柴油机的换气和增压

柴油机的换气和增压柴油机从开始排气、扫气到进气结束的整个气体更换过程称为换气过程。换气过程进行的完善，压缩过程开始时残留的废气量就少，寸留在汽缸中的新鲜空气就多，就为燃油的完全、及时燃烧创造了良好的条件。燃油完全、及时的燃烧，不但使柴油机发出更大的功率从而提高其动力性，使柴油机有较高的热效率，提高其经济性，而且完全的燃烧还意味着结碳减少，改善排气的污染，及时的燃烧还以为着较低的循环平均温度，从而提高柴油机的可靠性。因此，换气质量的好坏是柴油机工作优劣的先决条件。一．四冲程柴油机的换气过程因为汽缸压力及排气管内压力随曲轴转角的变化而变化；进、排气阀的通流截面积也随曲轴转角的变化而变化，因此，根据气体流动的特点，将换气过程分为几个阶段：***自由排气阶段：当排气阀开启时，汽缸压力远远高于排气管压力，排气管压力与汽缸压力之比小于临界值，气体流动为超临界流动，汽缸内废气以音速流过排气阀最小截面处。汽缸压力迅速下降，排气管压力升高。当排气管压力与汽缸压力之比大于临界压比时，气体流动转入亚音速流动阶段。到某一时刻，汽缸压力接近于排气管压力时，自由排气阶段即告结束。***强制排气阶段：活塞上行将汽缸内的废气强制推挤入排气管的阶段，即为强制排气阶段。由于排气阀延迟关闭，此阶段的末尾可利用排气管中废气的流动惯性把汽缸内的废气继续吸出。***进气过程：进气阀提前开启，汽缸中的废气压力低于进气压力时开始进气。进气流具有一定的惯性。进气阀滞后关闭可使气体的动能转化为压力能，使进气终了时汽缸压力接近或略高于进气管压力。***气阀叠开和燃烧室扫气过程：在气阀叠开期间，进气管、燃烧室和排气管连通起来，当进气管中压力比排气管压力高时，新鲜空气进入汽缸并驱赶残留在燃烧室的废气一并进入排气管。这样，既有利于清扫残余废气、增加新鲜空气量，又有利于降低燃烧室部件冷却液难以冷却到的高温壁面的温度。但是，应该指出：气阀叠开角并不是大的就好，因为进气阀开启过早会造成废气倒冲入进气管；排气阀关闭过迟，过量的扫气空气会降低涡轮前排气温度，减少增压器涡轮获得的可用能。***在换气过程中，新鲜空气与废气是不相掺混的。因此，四冲程柴油机的换气质量高。而。二冲程柴油机的换气过程根据二冲程柴油机汽缸内气体变化的特点，可将换气过程分为三个主要阶段。***第一阶段（自由排气阶段）：在膨胀冲程的末尾，下行的活塞把排气口打开，此时汽缸内的压力比排气管中的压力高得多，汽缸内压力与排气管压力之比值小于临界值，废气以临界速度流出排气口进入排气管。超临界流动持续到该比值等于临界值。此后废气以亚临界速度自由排出汽缸。当汽缸内压力约等于扫气箱空气压力时，自由排气阶段结束。注意：扫气口刚打开时，汽缸压力仍略高于扫气压力，但因压差不大而时间又很短，因此，倒流可以忽略。如果排气不畅、排气阀开启正时偏迟，废气倒冲就会很严重，甚至可能引起扫气箱着火。***第二阶段（强制排气和扫气阶段）：该阶段开始时，由于扫气口开度小，排气口已开得很大，汽缸中的废气正以很高的速度进入排气管，汽缸内的压力继续迅速降低。由于废气流的惯性作用，汽缸内压力进一步降低。然后，随着扫气口开度的增加，新鲜空气大量进入，汽缸中压力逐渐升高。在扫气口关闭而结束此阶段前，汽缸内压力趋于稳定。在本阶段中，主要是利用扫气空气进入汽缸把汽缸内的废气排挤出去，因此称为强制排气及扫气阶段。***第三阶段（过后排气阶段）：活塞上行先关闭扫气口。此时，汽缸中的残余废气掺混部分新鲜空气经由仍然开启的排气口继续进入排气管，直到排气口（或阀）关闭，汽缸内开始进行压缩过程。******二冲程柴油机换气的持续时间约为120~150度曲柄转角。四冲程柴油机实现换气过程所占时间则相当于400~500度曲柄转角。如果转速相同，则二冲程柴油机的换气时间只有四冲程柴油机换气时间的1/3。因此，讹传齿唇音机进行比较完善的换气比较困难，高、中速柴油机尤其困难。三。时面值、角面值在一次换气过程中各个阶段气口或气阀的通流能力是以它们所拥有的时面值来衡量的。它不仅考虑了气口或气阀开启面积的大小，同时还考虑了开启时间的长短。角面值表示气口或气阀的通流能力。对于给定的柴油机它是一个定值，它的大小与柴油机的转速无关。注：关于时面值、角面值的详细资料及相关的计算公式、符号均在《船舶柴油机》教材P61。四。充七系数在进气过程结束后，由于存在流动阻力，汽缸内压力低于进气管处压力，同时由于壁面对吸入空气的加热，进气与残留在汽缸中废气的混合以及进气动能部分转变为热能等原因，汽缸内进气温度比进气管处空气的温度高。因此，如果把吸进汽缸内的新鲜空气体积换算成进气管状态的体积，该换算体积将小于汽缸工作容积。***充气系数的定义为实际吸入汽缸的新鲜空气量与进气管状态下充满汽缸工作容积的空气量的比值。根据进气过程的能量平衡关系，可以得到充气系数的由各种影响因素组成的表达式（见《船舶柴油机》教材第八章），并进而估算出各种影响因素对充气系数的影响程度。***影响充气系数的有关因素：：1。进气流动阻力的影响：由于进气流道存在流动阻力、产生压降，所以要提高充气系数必须减小压降，要求尽可能增大进气通道截面积。因此，中、大型四冲程柴油机普遍采用多个进气阀结构（2个甚至3个）。而且由于降低进气流动阻力比降低排气流动阻力对提高充气系数更为有效，所以柴油机往往尽可能增大进气阀的直径，使进气阀的直径大于排气阀的直径以达到提高充气系数的目的。***随着转速的提高，压降将增大、充气系数将下降。因此，运行管理应注意经常保持进气系统的清洁以减少流动阻力。（******在很低的转速下，由进气流动阻力在朝的充气系数下降占有很大的份额，是影响充气系数的主要因素）2．进气过程结束时汽缸内气体温度的影响：在进气过程中，由于壁面对空气的加热、与残留废气的混合以及进气动能部分转变为热能等原因，使吸入的新鲜空气温度升高，从而导致充气系数的下降。当柴油机的负荷增大，喷油量增加，循环的平均温度升高，汽缸壁温升高，充气系数也有所下降。当柴油机转速增加时，进气与壁面接触时间减少，壁面传给进气的热量减少。因此，壁面传给进气的热量导致了充气系数的下降。进气过程结束时汽缸内气体温度有所升高对充气系数的影响较小，是影响充气系数的次要因素。3．残余废气系数的影响：当换气终了时，汽缸内的残余废气系数（即换气结束时汽缸内残余废气量与新鲜空气量之比值）增加，则吸入汽缸内的新鲜空气减少，从而使充气系数下降。如果排气背压增加，将使残余废气系数增加，导致充气系数下降。但是，四冲程柴油机的残余废气系数很小而且变化范围也很小，因此，残余废气系数对四冲程柴油机的影响也相对就小。4．柴油机气阀正时的影响：（1）排气阀提前开启：排气阀开启初期其通道截面积很小、流动阻力很大。如果排气阀过于接近下止点时才开启，提前开启的角度太小，废气排出不畅，就会造成活塞上行推出废气消耗的功增大，残余废气量增加，充气系数就会降低。但是，排气阀提前开启的角度也不能太大，否则会使气体膨胀损失过大；（2）排气阀滞后关闭：排气阀的滞后关闭一方面使活塞到达上止点时排气阀仍有足够的通道截面，有利于废气的排出；另一方面，由于利用了排气流的惯性，可使废气排的更干净。（3）进气阀提前开启：进气阀提前开启除了使进气冲程开始时有较大的通道截面以减少进气阻力、提高充气系数外，还可形成进、排气阀叠开，对燃烧室进行扫气，减少残余废气量，提高充气系数。（4）进气阀滞后关闭：进气阀延迟在下止点后关闭，一方面使活塞在下止点附近时进气阀仍有足够的开度，不致因开度不足而使压降增加。另一方面还可充分利用进气流的惯性而吸入更多的空气。在某一个转速范围内有一个选定的气阀正时，在这个转速范围内，受进气阀关闭正时的影响最小。高于这个转速时，进气阀关闭过早，没能充分利用进气惯性；低于这个转速时，则进气阀关闭过迟，造成进气倒流。不同的转速下，存在不同的最佳正时。因此，，要使柴油机的性能达到最佳，运行于不同的转速时，其正时应该是不同的。但是，常规的气阀启闭控制机构做不到这一点。因此，变速使用的船舶主柴油机的说明书所规定的气阀正时，只是在常用的高转速下才能得到最佳的充气系数值。***二冲程柴油机中，进气流动阻力在进气过程结束时汽缸内气体温度、残余废气系数等因素对充气系数的影响与四冲程柴油机相似。柴油机排气阀、扫气口正时影响到排气阀、扫气口的通流能力和扫气气流在汽缸中的流向，对充气系数有很大的影响。为了达到在耗费新鲜空气尽可能少的条件下把尽可能多的废气排出汽缸外，排气阀、扫气口正时应符合说明书的规定值，应定期清洁扫气口以保证扫气气流在汽缸中的流向并减少流动阻力。换气机构换气机构的功能是实现对柴油机换气过程的控制，即依照柴油机各汽缸的工作次序、定时地打开或关闭进、排气阀，以保证汽缸内废气的排除和新鲜空气的充入。四冲程柴油机采用气阀式换气机构。当前船用二冲程柴油机均采用气口——气阀式换气机构。***气阀式换气机构主要包括气阀机构和气阀驱动机构两部分。（本内容还将包括凸轮轴和凸轮轴传动机构的阐述）一．气阀机构1．气阀的工作条件：气阀承受着很高的热负荷。气阀头部直接与高温、高压的燃气接触，特别是排气阀还受到高温燃气的冲刷。在高增压柴油机上，排气阀打开的瞬间的燃气温度可达到900~1000摄氏度，排气的气流速度可超过800m/s。因此，在结构上如不采取有效措施，排气温度可达650~800摄氏度以上。目前，船舶主、辅柴油机均燃用劣质重油。这类重油常含有大量的钒、钠和硫等元素。燃油的燃烧过程中这些元素形成的氧化物和盐有可能早产所谓的“高温腐蚀”。气阀承受着很高的机械负荷、很高的气体爆发压力的作用及落座时的撞击使气阀工作过程中承受很大的冲击性交变载荷，造成气阀密封面弹性、塑性变形，阀盘反复滑移着楔入阀座，造成磨损。因此，气阀、特别是排气阀的工作条件是极其严酷的。其检修周期成了柴油机重要的技术指标之一。2。气阀组件：在结构上气阀机构有带阀壳和不带阀壳之分。小型柴油机使用不带阀壳的气阀机构。大型低速柴油机使用带阀壳的气阀机构。大功率的中速柴油机、尤其是排气阀，普遍广泛采用带阀壳的气阀机构。带阀壳的气阀机构把气阀组件的所有零件装在一个单独的阀壳中，再用柔性螺栓把阀壳安装在汽缸盖上，这样在检修气阀时，只要卸掉紧固螺栓把阀壳取下，而不用卸下汽缸盖。这给维护和检修带来很大的方便。气阀采用耐热、耐磨合金钢制造。气阀座圈则采用合金铸铁或耐磨合金钢。气阀导管是气阀的导承。它承受着摇臂推阀所带来的侧推力，还承担气阀的散热作用。普通气阀经过导管的散热量约占总散热量的25%。导管材料常用各种铁基粉末合金、灰铸铁和球墨铸铁。粉末合金能在润滑条件较差的情况下工作而磨损较小。阀壳紧固螺栓均采用柔性螺栓。这是因为采用柔性螺栓使阀壳、汽缸盖等受热零件因受热膨胀不一致而产生的附加应力较小，不易发生蠕变而松脱；阀壳承受着脉动的气体压力，柔性螺栓所受的交变应力变化幅度比普通螺栓小，不易疲劳断裂；柔性螺栓断面比较细、表面光滑，结构上力求避免应力集中，疲劳强度较高。3．气阀的常见故障及提高气阀工作能力的措施：由于柴油机的增压度越来越高，气阀的热负荷越来越大，特别是燃用劣质燃油，使气阀、尤其是排气阀的工作条件更为严酷。因此，气阀、尤其是排气阀仍是故障率最高的部件之一。为了延长排气阀的检修周期及寿命，新型柴油机普遍采取了几种提高气阀工作能力的措施。（1）气阀的常见故障：排气阀烧损：这是气阀最常见的故障。其主要原因是排气阀密封不严，造成高温燃气漏泄，使该处严重过热。严重时可使该处熔穿一个大洞。造成排气阀密封不良的原因有：A．由于阀盘不同部位受热、散热条件不同，阀盘圆周上的温度分布不均匀，即靠汽缸中心的部位温度高，而靠汽缸盖外侧的温度低。温差较大会造成阀盘变形而漏气。B．排气阀阀盘及阀座密封锥面沉积一层混有炭粒的玻璃状物质。这些物质主要由Na2SO4、CaSO4、Fe2O3、V2O5等组成。它们的成分主要来自重油中的杂质。玻璃状沉积物性脆，当沉积厚度较大时，在气阀关闭时的撞击下该沉积物会产生裂纹，反复撞击后进而发展到剥落，从而形成