气阀在上止点前20°曲柄转角开启，下止点后48°曲柄转角关闭；排气阀在下止点前48°曲柄转角开启，在上止点后20°曲柄转角关闭；喷油在压缩冲程后期，活塞到达上止点前28°曲柄转角开始。进气阀提前开进气阀滞后关排气阀提前开排气阀滞后关喷油开始三、二冲程柴油机工作原理设置扫气泵帮助：进气；由进气去清扫帮助：排气。分析：五个过程在两个冲程内完成必须：做功（燃烧和膨胀）和自燃（压缩）辅助：进气和排气；1-进气孔;2-排气门;3-扫气泵机油第一冲程——活塞从下止点向上止点运动。换气-压缩冲程第二冲程——活塞从上止点向下止点运动膨胀-换气冲程扫气口扫气口二冲程柴油机结构图二冲程柴油机与四冲程柴油机相比的优缺点省去：进气阀及其传动装置。同转速，二冲程燃烧次数是四冲程两倍，气缸内高温燃气相接触部件热负荷比较高。优点1）提高了柴油机的作功能力理论上：二冲程柴油机的功率应比四冲程大一倍。实际上，因工作容积减少；扫气泵消耗一定的功率等。功率相同，则二冲程尺寸较小，重量较轻。2）改善了动力性、回转均匀3）简化了柴油机的结构由于二冲程柴油机曲轴每转各缸作功一次。缺点1）换气质量差、热效率低换气时间短；新气与废气渗混严重；部分新气随废气一起排出，影响燃油燃烧，热效率比四冲程柴油机低。2、热负荷较高四、二冲程柴油机的换气1．换气过程的特点(1)只占活塞冲程的130—150℃曲柄转角。(2)换气时，进气与排气是同时进行的，容易掺混，排出。(3)进气没有自吸能力，要靠扫气泵或辅助鼓风机。当扫气泵或鼓风机发生故障时，就会丧失工作能力，如果是作为船舶主机就会使船舶失去动力。扫气口排气口当活塞下行到打开进气口时，气缸内的压力仍然稍高于进气压力，这时废气还不会经进气口倒流进扫气箱。二冲程柴油机的换气过程自由排气阶段（B-R）强制排气和扫气阶段（R-C）过后排气阶段（C-E）活塞先下行活塞后上行进气口如果缸内压力超过扫气压力过多，就可能发生废气倒冲现象，甚至引起扫气箱着火。3．基本换气形式气阀-气口直流扫气扫气箱扫气口空冷器十字头组件扫气泵增压器排气阀喷油器3．基本换气形式直流扫气(uniflow)气阀-气口式气口-气口式弯流扫气(loop)横流扫气式回流扫气式半回流扫气式排气阀+进气口排气口+进气口五、柴油机的增压1、基本概念1）增压：用提高进气压力的方法，提高进入气缸空气的密度，从而提高喷入气缸的油量，提高柴油机的功率。2）增压度：增压后与增压前柴油机标定功率之差与增压前标定功率之比。3）中冷：增压器与柴油机进气管之间对增压空气进行冷却，降低温度，提高空气密度的方法。涡轮端压气机端2.增压方式机械增压废气涡轮增压复合增压（机械+废气涡轮增压）复合增压机械增压废气涡轮增压定压增压：废气压力基本上保持稳定状态。结构上：排气总管工作稳定、效率高2．废气涡轮增压的基本形式脉冲增压：直接与一个或几个废气涡轮相连多用于四冲程中速柴油机。3．增压器的喘振(1)喘振现象压气机的实际流量小于限制流量，气流与叶片的强烈撞击与脱离。气流产生强烈脉动，并发出异常声响的现象。(2)喘振原因①气流通道堵塞：流量减小②增压器和柴油机的运行失配③环境温度变化④各缸负荷严重不均①气道阻塞•气流通道：进口滤器→压气机叶轮→扩压器→空冷器→扫气箱→进气阀（口）→排气阀（口）→排气管→喷嘴环→涡轮叶片→废气锅炉→烟囱。•阻塞：脏污、积碳、变形等。•危害：导致流阻↑→流量↓→喘振。•措施：注意进气滤器、压气机叶轮、扩压器、空冷器、进排气口、涡轮、喷嘴环的清洁，注意检查喷嘴的变形。②增压器和柴油机的运行失配主要原因：·废气能量↑→增压器转速nk↑→u↑；·柴油机转速n↓→所需气量Gk↓→c1a↓；分析：船舶重载、顶风、污底原因；柴油机突增、突降负荷；喷油系统故障引起的喘振原因。当船舶满载、顶风、污底严重等情况下，因阻力增加，主机负荷加大，柴油机在低转速高负荷下运行，气缸耗气量降低而循环喷油量增加，废气能量增大，也会使增压器转速升高，就容易引起喘振。这时可以通过降低油门来消除喘振。当船舶在风浪天气航行发生飞车时，并联和串联增压系统会发生喘振。这是因为螺旋桨出水时，柴油机转速升高，调速器自动停止供油，增压器因废气能量减少而转速下降，在并联增压时，辅助泵因转速高而供气增多，使压气机背压较高而流量减小，引起喘振；在单独增压器，若螺旋桨入水时柴油机转速过低，也会造成压气机阻塞而发生喘振。如果轮机人员操作不当，会造成柴油机和增压器的暂时失配而发生喘振。如高速下停车时，急速将供油停止，因主机运动部件质量大，轴系和螺旋桨阻力大，很快停止转动；但增压器由于本身转速高转动能量很大，一时不能停转，而造成喘振。另外急速降低主机转速时也会出现类似现象。主机加速过快也会发生喘振。运行失配思③脉冲增压柴油机一缸熄火或各缸负荷严重不均1缸熄火→柴油机转速n↓，所需气量↓；其他缸正常供气时，背压高，→喘振。④环境温度过高高温→空气密度↓→进入压气机的流量↓→涡轮获得能量↓→增压器转速↓。增压器转速下降又进一步导致空气流量减少。运行点向该配合运行线低处移动，喘振裕量增大。反之，当进入低温海域时，喘振裕量减小。