第四章 柴油机的换气与增压

船舶柴油机第四章柴油机的换气与增压第一节柴油机的换气过程及换气质量评定参数一、四冲程柴油机的换气过程二、二冲程柴油机的换气三、评定换气过程质量的参数换气过程——每完成一个工作循环，把废气排出气缸，并把新鲜空气吸入气缸的工质更换的过程。要求：①排气——干净——进气多②进气——多——烧的油多、作功能力大；燃烧完全，经济性好，排放性好；热负荷低。③空气消耗量小，耗功少。每循环的最大供油量，完全取决于各循环的充气量。一、四冲程柴油机的换气过程三个阶段：自由排气强制排气进气1、排气过程自由排气——压差强制排气——推动功过后排气——惯性2、进气过程准备进气阶段——创造压差、开度条件主要进气阶段——压差补充进气阶段——惯性循环进气量对应于气缸工作容积Vs3、气阀重叠和燃烧室扫气气阀重叠角——进排气上止点前后，进排气阀同时开启的现象。排气滞后角与进气提前角之和。扫气作用：1）使排气更干净；2）降低热负荷。重叠角高速机大于低速机，增压机大于非增压机。二、二冲程柴油机的换气三个阶段：自由排气阶段(B-R）强制排气与扫气（R-C）过后排气（C-E）二冲程柴油机换气的特点1、换气时间少2、缸内残留废气多3、换气过程耗功多4、气缸容积不能充分利用1残余废气系数换气过程结束时，缸内残存的废气量Gr与充入气缸的新鲜空气量G0之比，即r＝Ｇr／Ｇ０用废气排除的干净程度来表示换气完善程度。三、评定换气过程质量的参数2充量系数(充气效率)c每循环进入气缸实际充气量G0与在进气状态p0、T0(ps、Ts，或pk、Tk）下充满气缸工作容积Vs的理论充气量Gs的比值。c＝G0/Gs通常，充量系数均小于1。但在理想状态下，则充量系数可能大于1。充量系数用来表征换气过程完善程度的参数影响充量系数c的因素：•转速、负荷、增压程度、冷却情况、换气系统的清洁程度等扫气效率ηs、扫气系数φs、给气比β是评价二冲程柴油机换气质量的指标扫气效率：换气过程结束后，气缸内的新鲜空气量G0与气缸内全部气体量Ga之比给气比：每循环通过扫气口的新鲜空气量Gk与在进气状态下(ps、Ts)充满气缸工作容积Vs的理论空气量Gs之比β＝Gk/Gs1.0～1.3扫气系数：在一个循环中通过扫气口的全部扫气空气量Gk与换气过程结束后留在气缸中的新鲜空气量G0之比φs＝Ｇk/Ｇ０1.4～2.0第二节换气机构保证柴油机按规定顺序和时刻完成进、排气过程的机构一、气阀机构二、气阀传动机构三、凸轮轴及传动机构四、换气机构的故障和管理气阀机构1、型式不带阀壳：带阀壳工作条件：高温、高压的作用排气阀：阀盘650℃～800℃进气阀：阀盘450℃～500℃撞击、磨损、腐蚀一、气阀机构2、组成（阀壳）、气阀、阀座、导管、气阀弹簧、弹簧衬盘、卡块、卡簧和转阀机构。阀面与阀座配合全接触式阀面与座面锥角相等；接触面大、耐磨、传热好，但易结炭，敲击产生麻点,阀线宽度一般为1.5mm～2.5mm外接触式阀面锥角小于座面锥角0.5°～１°。接触面小，密封性好，多用在强载中速机中内接触式阀面锥角大于座面锥角0.2°～0.5°接触面小，密封性好。接触面因离燃烧室远些，温度低，钒、钠的腐蚀小。用在长行程低速柴油机中通常锥角α为30°或45°。工艺阀杆：氮化、镀铬、滚压、抛光阀座：钻孔水冷，空气槽。材料：耐热合金钢，堆焊钴基硬质合金(stellite)旋阀器旋阀器：使排气阀在开关过程中慢慢转动减少阀面与阀座上的积炭，使磨损减小；使阀盘均匀受热，以改善阀盘的热应力状态；消除阀杆与导管之间的积炭，防止卡住。旋阀器的类型旋转帽式、推进器式、棘轮式、杠杆式多种。1机械式气阀传动机构气阀间隙在柴油机冷态时，气阀机构和气阀传动机构之间的间隙，二、气阀传动机构作用:留有热障余地，保证气阀关闭•组成：滚轮、顶头、顶杆、调节螺栓、摇臂、摇臂轴、摇臂支座等间隙↓→早开迟关，关闭不严间隙↑→迟开早关，开度不足，撞击严重2、液压式气阀传动机构缺点:调试困难与密封困难开阀靠油压，关阀靠空气弹簧结构和工作原理优点：尺寸小、重量轻、利于布置、气阀不承受侧推力、噪音小、拆装方便1凸轮轴作用三、凸轮轴及传动机构有整体式和装配式一根轴或两根轴2凸轮轴传动机构1)齿轮传动主、从动齿轮的传动速比四冲程为2∶1二冲程为1∶1•主动轮、从动轮和中间齿轮•凸轮轴传动机构都装在飞轮端•啮合记号2)特点:装置结构简单、避免齿间间隙累积误差对于轴线误差不敏感。可驱动往复惯性力矩平衡装置润滑不如齿轮传动装置，磨损快，易松弛张紧:张紧轮可位于紧边或松边。张紧链条时要边盘车边张紧。链条、链轮磨损后，链条会松弛，再度张紧时，定时会发生变化。若链条长度增加1.5%时，需换新组成：主动链轮、从动链轮、链条、链条导轨、中间轮、链条张紧装置等。四、换气机构的故障和管理1.气阀机构的故障(1)阀面和阀座磨损和腐蚀：撞击、高温腐蚀(2)阀面与阀座烧损：密封不好串气。(3)阀杆卡紧：气阀导管间隙过大、过小；对中、变形。(4)阀杆和阀头断裂：撞击、热应力过大。(5)气阀弹簧断裂：共振、材料缺陷。(6)阀壳产生裂纹：安装应力。2.气阀间隙测量和调整，气阀定时检查(2)气阀定时的检查气阀间隙调整后进行用千分表表针刚移动或刚回到原位是对应开启或关闭飞轮上读取刻度(1)气阀间隙测量和调整用厚薄规、冷态、凸轮落于基圆时测量3.气阀和阀座的研磨与更换轻微磨损、损伤可用研磨砂对研，研磨后阀面上应研出暗色连续等宽度阀线。磨损、损伤严重时小型机用绞刀和磨床绞削阀座和磨阀，然后对研大型机用专用磨床磨削再对研无法修复磨损过大的气阀应换新。第三节废气涡轮增压一、柴油机增压概述二、废气能量分析三、废气涡轮增压的两种基本形式四、其他增压形式中冷降低空气温度，提高空气密度。降低柴油机的循环平均温度增压：就是用提高气缸进气压力的方法，使进入气缸的空气密度增加，从而可以增加喷入气缸的燃油量，以提高柴油机的平均指示压力pi和柴油机的平均有效压力pe。增压度:增压度是柴油机增压后标定功率与增压前标定功率之差值与增压前标定功率的比值。一、柴油机增压概述Pe∝i·Ｄ2·s·m·n·pe增压的分类根据驱动增压器能量分类(1)机械增压(2)废气涡轮增压(3)复合增压低增压pk≤0.15MPa；中增压pk＝0.15～0.25MPa；高增压pk＝0.25～0.35MPa;超高增压pk＞0.35MPa。按照增压压力pk的高低分类现代船用低速机的增压压力在0.3MPa上下。增压比πb：πb＝pk／popk越低，则E1所占比例大；pk越高，E２越大二冲程机废气能量二、废气能量分析四冲程机的废气能量定压能E２脉冲能Ｅ１1定压涡轮增压结构:各缸排气管连接到一根共用的容积足够大的排气总管上•特点:进入涡轮的压力基本稳定，涡轮工作稳定，效率高。废气能量利用的少，需设辅助风机213456三、废气涡轮增压的两种基本形式2、脉冲涡轮增压特点:进入涡轮的废气压力为脉动状态废气的能量利用多涡轮工作不稳定，效率较低结构:各缸排气管经过分组直接与废气涡轮相连，排气管短而细，通道要光滑，成流线形，并使涡轮尽量靠近排气口。123456排气干扰排气管的分组分组原则：避免同组内各缸的排、扫气互相干扰。二冲程柴油机同组的最多允许气缸数：i=360/120＝3四冲程柴油机同组的最多允许气缸数：i=720/240＝33、两种增压方式比较结论：低、中增压：绝大多数采用脉冲增压。高增压：在高增压时均采用定压增压。(1)废气能量的利用。(2)涡轮的工作性能。(3)增压系统的布置。(4)管理上的要求。(5)柴油机的加速性及低负荷性能。定压增压是目前增压系统的发展方向。四、其他增压形式1、脉冲转换增压2、多脉冲增压3、模件式脉冲转换增压要求：接于A、B两管的各缸间的发火间隔角对四冲程柴油机要大于180°，对二冲程机要大于90°；共管两缸发火间隔角对四冲程机要大于240°，对二冲程机要大于120°。1、脉冲转换增压在排气支管和废气涡轮之间装设脉冲转换器。适用：气缸数为4的整数倍的柴油机。2、多脉冲增压将多根排气支管接到一个多进口的多脉冲转换器上。适用：缸数越多（多于7缸），效果越好。3、模件式脉冲转换增压(单管脉冲增压)结构原理：排气管由单管脉冲转换器和扩压器组成涡轮按定压工作。优点：排气管布置简单不受缸数限制第四节废气涡轮增压器与增压系统一、废气涡轮增压器的构造二、废气涡轮增压器的工作原理三、离心式压气机的工作特性及喘振机理四、柴油机废气涡轮增压系统五、柴油机增压系统中增压器的运行特点及喘振原因一、废气涡轮增压器的构造二、废气涡轮增压器的工作原理1、离心式压气机原理实际消耗功等熵压缩功K绝热效率ηk在排气蜗壳内动能进一步转变为压力能在扩压器内动能转变为压力能。在叶轮内机械能转变为气流的动能和压力能2、单级轴流式涡轮机的基本工作原理气流在喷嘴中膨胀加速速度能转变为动能输出转动力矩同时产生轴向力两力矩作用方向相同，使叶轮回转叶片流道是收缩的，气流进一步膨胀对转子产生反动力矩离心力作用使喷嘴叶片凹凸面上产生压差，而对转轴产生冲动力矩三、离心式压气机的工作特性及喘振机理离心式压气机的特性离心式压气机在各种不同工况工作时，它的各主要参数会随之变化。在不同转速下压气机的排出压力和效率随空气流量的变化规律。21喘振压气机内气流流动不稳定，产生强烈脉动，引起压气机工作不稳定，导致压气机振动，并发出异常的响声的现象。喘振的原因：流量小于设计流量时气流偏离，漩涡、分离会进一步扩展，气流强烈不稳定流动，喘振。流量等于设计流量时气流平顺流动，损失小。流量大于设计流量时气流偏离叶片，但不扩展。柴油机与增压器的配合柴油机与增压器良好匹配的标志是：柴油机达到预定的增压指标；增压器在柴油机全部工作范围内都能稳定地运转，既不喘振也不超速，尽可能在高效区工作配合工作特性曲线四、柴油机废气涡轮增压系统废气能量低•单独增压系统—只由废弃涡轮增压器实现增压•复合增压系统—机械增压和废气涡轮增压联合二冲程柴油机有废气涡轮与压气机之间的功率平衡问题过量空气系数α大压差扫气串联增压系统串联旁通增压系统并联增压系统单独增压系统应用：四冲程柴油机早期的直流扫气二冲程柴油机现代二冲程低速机普遍采用。低负荷时辅以辅助鼓风机。只用废气涡轮增压器实现增压五、柴油机增压系统中增压器的运行特点及喘振原因喘振时可临时提高负荷消除。1、增压系统中增压器的运行特点单独增压系统中增压器的工作特性线在高负荷时远离喘振，在低负荷时靠近喘振区。在流到堵塞，背压升高时，低负荷易喘振。2.增压系统中增压器喘振的原因4)环境温度的变化根本原因：实际流量限制流量长期工作导致性能逐渐恶化，匹配不良或暂时失配1)气流通道堵塞：脏污、结炭、变形2)增压器和柴油机的运行失配–柴油机本身的某些故障–装载、顶风、污底–操作不当3)脉冲增压一缸熄火或各缸负荷严重不均第五节增压系统的维护和管理一、增压系统的维护管理二、增压系统的故障及排除三、增压器损坏后的应急处理废气涡轮增压器的工作特点：转子转速高；气流流速高；涡轮工作温度高管理应注意的问题平衡性；润滑；冷却；间隙安装一、增压系统的维护管理1、增压器的日常管理运行参数；运转声响；轴承润滑；停车管理；拆装2、废气涡轮增压器的清洗运转中的清洗；拆开清洗废气涡轮的清洗水洗法在低负荷下进行(50%标定功率)清洗约需10min清洗后，在低负荷下运转5min～10min干洗法用粉碎的核桃壳等用冲击式的方法清除积炭等污物。干洗在全负荷时效果最好负荷低于50%时不可干洗压气机清洗将一定量的水在短时间内喷入压气机。在柴油机全负荷运转下进行气缸滑油供给量提高50%～100％二、增压系统的故障及排除1轴承烧损现象原因处理：停车；更换轴承；停增压器运转。2、增压器强烈振动3、增压压力下降4、增压压力升高5、轴承箱中滑油很快变黑和漏失三、增压器损坏后的应急处理2.拆除转子应降低柴油机的负荷,保持冷却，切断滑油1.锁住转轴第四章小结一、柴