第一章--船舶柴油机概述

福建交通职业技术学院轮机工程返回《船舶柴油机》一、课程性质、教学目的与要求：1．课程性质：本课程是轮机工程技术专业的主要专业课和主干课,也是中华人民共和国海事局规定的海船轮机员适任证书获取的必考科目。在船舶机舱设备中，柴油机是船舶推进的主动力装置，也是船舶供电装置的原动机。通过柴油机课程的学习，使学员能够获得船舶柴油机的基础知识和实际操作与维修保养技能，适应船上值班时对柴油机的管理，满足《1978年海员培训，发证和值班标准国际公约》和95年修正案（简称STCW78/95公约）要求。2．教学目的与要求：理解柴油机的工作原理，熟悉典型柴油机的结构、主要部件，掌握柴油机的日常操作、管理及维修保养方法，掌握柴油机各系统的组成、功用及各系统部件的动作原理、调整方法及影响柴油机运转性能的主要因素，并能根据运行中的现象判断柴油机的工作状况，熟练而准确地处理常见故障。二、教材及教学参考书1．周明顺.船舶柴油机.大连海事大学出版社，20062．李斌等.主推进动力装置.人民交通出版社，20013．孙培廷.船舶柴油机.大连海事大学出版社，20024．黄少竹.船舶柴油机.大连海事大学出版社，20065.刘颖.柴油机原理.华中工学院出版社,19846.蒋德明.内燃机原理.机械工业出版社，19887.陈大荣.船舶柴油机设计.国防工业出版社，19808.王永顺.船舶轮机问答：柴油机分册.人民交通出版社,19959．宋汝涛等．船舶机电应用技术.中国航海学会《航海技术》编辑部，200410．杜荣铭.船舶柴油机.大连海事大学出版社，200511．廖和德等．动力设备拆装.大连海事大学出版社，200612．吕凤明．动力设备拆装与操作.大连海事大学出版社，199913．赵宗雄.船舶柴油机.大连海事大学出版社，200114．孙建波等.船机管理与故障处理.大连海事大学出版社，200215.钱耀南.船舶柴油机.大连海事大学出版社，2003年16.徐立华．船舶柴油机．武汉船舶职业技术学院出版社出版，200317.杜荣铭，陈景杰.船舶柴油机试题解答.大连海事大学出版社，2000年第一章船舶柴油机概述本章的重点：二冲程、四冲程柴油机的工作原理及性能比较，分类、基本概念。本章的难点：定时圆图、各性能指标的理解。主要内容第一节柴油机总论第二节柴油机热力循环和基本工作原理第三节柴油机的性能指标和工作参数第四节船用柴油机的发展第一节柴油机总论一、柴油机的基本概念1．热机（1）概念：把热能转换成机械能的动力机械。（2）种类：蒸汽机外燃机汽轮机燃料燃烧在气缸外部，效率低热机汽油机内燃机柴油机燃料燃烧在气缸内部，效率高燃汽轮机及煤气机2．柴油机（1）概念：是一种在气缸内进行两次能量转换压缩发火的往复式内燃机。是热效率最高的一种内燃机。（2）优缺点：①经济性好，热效率高，可达50%，可燃用劣质油。②功率范围广。③尺寸小，重量轻。④机动性好。⑤可直接反转。⑥存在振动，轴系扭转振动和噪音。⑦燃烧室部件工作条件恶劣，承受高温高压与冲击负荷。柴油机：155~270g/KWh汽轮机：435~1200g/KWh燃气轮机：245~350g/KWh汽油机：245~350g/KWh3．柴油机与汽油机的区别：柴油机与汽油机虽然都是内燃机，但是它们在使用燃料、可燃混合气形成、发火方式、性能及压缩比等方面均有区别。汽油机柴油机使用燃料汽油柴油（重油）油气混合方式外部（化油器）内部（喷油器）发火方式火花塞点火压缩发火压缩比小（6-10）大（12-22）热效率低15-40%高30-55%性能低温起动性能好，工作柔和，噪音小低温起动性能差，工作粗暴，噪音大4.柴油机的基本组成（动画演示）1）固定部件：包括气缸盖、气缸、机架、机座、主轴承、导板、曲柄箱、贯穿螺栓等；2）运动部件—曲柄连杆机构：活塞组件、十字头、连杆、滑块等；3）配气机构：凸轮与凸轮轴、凸轮轴传动机构、气阀驱动机构、气阀机构。4)燃油系统：5)润滑系统：6)冷却系统：7)操纵系统（包括起动、换向、调速）：8)增压系统（包括进排气管系）：5．柴油机的基本结构参数（1）上止点（T.D.C.）：（2）下止点（B.D.C.）：（3）行程：即S=2R。（4）气缸直径：D（5）气缸工作容积Vs：（6）燃烧室容积（余隙容积）VC：（7）气缸总容积Va：（8）余隙高度：（9）压缩比e：ε=Va/VC=（Vs+VC）/VC=1+Vs/VCA.压缩比ε表示缸内工质压缩程度，也就是活塞从下止点运动到上止点时，把缸内空气压缩了多少倍。它是柴油机的一个重要结构参数，对柴油机的经济性、燃烧和起动性能以及机械负荷等有重要的影响。ε大说明缸内空气被压缩厉害，压缩终点的温度和压力就高，有利于燃油的燃烧和柴油机的起动，并可提高热效率。但ε过大，会使柴油机PZ过高，工作粗暴，机械负荷和热负荷过大，降低可靠性和缩短柴油机的寿命。ε过小，则压缩终点的气体压力和温度过低，不利于燃烧，柴油机起动困难耗油率增加，功率下降。B．不同的机型ε特点：①小型高速机的ε＞大型低速机。因小型高速机气缸尺寸小，单位容积的散热面积大，允许提高ε以增加热效率.②非增压机的ε＞增压机。因增压机气缸进气压力高，压缩终点压力和温度高，燃烧最高爆炸压力和温度比非增压机高，为了降低机械负荷和热负荷，ε要小些。③四冲程机的ε＞二冲程机。④柴油机的ε＞汽油机。C．影响ε的因素：①连杆大小端轴承严重磨损，使活塞组件下沉。②十字头销（活塞销）与曲柄销严重磨损。③活塞顶面、缸盖底面被烧蚀或积碳，使VC改变。④船用大端杆身凸缘与大端轴承座之间的调整垫片厚度。⑤缸盖底面密封垫片厚度。⑥连杆杆身发生弯曲。D．ε的调整方法：(1)增加或减小连杆长度：（增加船用大端垫片或十字头式柴油机活塞杆与十字头间平面或与活塞裙连接面间的垫片，可使活塞组件升高，即hc减小，从而压缩比增大）；(2)增加或减小气缸垫床厚度：当增加时，压缩比减小。二、柴油机的类型1．按工作循环分类：四冲程和二冲程柴油机。2．按是否增压分类：增压和非增压柴油机。3．按曲轴转速分类：高速、中速和低速机。（1）低速柴油机：n300r/min，Vm＜6m/s；（2）中速柴油机：n=300～1000r/min，Vm=6-9m/s；（3）高速柴油机：n1000r/min，Vm＞9m/s。4．按结构特点分类：（1）筒状活塞式：活塞起导向作用，缸壁承担侧推力。（2）十字头式：活塞不起导向作用，缸套没有侧推力的作用，导向作用由十字头滑块承担，侧推力由导板承担。气缸下部加设一横隔板，把气缸与曲轴箱隔开，以防气缸中的污油、结炭或燃气漏入曲轴箱污染滑油。十字头式柴油机可靠性较筒形活塞式高。5．按气缸排列分：（1）直列：气缸数小于12缸（2）V型：气缸夹角有90°、60°、45°。6．按转向分：右旋机：由飞轮端（功率输出端）向自由端看，正车时按有顺时针方向旋转的柴油机。左旋机：由飞轮端（功率输出端）向自由端看，正车时按有逆时针方向旋转的柴油机。7．按可否逆转分：有不可逆转和可逆转柴油机。三、船舶用柴油机的型号船舶柴油机的型号四、柴油机在船舶动力装置中的应用•低速柴油机的特点经济性最佳（热效率达到55%，155g/KWh）柴油机的转速很低（直接配螺旋桨）船用低速柴油机功率大（二冲程大缸径）结构简单、工作可靠可燃用劣质燃料中速柴油机的特点•重量轻，尺寸小•可选择最佳螺旋桨转速•可以多台柴油机联用•油耗率比低速机略高•寿命比低速机略短•管理麻烦第二节柴油机热力循环和基本工作原理柴油机的基本工作原理是采用压缩发火，使燃料在气缸内部燃烧，以高温、高压的燃气工质在气缸中膨胀推动活塞作往复运动，再通过活塞-连杆-曲柄将往复运动变成曲轴的回转运动，从而带动工作机械。一个工作循环的五个过程：进气、压缩、燃烧、膨胀作功和排气。一、柴油机的理论循环和实际循环（1）理论循环，是建立在下列假设的基础上：1）工质为理想气体，其压力、温度、容积变化符合气态方程式PV=MRT；2）压缩与膨胀过程为绝热过程，与外界没有热交换，也不存在摩擦；3）工质在整个循环中保持不变（包括物理及化学性质、工质数量及比热保持不变）；4）没有实际循环中进、排气过程，没有换气损失；1、柴油机理论循环一、柴油机理论循环和实际循环定容加热循环定压加热循环混合加热循环定容加热循环定压加热循环混合加热循环（现代柴油机循环）4.继续膨胀混合加热循环（图d）1.混合加热循环（图a）2.定容加热循环（图b）3.定压加热循环（图c）4.继续膨胀混合加热循环（图d）柴油机的理论循环基本上为混合加热循环理论循环的热效率ηｔ11111ektkk式中：ε——压缩比λ——压力升高比ρ——初期膨胀比ｋ——工质绝热指数二、柴油机的实际循环1．工质的影响理论循环中的工质是理想气体，而实际循环中的工质是空气和燃烧产物。（1）工质成份变化（2）工质比热变化（3）工质的高温分解（4）工质的分子数变化。2．换气损失（1）排气提前开启的膨胀功（2）排气耗功（3）吸气耗功3．燃烧损失4．气缸壁的传热损失5．其它损失，如泄露损失等。二、四冲程柴油机工作原理用四个行程（曲轴回转两转）完成一个工作循环的柴油机称四冲程柴油机。曲轴与凸轮轴转速之比为2/1。1．进气行程（1）作用：使气缸满新鲜空气。（2）进气提前角：进气阀开启时曲柄与上止点之间的夹角。用α1表示，α1过大，则缸内压力大可能产生废气倒流。（3）进气延迟角：进气阀关闭时曲柄与下止点之间的夹角。用α2表示，α2过大，则压缩行程变短。一般增压机的α1、α2均大于非增压机。气阀开启的延续角约为220˚～250˚CA。2．压缩行程（1）作用：①使燃烧过程的温度升高，提高工作循环的热效率②提高工质的温度和压力，为冷车起动和着火作准备③使循环的工质得到更大的膨胀比，对活塞做更多的功。（2）压缩终点：Pc=3～6MPa；Tc=600～700℃。燃油自燃温度为210~270℃。3．膨胀行程（1）作用：进行燃烧膨胀对外作功。（2）PZ=5～8MPa；TZ=1400～1800℃。Pb=0.3～0.6MPa，Tb=600～700℃。4．排气行程（1）作用：将做功后的废气排出缸外，为下一个循环充入新气做准备。（2）排气提前角：排气阀开启时曲柄与下止点之间的夹角，用β1表示。排气阀提前开启有两个好处：①多排出废气②减少排气耗功。但β1过大，则膨胀功损失大。（3）排气延迟角：排气阀关闭时曲柄与上止点之间的夹角。用β2表示，β2过大，则排气管中的废气会倒流（活塞下行）。一般增压机的β1、β2均大于非增压机。气阀开启的延续角约为230˚～260˚CA。进气和排气冲程均大于180˚CA。二压缩与膨胀冲程均小于180˚CA。综上所述，在四冲程柴油机中，要经历进气、压缩、膨胀、排气等四个行程才完成一个工作循环；与此相应的是曲轴回转两转，即720˚曲轴转角。而且，在四个行程中，只有膨胀行程才作功，其余三个行程都要消耗功。因此，单缸柴油机，飞轮较大。三、气阀重叠角和定时图1．气阀重叠角：进、排气阀同时开启的曲轴转角。为α1+β2作用：（1）在气阀叠开期间，利用废气流动惯性的作用，在燃烧室内形成一定的低压，造成抽吸新鲜空气的有利条件，将新气吸入气缸。（2）利用吸入的新气更好地把废气扫出气缸。（3）利用新气对燃烧室部件进行冷却。四冲程机均有一定的气阀重叠角，而且增压柴油机的气阀重叠角均大于非增压机。一般非增压机为25˚～50˚CA，增压机为80˚～130˚CA。3．定时图：用曲轴转角表示气阀正时的圆图。正时圆图的要素：①止点；②转向；③提前角和延迟角；④过程。进气过程：ψ12=ψ1+180+ψ2；进气凸轮作用角：ψ12=（ψ1+180+ψ2）/2；排气过程：ψ34=ψ3+180+ψ4；排气凸轮作用角：ψ34=（ψ3+180+ψ4）/2；4.气阀提前开延迟闭的目的：将废气排除干净和增加空气的吸入量，从而有利于燃油的燃烧。因此，气阀正时影响四冲程柴油机的作功能力、经济性和寿命。四、二冲程柴油机的基本工作原理1．概念：两个行程（曲轴回转一转）完